镍钛形状记忆合金的生物相容性研究进展*

王成健孟增东,*张玉勤谢辉

综述与讲座

镍钛形状记忆合金的生物相容性研究进展*

王成健1孟增东1,2*张玉勤3谢辉2

镍钛形状记忆合金（Nickel titanium shapememory alloys,NiTi-SMA）因具有良好的生物相容性、形状记忆效应以及超弹性等优异性能成为理想的体内固定材料，目前已广泛的应用于临床治疗。由于镍钛形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性可以有效避免应力遮蔽引起的材料断裂，因而有望长期存于人体内，但是合金在人体内受腐蚀释放的镍离子存在生物毒性，对局部组织有致敏甚至是致癌作用，所以又限制了其在临床上的广泛应用。本文综述了镍钛形状记忆合金生物相容性相关的文献，总结镍钛形状记忆合金在体外、动物体内生物相容性以及临床应用的生物相容性方面的研究进展，并指出镍钛形状记忆合金的表面处理在提高其生物相容性方面的重要性。

镍钛形状记忆合金；生物相容性；表面处理

近来，随着医用生物材料科学的发展，加之临床医疗的需求，镍钛形状记忆合金因其具有形状记忆效应，并且具有强度高，耐磨损、耐腐蚀、无磁、无毒等优异的理化性能，硬度和刚度与人体的骨组织接近，被认为是理想的生物内固定植入材料之一，在医学领域获得了广泛的应用。目前所报道的镍钛形状记忆合金在医疗领域的应用涉及到了骨科、口腔科、胸外科、妇产科以及影像学科等，已开发出的产品有脊柱侧弯哈氏棒、髋关节假体、框架式尺挠骨内固定器、髌骨固定器、子宫内避孕环、牙科正畸丝等[1]生物医用材料。

大多数生物相容性的研究显示镍钛形状记忆合金具有较低的细胞和遗传毒性，但是镍钛形状记忆合金中由于大量的镍元素存在，而镍及其化合物对人体存在潜在的毒性，并且过量的镍离子存在人体中常会引起局部组织过敏反应，镍离子进入体液循环后也可能会影响氨基酸代谢、蛋白质变质，对面以及血液系统产生不利影响，继而导致致畸、致癌等不良后果。因此，镍钛形状记忆合金安全性一直受到研究学者们的关注[2-4]。镍钛形状记忆合金在人体内会有镍离子析出，并且其释放量与合金表面的粗糙程度及化学组成密切相关，镍离子释放量及其毒性作用对机体的影响也成为此类合金应用的限制因素，目前已有大量学者[5]对镍钛形状记忆合金的表面进行修饰以期待提高合金的生物相容性的目的。本文拟回顾镍钛形状记忆合金生物相容性相关研究进展，从体外细胞试验、动物体内试验、临床应用以及表面修饰对其生物相容性的影响几方面进行综述，从而客观评价镍钛形状记忆合金的生物相容性以及表面处理对提高其生物相容性的必要性。

1 镍钛形状记忆合金体外生物相容性研究进展

镍离子的溶出在镍钛形状记忆合金植入物使用过程中备受关注，很多研究者对镍钛形状记忆合金中镍离子的释放情况进行了监测。例如有研究人员对镍钛形状记忆合金弓丝在体外溶出度研究中发现[6-9]，镍离子平均释放率为13.05mg/天，显著低于日常饮食平均摄入200～300mg/天；另一项研究中，牙科患者使用镍钛形状记忆合金器械5个月，一系列的测量数据显示患者血液中镍离子的浓度没有明显增加。M. ARNDT等[10]对镍钛形状记忆合金弓丝进行电化学性能以及机械浸渍试验，并对弓丝表面进行电镜（SEM）观察以及能量分散型X线检测，并且使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定了镍离子的释放量，证实了镍钛形状记忆合金在一定的机械压力和热负荷作用下镍离子的释放仍然低于日常饮食摄入量，所以镍钛形状记忆合金在矫形支架的应用中体现了良好的生物相容性。

