鎳鈦形狀記憶合金的表面改性對其生物相容性的影響

　　鎳鈦形狀記憶合金(Nickel titanium shape memory alloys, NiTi-SMA)的發展與生物學固定（biological osteosynthesis, BO）的思想吻合，是一種理想的骨科內固定材料。NiTi-SMA中含有50％左右的鎳，釋出的鎳元素是否會產生細胞毒性？表面改性的NiTi-SMA生物相容性究竟如何？本文綜述了NiTi-SMA生物相容性方面的最新進展、存在問題和發展方向。
　　鎳鈦形狀記憶合金(Nickel titanium shape memory alloys, NiTi-SMA)具有質輕、強度較高、耐疲勞、耐腐蝕和高回彈性等優點，成為極有發展潛力的一種骨科金屬生物材料 [1]。有關NiTi-SMA的研究應用逐年增多，但是目前沒有足夠的證據論證其長期植入肌體的生物相容性[2]。我們在多年應用天鵝型記憶接骨器(swan-like memorably-compressive connector,SMC) 等金屬生物材料的基礎上，總結NiTi合金的組織相容性和細胞毒性，為NiTi-SMA材料的深入開發研究提供選材依據。
　　1、 Ni、Ti材料的生物相容性與細胞毒性
　　生物材料植入機體後對宿主的影響是一個非常複雜的過程，主要發生三種生物反應，即組織反應、血液反應和免疫反應，這些對生物相容性的評價至關重要。關於判斷生物相容性，應包括幾個條件：⑴ 炎症細胞的類型和數量；⑵ 血管分佈的程度；⑶ 包囊膜的是否形成；⑷ 脂肪變性是否存在；⑸ 植入物鄰近組織的組化和生化分析；⑹ 遠離植入物組織的生化分析；⑺  金屬植入物外觀結構的變化。
　　對於人體有潛在毒性的金屬中，鎳的毒性僅次於銀。如果將鎳材單獨植於生物體內，溶出的鎳元素將產生很大細胞毒性。鎳進入機體後，主要沉積在皮膚、中樞神經系統、腎臟、肝臟中[3]。鎳能夠結合到核糖核酸（RNA）和蛋白質上，使RNA和蛋白質解聚，鎳還妨礙肌肉收縮，破壞酶的作用。低濃度的鎳（15-30ug/ml）可抑制體外培養的成纖維細胞生長。當鎳被吸收到血液中，可與α-巨球蛋白複合成鎳纖維蛋白溶酶。純鎳元素及鎳鹽已被證實有致癌作用，亞硫化鎳（Ni3S2）、硫化鎳(NiS)都具有致癌作用。另外，鎳是最常見的金屬致敏原之一。現代β鈦合金則傾向於選用生物相容性更好的元素，儘量拋棄有細胞毒性的。例如，鈦合金中的釩能刺激巨嗜細胞產生更多的骨吸收因子，這些細胞因子在植入物鬆動中起重要作用，所以如今鈦合金已經沒有釩和鋁等有毒元素了。與Ti-6Al-4V相比，採用經過表面硬化處理的Ti-Nb-Zr接骨板固定更加牢固，術後感染機會減少。
　　2、NiTi合金的生物相容性與細胞毒性
　　NiTi合金中含有50％左右的鎳，將它作為人體植入物，它的生物相容性究竟如何？鎳元素是否會產生細胞毒性？要認識一種體內植入材料需要長期的實驗和臨床研究才能得出結論，有關NiTi合金的生物相容性的研究方法有了一些改變：⑴ 體外實驗中多采用成骨細胞、成纖維細胞和內皮細胞；⑵ 取不鏽鋼、Ti-6Al-4V等金屬材料與NiTi合金作對照；⑶ 體內實驗的數量增加；⑷綜合應用多種分析方法：如細胞－材料界面的超微屬性、細胞－材料界面反應、植入物周圍軟組織的組織學反應、對新骨生成有無不良影響。現在多數學者認為，NiTi合金是一種安全的體內植入材料，歸納原因如下：⑴ NiTi合金表面的鈍化膜主要由氧化鈦構成，只含有極微量的鎳，這是其組織反應良好的根本原因；⑵ NiTi合金中的鎳以化合態存在，即使在人體有解離，也是極微量的；⑶ 在體外實驗中觀察到的細胞毒性反應是由於鎳逐漸濃集所致，而這種條件在體內環境中是不可能形成的。
