镍钛形状记忆合金的表面改性对其生物相容性的影响

张  鹏   苏佳灿   

【摘要】镍钛形状记忆合金(Nickel titanium shape memory alloys, NiTi-SMA)的发展与生物学固定（biological osteosynthesis, BO）的思想吻合，是一种理想的骨科内固定材料。NiTi-SMA中含有50%左右的镍，释出的镍元素是否会产生细胞毒性？表面改性的NiTi-SMA生物相容性究竟如何？本文综述了NiTi-SMA生物相容性方面的最新进展、存在问题和发展方向。上海长海医院骨科苏佳灿

【关键词】生物材料；镍钛形状记忆合金；生物相容性；细胞毒性

Effect of surface treatment on the biological compatibility of NiTi shape memory alloy. Department of Orthopedics, Changhai Hospital, Second Military Medical University, Shanghai 200433

【Abstract】Nickel titanium shape memory alloys(NiTi-SMA) are thought to be the promising biomaterials of biological osteosynthesis（BO） with regard to biomedical applications. However, a critical concern is the release of harmful Ni ions from the implants into the living tissues. And little is known about the influences of surface modifications on the biocompatibility of these alloys. The emphasis was focused on the recent developments, the related questions, surface treatments, future directionsin.

【Key words】biomaterial；Nitinol shape memory alloy；biological compatibility；  cytotoxicity

 

镍钛形状记忆合金(Nickel titanium shape memory alloys, NiTi-SMA)具有质轻、强度较高、耐疲劳、耐腐蚀和高回弹性等优点，成为极有发展潜力的一种骨科金属生物材料 ^[1]。有关NiTi-SMA的研究应用逐年增多，但是目前没有足够的证据论证其长期植入肌体的生物相容性^[2]。我们在多年应用天鹅型记忆接骨器(swan-like memorably-compressive connector,SMC) 等金属生物材料的基础上，总结NiTi合金的组织相容性和细胞毒性，为NiTi-SMA材料的深入开发研究提供选材依据。

1. Ni、Ti材料的生物相容性与细胞毒性

生物材料植入机体后对宿主的影响是一个非常复杂的过程，主要发生三种生物反应，即组织反应、血液反应和免疫反应，这些对生物相容性的评价至关重要。关于判断生物相容性，应包括几个条件：⑴ 炎症细胞的类型和数量；⑵ 血管分布的程度；⑶ 包囊膜的是否形成；⑷ 脂肪变性是否存在；⑸ 植入物邻近组织的组化和生化分析；⑹ 远离植入物组织的生化分析；⑺  金属植入物外观结构的变化。

对于人体有潜在毒性的金属中，镍的毒性仅次于银。如果将镍材单独植于生物体内，溶出的镍元素将产生很大细胞毒性。镍进入机体后，主要沉积在皮肤、中枢神经系统、肾脏、肝脏中^[3]。镍能够结合到核糖核酸（RNA）和蛋白质上，使RNA和蛋白质解聚，镍还妨碍肌肉收缩，破坏酶的作用。低浓度的镍（15-30ug/ml）可抑制体外培养的成纤维细胞生长。当镍被吸收到血液中，可与α-巨球蛋白复合成镍纤维蛋白溶酶。纯镍元素及镍盐已被证实有致癌作用，亚硫化镍（Ni₃S₂）、硫化镍(NiS)都具有致癌作用。另外，镍是最常见的金属致敏原之一。现代β钛合金则倾向于选用生物相容性更好的元素，尽量抛弃有细胞毒性的。例如，钛合金中的钒能刺激巨嗜细胞产生更多的骨吸收因子，这些细胞因子在植入物松动中起重要作用，所以如今钛合金已经没有钒和铝等有毒元素了。与Ti-6Al-4V相比，采用经过表面硬化处理的Ti-Nb-Zr接骨板固定更加牢固，术后感染机会减少。