许多学者利用等离子技术对镍钛合金表面进行处理，并且与未经处理的镍钛合金进行对比实验，在电化学实验过程中发现经过表面处理的镍钛合金其表面耐腐蚀性能明显增强，Shi Jin等[11]发现，TiN涂层呈现更大的粗糙度和良好的润湿性从而增加细胞表面依从性。MTT结果表明在涂覆，未涂覆的和阴性对照组中细胞活性和增殖情况相似。然而，TiN涂层组早期凋亡率显着低于未涂层组，并且TiN涂层组的细胞黏附，伸展和增殖明显增强。另外 TiN涂层增加镍钛合金粗糙度和湿润性，从而增强了成纤维细胞的增殖和黏附性。M I Jamesh等[12]学者通过气相沉积制备了镍钛梯度膜，通过对比实验发现，经过处理的钛与裸钛基体相比较有更好的亲水性，但与未经处理的镍钛相比并没有明显的差异，并且未经处理的镍钛与经处理的样品有相似的良好的细胞扩散以及成骨细胞黏附表现，因此等离子表面处理对于细胞活性与黏附性能并没有明显的影响。然而经过涂层的材料与细胞出现良性的互动，主要在于蛋白质分子的吸附效率与能力明显得到提高，因此表面等离子处理使得镍钛合金具有更为优异的细胞相容性。相关的学者也在继续探究镍钛合金表面处理与细胞、蛋白等的作用机理，为合金的继续优化获得数据支持。

石新莹等[13]用健康人血分别与具有羟基磷灰石涂层的多孔镍钛合金（NiTi-HA）、无涂层多孔镍钛合金（NiTi）以及致密纯钛（Ti）试样进行溶血试验，得到NiTi组、NiTi-HA组及Ti组试样的溶血率分别为（0.30±0.11）%、（0.51± 0.07）%、（0.27±0.06）%，溶血率均不高于5%，符合医用材料标准规定的溶血要求，并且涂层后的多孔镍钛合金展现出更低的溶血率。三组材料分别与人SV40转染成骨细胞进行共培养，观察到成骨细胞已长入多孔结构的孔隙内部，呈不规则多边形，伪足较多，伸展良好。各组成骨附着状况良好，细胞数量随时间延长而缓慢增长，成骨细胞碱性磷酸酶（ALP）活性检测结果NiTi组、NiTi-HA组的ALP活性差异不大且均高于Ti组。因此多孔镍钛合金及带有涂层的多孔镍钛合金均能够符合国家医疗器械相关标准的要求，且涂层后的多孔镍钛合金具有更为优异的生物相容性。

2 镍钛形状记忆合金动物体内生物相容性研究进展

国内学者张媛媛等[14]将镍钛形状记忆合金所制备的听骨链重建材料植入到豚鼠的听泡中，并分别在植入后7、14、28、56、112天随机处死含钛植入组和空白植入组的豚鼠各5只，通过组织切片对组织细胞行形态学检查分析，染色观察毛细胞凋亡和缺失情况，扫描电镜观察耳蜗基底膜毛细胞纤毛排列情况，透射电镜观察毛细胞细胞器形态，对各组的豚鼠植入前、不同时间点处死前均行听性脑干反应及畸变反应耳声发射检测，发现不同时间点处死的豚鼠耳蜗组织形态无明显变化，未发现耳蜗毛细胞发生凋亡，基底膜耳蜗毛细胞纤毛排列整齐，外耳蜗毛细胞的细胞器未见明显异常。各组植入前后7、14、28、56、112天听性脑干反应阈值差异无显著性差异，且畸变反应耳声发射检测通过率均为100%。结果证实，镍钛合金听泡植入对豚鼠耳蜗形态及听功能无明显影响，表明镍钛形状记忆合金无明显耳毒性。

B.Thierry等[15]通过将镍钛形状记忆合金支架植入动物体内血管后的研究发现其能够降低附壁血栓的形成几率，减少急性和亚急性血栓遮挡的风险。所以镍钛形状记忆合金血管支架在临床上的应用可以减少血栓的形成几率，降低病人的复发率，缩短住院及恢复时间。体现了镍钛形状记忆合金优异的动物体内相容性。

