鎳鈦合金絲的特性及其在口腔頜面部牽引成骨方面的應用

常世民　姚玉勝　柳春明

常世民 姚玉勝 柳春明3 審校

鎳鈦合金具有優越的超彈性，形狀記憶功能，抗腐蝕能力，以及良好的生物相容性，最初應用其特性治療血管狹窄及食道狹窄的擴張再通,在口腔醫學領域最初應用于口腔正畸治療，近年來開始有將其應用于口腔頜面部牽引成骨的報道,現綜述如下。

1鎳鈦合金的特性

1.1 鎳鈦合金的相變與性能：鎳鈦合金是由鎳離子和鈦離子組成二元合金，由于受到溫度和機械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結構相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時的相變順序為母相（奧氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱形，奧氏體是溫度較高（大于Af溫度:即奧氏體開始的溫度）的時候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時的狀態，立方體，堅硬。形狀比較穩定。而馬氏體相溫度相對較低（小于Mf:即馬氏體結束的溫度）或者加載（受到外力活化）時的狀態，六邊形，具有延展性，反復性，不太穩定，較易變形。 因此臨床上確定鎳鈦合金弓絲的相變溫度具有積極的指導意義，以便臨床醫生能更好地利用鎳鈦合金的性能進行臨床治療。

1.2 鎳鈦合金的特殊性能

1.2.1 形狀記憶特性：形狀記憶是當一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，再經加熱至Af溫度以上，伴隨逆相變，材料會自動恢復其在母相時的形狀。實際上形狀記憶效應是鎳鈦合金的一個由熱誘發的相變過程。

1.2.2 超彈性：所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產生遠大于其彈性極限應變量的應變，在卸載時應變可自動恢復的現象。即在母相狀態下，由于外加應力的作用，導致應力誘發馬氏體相變發生，從而合金表現出不同于普通材料的力學行為，它的彈性極限遠遠大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒有熱參與。總而言之，超彈性是指在一定形變范圍內應力不隨應變的增大而增大，臨床上則表現為弓絲在形變過程中產生的矯治力保持恒定，不再隨牙齒向矯治方向的移動而逐漸喪失。

按照超彈性所對應的應力-應變曲線的特點，可將超彈性分為線性超彈性和非線性超彈性兩類。前者的應力-應變曲線中應力與應變接近線性關系。非線性超彈性是指在Af以上一定溫度區間內加載和卸載過程中分別發生應力誘發馬氏體相變及其逆相變的結果，因此非線性超彈性也稱相變偽彈性。鎳鈦合金的超彈性可隨著熱處理的條件的變化而改變，趙忱光等的研究認為500℃的定型溫度是最理想的[1]。

1.2.3 口腔內溫度變化敏感性：不銹鋼絲和CoCr合金牙齒矯形絲的矯治力基本不受口腔內溫度的影響，而超彈性鎳鈦合金牙齒矯形絲的矯治力隨口腔溫度的變化而變化。當變形量一定時，溫度升高，矯治力增加。

1.2.4 抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿。

1.2.5 抗毒性：鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學組成,即這是一種鎳鈦等原子合金, 約含50% 的鎳, 而已知鎳有致癌作用。一般情況下，表面層鈦氧化充當了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。

1.2.6 持續柔和的矯治力：鎳鈦形狀記憶合金絲在各種金屬絲的拉伸試驗、三點彎曲試驗條件下的載荷-位移曲線、卸載曲線平臺中最低也最平，說明它能提供持久柔和的矯治力。該特性決定了其也適合應用于牽引成骨。

2鎳鈦記憶合金牽引器的特性及優缺點

2.1 力的大小與形變的程度有關：鎳鈦記憶合金牽引器產生的力與螺旋型牽引器不同，其產生的力與其形變的程度與關，會隨著形變程度的增加而有所增大。但在該過程中會有一平臺期，在該時期，隨著形變程度的增大，力的增加不明顯。其產生的牽引力的大小不是恒定的，在其恢復形變的過程中會逐漸減小。