2.NiTi合金的生物相容性与细胞毒性

NiTi合金中含有50%左右的镍，将它作为人体植入物，它的生物相容性究竟如何？镍元素是否会产生细胞毒性？要认识一种体内植入材料需要长期的实验和临床研究才能得出结论，有关NiTi合金的生物相容性的研究方法有了一些改变：⑴ 体外实验中多采用成骨细胞、成纤维细胞和内皮细胞；⑵ 取不锈钢、Ti-6Al-4V等金属材料与NiTi合金作对照；⑶ 体内实验的数量增加；⑷综合应用多种分析方法：如细胞－材料界面的超微属性、细胞－材料界面反应、植入物周围软组织的组织学反应、对新骨生成有无不良影响。现在多数学者认为，NiTi合金是一种安全的体内植入材料，归纳原因如下：⑴ NiTi合金表面的钝化膜主要由氧化钛构成，只含有极微量的镍，这是其组织反应良好的根本原因；⑵ NiTi合金中的镍以化合态存在，即使在人体有解离，也是极微量的；⑶ 在体外实验中观察到的细胞毒性反应是由于镍逐渐浓集所致，而这种条件在体内环境中是不可能形成的。

Bogdanski D等^[4]采用类成骨细胞的骨肉瘤细胞 (SAOS-2,MG-63)、人原代成纤维细胞(HOB)和鼠科动物成纤维细胞(3T3)检测了NiTi合金的生物相容性。Kapanen A等^[2、5]用类成骨细胞ROS-17分别与不锈钢、纯钛、纯镍进行共同培养，证实NiTi合金表面腐蚀少，能很好地被细胞接受；人的成骨细胞和成纤维细胞与NiTi合金共同培养时细胞相容性好，培养2d后，镍的释出量已达与不锈钢相似的水平。Armitage DA等^[6]用成纤维细胞和内皮细胞进行了细胞毒性和相容性的研究，试验中NiTi合金表面两种细胞相容性无差别；NiTi合金导致的溶血反应与316L不锈钢和抛光钛材无差别；血小板试验说明，与316L不锈钢和抛光钛材相比较，抛光NiTi合金可明显促使血栓形成，而热处理的NiTi合金可明显减少血栓形成。体内实验研究中，Kujala S等^[7]用NiTi髓内钉置入鼠骨内发现可以促进骨愈合，且形成新骨主要是编织骨。Kapanen A等^[5]发现，增加NiTi合金表面的粗糙程度可提高TGF-beta1（transforming growth factor-beta,TGF-beta）的浓度。Kapanen A等^[8]取NiTi-SMA、不锈钢、Ti-6Al-4V （titanium-6%aluminium -4%vanadium)植入小鼠体内8周，NiTi-SMA组骨矿物密度（total bone mineral density,BMD)检测接近正常，诱导生成的软骨、骨组织较多；不锈钢、Ti-6Al-4V组中BMD降低，说明了NiTi-SMA具有良好的生物相容性。

3.NiTi-SMA的表面改性与细胞毒性

国内外学者在对NiTi-SMA的加工制造、表面优化处理方面作了大量的工作，目前有多种方法可以对NiTi-SMA进行表面处理^[9]。但是，表面处理能否改善其生物相容性？采用哪种表面处理方法更有效？如何改善材料的表面特性？都是当前亟待解决的难题。

NiTi-SMA之所以具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，这与它表面的氧化膜密切相关，氧化膜有助于使NiTi-SMA在生理环境下保持相对惰性。表面氧化处理有热处理、机械抛光、电子抛光等；需要运用电子显微镜，X-ray衍射、X-ray点光子分光光谱进行界面和表面的分析研究。Thierry等^[10]研究认为NiTi-SMA的生物相容性与良好耐腐蚀性能来自其表面均匀分布氧化层，该氧化层主要由氧化钛构成，其中镍的分布极少。Armitage DA等^[6]通过细胞毒性的研究，热处理NiTi合金可明显减少血栓形成；而且材料表面镍元素的氧化，减少了表面镍元素的集中。Firstov GS等^[11] 用热重量法来分析氧化动力学，在500℃左右时呈现不同的氧化习性，500℃-600℃氧化层中出现一无镍区域；500℃氧化时产生一个保护性的无镍氧化层的，该氧化层在空气与氧化物界面中含相对少量的镍元素。电子抛光技术，即用电子抛光加化学钝化的方法处理NiTi合金表面，初步研究显示：此方法能在金属表面形成极薄的氧化层，使材料的光洁度和耐腐蚀性能明显提高；能使镍元素的释放量减少到体内无毒水平。