　　Bogdanski D等[4]採用類成骨細胞的骨肉瘤細胞 (SAOS-2,MG-63)、人原代成纖維細胞(HOB)和鼠科動物成纖維細胞(3T3)檢測了NiTi合金的生物相容性。Kapanen A等[2、5]用類成骨細胞ROS-17分別與不鏽鋼、純鈦、純鎳進行共同培養，證實NiTi合金表面腐蝕少，能很好地被細胞接受；人的成骨細胞和成纖維細胞與NiTi合金共同培養時細胞相容性好，培養2d後，鎳的釋出量已達與不鏽鋼相似的水平。Armitage DA等[6]用成纖維細胞和內皮細胞進行了細胞毒性和相容性的研究，試驗中NiTi合金表面兩種細胞相容性無差別；NiTi合金導致的溶血反應與316L不鏽鋼和拋光鈦材無差別；血小板試驗說明，與316L不鏽鋼和拋光鈦材相比較，拋光NiTi合金可明顯促使血栓形成，而熱處理的NiTi合金可明顯減少血栓形成。體內實驗研究中，Kujala S等[7]用NiTi髓內釘置入鼠骨內發現可以促進骨癒合，且形成新骨主要是編織骨。Kapanen A等[5]發現，增加NiTi合金表面的粗糙程度可提高TGF-beta1（transforming growth factor-beta,TGF-beta）的濃度。Kapanen A等[8]取NiTi-SMA、不鏽鋼、Ti-6Al-4V （titanium-6％aluminium -4％vanadium)植入小鼠體內8周，NiTi-SMA組骨礦物密度（total bone mineral density,BMD)檢測接近正常，誘導生成的軟骨、骨組織較多；不鏽鋼、Ti-6Al-4V組中BMD降低，說明了NiTi-SMA具有良好的生物相容性。
　　3、NiTi-SMA的表面改性與細胞毒性
　　國內外學者在對NiTi-SMA的加工製造、表面優化處理方面作了大量的工作，目前有多種方法可以對NiTi-SMA進行表面處理[9]。但是，表面處理能否改善其生物相容性？採用哪種表面處理方法更有效？如何改善材料的表面特性？都是當前亟待解決的難題。
　　NiTi-SMA之所以具有良好的生物相容性和耐腐蝕性，這與它表面的氧化膜密切相關，氧化膜有助於使NiTi-SMA在生理環境下保持相對惰性。表面氧化處理有熱處理、機械拋光、電子拋光等；需要運用電子顯微鏡，X-ray衍射、X-ray點光子分光光譜進行界面和表面的分析研究。Thierry等[10]研究認為NiTi-SMA的生物相容性與良好耐腐蝕性能來自其表面均勻分佈氧化層，該氧化層主要由氧化鈦構成，其中鎳的分佈極少。Armitage DA等[6]通過細胞毒性的研究，熱處理NiTi合金可明顯減少血栓形成；而且材料表面鎳元素的氧化，減少了表面鎳元素的集中。Firstov GS等[11] 用熱重量法來分析氧化動力學，在500℃左右時呈現不同的氧化習性，500℃-600℃氧化層中出現一無鎳區域；500℃氧化時產生一個保護性的無鎳氧化層的，該氧化層在空氣與氧化物界面中含相對少量的鎳元素。電子拋光技術，即用電子拋光加化學鈍化的方法處理NiTi合金表面，初步研究顯示：此方法能在金屬表面形成極薄的氧化層，使材料的光潔度和耐腐蝕性能明顯提高；能使鎳元素的釋放量減少到體內無毒水平。