Christian等[16]通过对51只大鼠的左股骨远端植入镍钛形状合金植入物，并通过电磁感应来对合金植入物进行加热，温度控制在40～60℃，用以调整镍钛形状记忆合金植入物在大鼠体内左股骨远端的形状和刚度，在试验开始前后对大鼠的血液样本进行检测，并对白介素-1（IL-1）、IL-4、IL-10、肿瘤坏死因子 （TNF-）和干扰素（IFN-）进行测定。术后各组大鼠恢复状况均良好，无明显不良反应。三星期后处死动物，进行组织学检查。细胞因子测量以及组织学标本的检测均无明显差异。证实了电磁加热调整镍形状记忆合金均有良好安全性，同时也证明了即使再加热状况下镍钛形状记忆合金也依然具有优异的安全性和生物相容性。

3 镍钛形状记忆合金在人体中的生物相容性研究进展

近年来随着交通事故、运动损伤等意外伤害导致的骨折病例的高速增长，形状记忆合金在临床上越来越受到医师的关注，史博等[17]对20例多发性肋骨骨折行镍钛形状记忆合金环抱器治疗，术后8～12周X线片显示骨折临床愈合，无骨折不愈合及内固定松动、滑脱发症出现，证实了镍钛形状记忆合金的良好的生物相容性。另外焦军胜等[18]对聚髌器与张力带在治疗髌骨骨折的临床疗效进行统计分析，术后无一例深部感染、内固定松动及断裂等手术并发症，二者均具有良好的效果，并且镍钛形状记忆合金聚髌器兼具创伤小、操作简便，生物相容性良好等优点，对粉碎性髌骨骨折尤为适用。

赵岩等[19]人利用逆行交锁髓内钉联合镍钛形状记忆合金骨卡环置入内固定治疗股骨髁上A型骨折，对19例患者进行手术治疗，并随访了其中的17例患者，骨折临床愈合时间12～18周，平均愈合时间14周；无内固定物松动、断裂及畸形、关节感染、骨不连等发生，术后发生切口表浅感染2例，膝关节滑膜炎2例，原有骨性关节炎一过性加重1例。说明采用此方法治疗骨折生物力学稳定，能有效恢复股骨髁上骨折的稳定性及完整性，固定可靠，能促进骨折愈合，并且镍钛形状记忆合金骨卡环植入后无内固定物松动、断裂及畸形、关节感染发生，无骨折延迟愈合发生，显示出植入物良好的组织相容性。

4 镍钛形状记忆合金涂层改性后生物相容性研究进展

随着镍钛形状记忆合金在临床的广泛应用，越来越多的学者开始关注镍钛形状记忆合金的表面改性，以此来进一步提高其生物相容性。镍钛形状记忆合金表面会自动形成二氧化钛（TiO2）氧化膜，但易发生剥落，对亚表层的保护作用有限，因而单一的镍钛合金不足以抵抗由相对运动引起的粘着和磨粒磨损，磨损产生的合金颗粒会引起置换后关节的无菌松动，并最终导致置换失败[20]。加之人体组织环境的复杂性，在外力以及体液的侵蚀下，合金表面钝化膜有可能被剥离、溶解。因此，在使用过程中会有镍离子释放到组织中，在生物体内产生毒性、炎症等反应。Komotori等[21]研究发现：钛合金在体液中的磨损和腐蚀是同时发生的，腐蚀电流密度随着划痕速率的增加而增加，并由磨损腐蚀诱发浸蚀腐蚀和点蚀。另外，多孔镍钛形状记忆合金由于其多孔性，比表面积远高于致密合金，因此多孔镍钛形状记忆合金在腐蚀溶液中更容易出现腐蚀[22]。另外，因为镍钛形状记忆合金直接植入人体后与骨组织之间只是一种简单的机械嵌合，而非强有力的化学骨性结合，所以会有镍钛形状记忆合金植入体松动脱落的情况发生。因此对镍钛形状记忆合金进行表面改性，增强其耐磨性、耐腐蚀性，提高其与周围组织的结合力，减少应力屏蔽，从而改善其生物学性能受到了越来越多的医学工作者以及研究人员的关注[23-29]。目前主要表面的改性方法是通过各种技术在镍钛形状记忆合金表面形成具有较高耐蚀性、耐磨性并且生物相容性良好的涂层。主要的涂层技术有电化学沉积，离子注入法，微弧氧化涂层，复合涂层及梯度涂层等。涂层所用的材料主要有类金刚石（DLC）涂层，TiN及TiC涂层以及其他无机高分子材料涂层等。