其它常见的表面处理方法有离子注入、等离子喷涂羟基磷灰石等。化学表面处理与其他表面处理相比工艺简单，能够在复杂形状的材料表面形成一层均匀的修饰层。其中，等离子体处理是表面改性的重要手段之一，它需要采用俄歇电子能谱AES和扫描电子显微镜SEM进行材料界面的分析研究。Tan L等^[12]的研究发现，等离子体处理对NiTi合金表面的Ti/ Ni比有很大的影响，它可以引起表面Ni、Ti元素的偏聚或富集，其中，Ti元素的富集增加了材料表面的活性，有利于NiTi合金与高分子膜的结合。直流等离子体处理样品表面时，其电极的成分将沉积到样品的表面，铝元素对人体有害，因此从医用材料的安全角度考虑，直流等离子体处理装置不宜采用铝电极，建议采用射频等离子体处理方法。在NiTi合金表面对进行涂层处理，如聚合四氟乙烯高离子(plasma polymerized tetrafluorcethlene, PPFTE)喷涂、能够提高抗腐蚀力，减少镍离子的释放，降低NiTi合金的细胞毒性。Choi J等^[13]将合金浸入过饱和磷酸钙溶液中，通过时间控制磷酸钙涂层的厚度。表层微晶体的多孔特性可以耐受合金温度和弯曲的改变，产生符合生理学特点的表面，减少了镍元素的释出，改善NiTi-SMA的生物相容性，而且白细胞和血小板对合金的粘附性增加。

4.NiTi-SMA存在问题与发展趋势

NiTi生物材料的发展过程中，国内学者也作了大量的研究工作。但是还应看到，我们在材料改良、表面性能优化等方面有许多问题亟待解决。

采用涂层等表面处理方法可以减少NiTi合金中镍元素的释放。但是：表面改性后合金材料对细胞毒性的影响如何？如何在体液和体内受力环境下保持各种钝化膜的完整性？多孔NiTi合金材料(porous nickel-titanium alloy)引起了很多学者的关注^[14]，因为这种材料与骨的接触面积大，骨可长入材料孔隙并形成良好的附着。但是，由于材料表面积较大，所以在表面耐腐蚀、镍离子释放等方面也面临更大的考验。Es-Souni M等^[15]试图在NiTi合金中加入铜来提高材料性能，初步结论是：铜可以提高材料的力学性能和耐腐蚀性，但是铜有细胞毒性，会使生物相容性降低。

Poon RW等^[3]应用碳等离子培植或沉淀的方法使NiTi-SMA材料表层混有无定形碳的离子，能明显改善材料的抗腐蚀性，减少镍元素的释出；细胞毒性试验说明，两种处理方法可促成成骨细胞的粘附和增殖。Starosvetsky D 等^[16]采用粉末沉浸涂层方法对NiTi-SMA进行氮化（original powder immersion reaction assisted coating,PIRAC) 可改善表面特性，增强其抗腐蚀性能。

总之，NiTi-SMA具有独特的形状记忆效应和良好的生物相容性，长海医院骨科从上个世纪80年代起，利用NiTi-SMA的奥马金相可逆性，研制了系列记忆合金接骨器，其中SMC专用于治疗上肢长骨干骨折^[17，18]。使用的SMC经相关生产工艺处理，使其表面均匀致密的分布钝化膜，钝化膜与金属表面结合牢固，结合涂膜技术，能够有效的提高NiTi-SMA的抗腐蚀性和细胞相容性。我们相信，随着NiTi-SMA生物相容性的深入研究，新型合金材料的改良和开发，NiTi-SMA必将更加符合机体生理条件，显示出更加广阔的应用前景。

参考文献：略