　　其它常見的表面處理方法有離子注入、等離子噴塗羥基磷灰石等。化學表面處理與其他表面處理相比工藝簡單，能夠在複雜形狀的材料表面形成一層均勻的修飾層。其中，等離子體處理是表面改性的重要手段之一，它需要採用俄歇電子能譜AES和掃描電子顯微鏡SEM進行材料界面的分析研究。Tan L等[12]的研究發現，等離子體處理對NiTi合金表面的Ti/ Ni比有很大的影響，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，有利於NiTi合金與高分子膜的結合。直流等離子體處理樣品表面時，其電極的成分將沉積到樣品的表面，鋁元素對人體有害，因此從醫用材料的安全角度考慮，直流等離子體處理裝置不宜採用鋁電極，建議採用射頻等離子體處理方法。在NiTi合金表面對進行塗層處理，如聚合四氟乙烯高離子(plasma polymerized tetrafluorcethlene, PPFTE)噴塗、能夠提高抗腐蝕力，減少鎳離子的釋放，降低NiTi合金的細胞毒性。Choi J等[13]將合金浸入過飽和磷酸鈣溶液中，通過時間控制磷酸鈣塗層的厚度。表層微晶體的多孔特性可以耐受合金溫度和彎曲的改變，產生符合生理學特點的表面，減少了鎳元素的釋出，改善NiTi-SMA的生物相容性，而且白細胞和血小板對合金的粘附性增加。
　　4、NiTi-SMA存在問題與發展趨勢
　　NiTi生物材料的發展過程中，國內學者也作了大量的研究工作。但是還應看到，我們在材料改良、表面性能優化等方面有許多問題亟待解決。
　　採用塗層等表面處理方法可以減少NiTi合金中鎳元素的釋放。但是：表面改性後合金材料對細胞毒性的影響如何？如何在體液和體內受力環境下保持各種鈍化膜的完整性？多孔NiTi合金材料(porous nickel-titanium alloy)引起了很多學者的關注[14]，因為這種材料與骨的接觸面積大，骨可長入材料孔隙並形成良好的附著。但是，由於材料表面積較大，所以在表面耐腐蝕、鎳離子釋放等方面也面臨更大的考驗。Es-Souni M等[15]試圖在NiTi合金中加入銅來提高材料性能，初步結論是：銅可以提高材料的力學性能和耐腐蝕性，但是銅有細胞毒性，會使生物相容性降低。
　　Poon RW等[3]應用碳等離子培植或沉澱的方法使NiTi-SMA材料表層混有無定形碳的離子，能明顯改善材料的抗腐蝕性，減少鎳元素的釋出；細胞毒性試驗說明，兩種處理方法可促成成骨細胞的粘附和增殖。Starosvetsky D 等[16]採用粉末沉浸塗層方法對NiTi-SMA進行氮化（original powder immersion reaction assisted coating,PIRAC) 可改善表面特性，增強其抗腐蝕性能。
　　總之，NiTi-SMA具有獨特的形狀記憶效應和良好的生物相容性，長海醫院骨科從上個世紀80年代起，利用NiTi-SMA的奧馬金相可逆性，研製了系列記憶合金接骨器，其中SMC專用於治療上肢長骨幹骨折[17，18]。使用的SMC經相關生產工藝處理，使其表面均勻緻密的分佈鈍化膜，鈍化膜與金屬表面結合牢固，結合塗膜技術，能夠有效的提高NiTi-SMA的抗腐蝕性和細胞相容性。我們相信，隨著NiTi-SMA生物相容性的深入研究，新型合金材料的改良和開發，NiTi-SMA必將更加符合機體生理條件，顯示出更加廣闊的應用前景。