电化学沉积作为一种传统工艺，通过改良工艺方法将蛋白质、含Ca/P的涂层等具有生物活性的物质沉积到镍钛形状记忆合金表面[30]。尹燕等[31]人采用电沉积-碱处理的方法对镍钛形状记忆合金的表面进行羟基磷灰石（HA）陶瓷涂层，制备得到均匀、致密，不含其他磷酸钙杂质相的HA涂层，改善了镍钛形状记忆合金的组织相容性，且能有效刺激软骨细胞的形成，并转变为骨小梁，提高了镍钛形状记忆合金的生物活性。离子注入是采用高能离子束处理材料表面，使其表面成分和性能发生变化的一种物理合金化过程，Hanawa,郭欢等[32,33]人采用离子制备的方式制得具有良好理化性能以及优秀的生物相容性的涂层材料。微弧氧化是一种在材料表面原位生长氧化膜的新技术，微弧氧化所形成的氧化膜，由于放电形成许多微孔结构，这种多孔的结构有利于细胞的黏附生长，植入骨内有利于骨组织的生长。镍钛形状记忆合金的表面生物相容性改性的方法还有很多，但是目前依旧存在许多问题，例如涂层与基体结合力度差，制备工艺繁琐等。因此有学者通过多种涂层方法联合使用进行复合涂层，获得了涂层与镍钛形状记忆合金结合强度较高的复合涂层，增强其与机体组织细胞的结合能力，降低了镍钛形状记忆合金植入物植入后松动脱落的风险，优化提高了镍钛形状记忆合金的生物相容性。

5 结语和展望

镍钛形状记忆合金由于其优越的理化性能，在临床领域中得到了广泛的应用，其具有优良的生物相容性，在某些方面超越了纯钛。但镍钛形状记忆合金中镍元素的溶出对其生物相容性具有重要的影响，所以在不影响合金本身优秀的力学及机械性能的前提下，对镍钛形状记忆合金的表面进行修饰处理，可以减少镍离子在人体环境中的溶出量，并且提高组织细胞与镍钛形状记忆合金的结合强度，提升植入物的稳定性，提高其作为长期植入物的生物相容性。近年来，新发展起来的多孔镍钛形状记忆合金的三维连通结构在增强与骨组织结合强度的同时，也增大了合金与组织细胞的接触表面积，由此也影响了其耐腐蚀性能[34]，考虑到由于腐蚀导致镍离子的溶出，对机体存在潜在的毒性影响，所以通过对合金表面改性来提高镍钛形状记忆合金的耐腐蚀性能继而提高其生物相容性也受到了越来越多的学者及医疗工作者的关注。

镍钛形状记忆合金作为生物骨修复材料，虽然能有效避免应力遮蔽效应，但在压力下的腐蚀行为、镍元素对血液蛋白的选择性吸附以及多孔镍钛形状记忆合金的耐蚀性能、生物相容性仍需要进一步研究；通过表面涂层提高镍钛形状记忆合金与骨组织的结合能力、耐腐蚀性能，优化合金植入后与机体的结合稳定性、生物相容性仍然需要长期深入的研究。

[1] SharmaN,RajT,Jangra K K.ApplicationsofNickel-Titanium A lloy[J].Journalof Engineering and Technology,2015,5(1):1.

[2] Shabalovskaya SA.On the nature of the biocompatibility and on medical applications of NiTi shapememory and superelastic alloys[J].Bio-medicalmaterialsand engineering,1996,6(4):267-289.

[3] Es-SouniM,Es-SouniM,Fischer-BrandiesH.Assessing thebiocompatibility of NiTi shapememory alloys used formedical applications[J].Analyticaland bioanalyticalchemistry,2005,381（3）: 557-567.

[4] BansiddhiA,SargeantT,Stupp S,etal.PorousNiTi forbone implants:a review[J].Actabiomaterialia,2008,4(4):773-782.

[5] LiH,Yuan B,Gao Y,etal.Remarkablebiocompatibility enhancement ofporousNiTialloysby anew surfacemodificationapproach:In-situ nitridingand in vitroand in vivoevaluation[J].JournalofBiomedical MaterialsResearch PartA,2011,99(4):544-553.

[6] Huang H-H,Chiu Y-H,Lee T-H,etal.Ion release from NiTiorthodonticw ires in artificialsalivaw ith variousacidities[J].Biomaterials,2003,24(20):3585-3592.

[7] PoostiM,Rad H,Kianoush K,etal.Aremorenickelions released from NiTiw iresafter sterilisation[J].Australian orthodontic journal,2009,25(1):30.

[8] Bishara SE,Winterbottom JM,Sulieman A-HA,etal.Comparisons of the thermodynamic propertiesof threenickel-titanium orthodontic archw ires[J].The Angleorthodontist,1995,65(2):117-122.

[9] Es-SouniM,Fischer-Brandies H.On the properties of two binary NiTishapememory alloys.Effects of surface finish on the corrosion behaviour and in vitro biocompatibility[J].Biomaterials, 2002,23(14):2887-2894.

[10]ArndttM,Brück A,Scully T,etal.Nickel ion release from orthodontic NiTiw ires under simulation of realistic in-situ conditions [J].Journalofmaterialsscience,2005,40(14):3659-3667.

[11]Jin S,Zhang Y,Wang Q,etal.Influenceof TiN coating on thebiocompatibility ofmedical NiTialloy[J].Colloids and Surfaces B: Biointerfaces,2013,101:343-349.

[12]Jamesh M I,LiP,Bilek M M M,etal.Evaluation of corrosion resistance and cytocompatibility of gradedmetal carbon film on Ti and NiTiprepared by hybrid cathodic arc/glow discharge plasmaassisted chemicalvapor deposition[J].Corrosion Science,2015.

[13]石新莹，田恬，毛学理，等.羟基磷灰石涂层处理的多孔镍钛合金溶血性及细胞黏附性评价[J].中华口腔医学研究杂志（电子版），2012，6（3）:34-8.

[14]张媛媛，肖自安，李秀国.镍钛合金听泡植入对豚鼠耳蜗及听功能的毒性[J].中国组织工程研究，2014，18（21）:3380-5.

[15]Thierry B,Tabrizian M.Biocompatibility and biostability ofmetallic endovascular implants:state of the art and perspectives[J]. Journalof Endovascular Therapy,2003,10(4):807-824.

[16]Müller CW,Elkashef T,Pfeifer R,et al.Transcutaneous electromagnetic induction heating of an intramedullary nickel-titanium shapememory implant[J].International orthopaedics,2014,38 (12):2551-2557.

[17]史博，王亚鹏，杨涛.镍钛形状记忆合金环抱器治疗多发性肋骨骨折20例分析[J].中国社区医师：医学专业，2012，14（9）:106-107. [18]焦军胜，肖晨光，黄继成.聚髌器与张力带治疗髌骨骨折的临床疗效观察[J].山西医科大学学报，2014，45（1）:64-67.

[19]赵岩，康雄，霍建军.逆行交锁髓内钉联合骨卡环置入内固定治疗股骨髁上骨折[J].中国组织工程研究，2013，16（44）:8196-8200.

[20]Huang J,Wang J,SU X,et al.Biocompatibility of nanoporous TiO2coating on NiTi alloy prepared via dealloying method[J]. Journalof Nanomaterials,2012,2012:8.

[21]KomotoriJ,LEEB,DONGH,etal.Corrosion responseofsurface engineered titanium alloys damaged by prior abrasion[J].Wear, 2001,251(1):1239-1249.

[22]Schrooten J,Assad M,Van Humbeeck J,etal.In vitro corrosion resistance of porous NiTi intervertebral fusion devices[J].Smart materialsand structures,2007,16(1):145.

[23]Berger-GorbetM,Broxup B,Rivard C,etal.Biocompatibility testing of NiTiscrewsusing immunohistochem istry on sections containing metallic implants[J].Journal of biomedicalmaterials research,1996,32(2):243-248.

[24]Takeshita F,TakataH,Ayukawa Y,etal.Histomorphometric analysisof the responseof rat tibiae to shapememory alloy（nitinol）[J]. Biomaterials,1997,18(1):21-25.

[25]Hagemeister N,L'H Y,Lours T.Development of a NiTi anterior cruciate ligamentprosthesis[J].Le Journal de Physique IV,1995, 5(C2):403-408.

[26]刘敬肖，杨大智，王伟强，等.表面改性在生物医用材料研究中的应用[J].材料研究学报，2009，14（3）:225-234.

[27]杨贤金，梁玉.钙磷层对NiTi形状记忆合金与骨组织结合特性的影响[J].材料热处理学报，2002，23（1）:40-42.

[28]张玉梅.钛及钛合金在口腔科应用的研究方向[J].生物医学工程学杂志，2000，17（2）:206-208.

[29]Zhang C,Sun X,Zhao S,etal.Susceptibility to corrosionand in vitro biocompatibility of a laser-welded composite orthodontic arch w ire[J].Annalsofbiomedicalengineering,2014,42(1):222-230.

[30]田俊玲.钛合金种植体表面生物活性陶瓷涂层研究[D].北京:北京工业大学，2006.

[31]尹燕，马宝玉，夏天东，等.医用镍钛形状记忆合金羟基磷灰石涂层的制备及其生物活性[J].中国组织工程研究，2011，15（34）: 6335-6338.

[32]Hanawa T,Kam iura Y,Yamamoto S,etal.Early bone formation around calcium-ion-implanted titanium inserted into rat tibia[J]. Journalof biomedicalmaterials research.1997,36(1):131-136.

[33]郭欢，翁正阳，刘想梅，等.钛合金骨植入体表面改性进展[J].中国科技论文在线，2012，11（6）:1-12.

[34]Jiang h,Rong L.Effectofhydroxyapatitecoating onnickel release of theporousNiTishapememory alloy fabricated by SHSmethod [J].Surfaceand Coatings Technology,2006,201(3):1017-1021.

The biocom patibility of NiTishapem emory alloy:A review

Wang Chengjian1,Meng Zengdong1,2,Zhang Yuqin3,etal.1 Affiliated Hospitalof Kunhua of Kunm ing University of Science and Technology,Kunm ing Yunnan,650032;2 First People's Hospital of Yunnan Provience,Kunm ing Yunnan,650032;3 Faculty of Materials Science and Engineering,Kunm ing University of Science and Technology, Kunm ing Yunnan,650093,China

Nickel-titanium shapememory alloy(NiTi-SMA)due to good biocompatibility,shapememory effect and superelasticity,and anothergood properties to become the idealbody repairedmaterials,hasbeenw idely used in clinical treatment.Becauseof theshapememory effectand superelasticity NiTi-SMA can effectively avoidmaterial fracturecaused stressshielding,expected NiTi-SMA could long-term existence in thehuman body,butthealloy releasenickel ions in thebody fluid caused by corrosion,nickelionsexistcytotoxicity,the local tissuehascaused allergiesand even carcinogenic effects,lim ited the NiTi-SMA w idespread application in clinical.Thispaper reviews the NiTi-SMA biocompatibility related literatures,summarized research progressNiTi-SMA biocompatibility in vitro,in vivobiocompatibility and clinical applications,and noted thata NiTi-SMA surface treatment to improve thebiocompatibility of importance.Pointed preparation NiTi-SMA optim ization and surface treatments to improve the importance of biocompatibility.

Nickel-titanium shapememory alloy;Biocompatibility;Surface treatment

R318.08；TF124.5

A

王成健（1990-）男，硕士。研究方向：神经生物学。

*[通讯作者]孟增东（1971-）男，博士，主任医师。研究方向：骨外科。

2015-07-20）

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.01.020

swgk2015-07-00134

2015年云南省科技厅-昆明医科大学应用基础研究联合资金项目“SPS制备多孔Sr-HA骨修复材料的孔隙控制及力学性能与骨缺损修复能力的实验研究（2015FB094）”、“放电等离子烧结超细晶TNTZ医用钛合金的组织控制及力学与生物相容性研究（31160197）”。

作者单位：1昆明理工大学附属昆华医院，云南昆明650093；2云南省第一人民医院，云南昆明650032；3昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093