2.2 力是持續的：鎳鈦記憶合金牽引器產生的彈力是持續的，相對穩定，持續穩定的牽張力更有利于成骨。傳統的螺旋形牽引器每天旋轉1～4次螺栓，其產生的牽引力在剛旋轉螺栓后較大，該力隨時間的延長而逐漸減小，直至下一次旋轉螺栓。其產生的牽引力是間段的或波動的。

2.3 有作用距離：鎳鈦記憶合金牽引器多為彎制成M、S、C形的記憶合金絲，利用其載荷后形變產生的回復力進行牽引成骨。其作用距離與其形變后產生的位移密切相關。

2.4 力方向的控制：目前鎳鈦記憶合金牽引器多靠打孔固定于骨內，牽引器固定尚不確切，其產生的牽引力的方向偶爾可發生偏移，有待于進一步改進。傳統的螺旋形牽引器利用鈦釘固定在骨骼上，其產生的牽引力便于控制。

2.5 牽開寬度的控制：鎳鈦記憶合金牽引器每日牽引長度不易控制，不適合切骨牽引成骨。因為如果將其應用于切骨牽引時會在一個較短的時間段將輸送骨塊牽引至牽引器所能張開的最大距離，而不是漸進性的牽開骨塊。其更適合經骨縫牽張成骨，因為骨縫的牽開是漸進性的。傳統的螺旋形牽引器每天牽開的距離與旋轉螺栓圈數有關，牽開的速度便于控制。

3鎳鈦記憶合金牽引器的制作

3.1 傳統工藝制作：主要分為設計圖紙、制作精確模具、試鑄、測量尺寸并灌鑄試件、以及力學測試等幾個步驟。

3.2 計算機輔助設計：胡敏等利用計算機輔助設計的有限元法設計鎳鈦記憶合金彈性弓。其用Pro/E軟件建立一個具有正弦波形的鎳鈦記憶合金牽引器的幾何模型，導入Marc軟件,對其進行幾何修復后生成實體單元，并按實際模擬邊界條件,按鎳鈦合金定義初始條件和材料特性，最終得到鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型。他們建立了用于計算機輔助設計的鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型，可以預測一定形狀的牽引器在變形過程中(各時段)其本身結構中各節點、單元的受力、位移情況。這一技術將有助于提高鎳鈦記憶合金器件的設計精度，并縮短其設計周期[2-3]。

4鎳鈦記憶合金牽引器在治療腭裂中的應用

鎳鈦記憶合金牽引器應用于治療腭裂造成的腭骨缺損報道較多，其主要通過牽引裂隙兩側的腭骨刺激其向中線移位以封閉腭部的硬組織裂隙，在此過程中軟組織也得到延伸。梁立民采用6個月齡雜種犬制備腭裂模型，以腭裂牽引器牽引兩側切骨后的腭骨板修復腭裂，達到預期效果后,繼續飼養至12個月齡。牽引治療期間實驗組裂隙逐漸縮小，2～3周裂隙后部關閉。觀察期間無復裂、呼吸道狹窄等并發癥。實驗動物腭骨水平板長度明顯延長，而對其面長度、高度、寬度、腭骨水平板寬度和垂直板間距無明顯影響。證明應用持續彈力牽引成骨修復腭裂療效穩定，對頜面部結構無明顯影響[4-6]。柳春明等為了解腭骨外側縫牽張的長期效果和對頜面發育的影響采用頭顱測量方法對經過腭骨外側縫牽張的6只Beagle 犬人工腭裂模型進行了觀察和分析。顯示所有實驗組犬兩側腭骨水平板均在中線形成骨性愈合。兩組動物面長度和高度變量無明顯差異，顯示采用腭骨外側縫牽張成骨的方法能夠使缺損的腭骨板形成永久而完善的骨性修復；對面長度和高度發育無明顯影響[7-8]。

柳春明等2000年左右將該技術應用于臨床，他選擇2～4歲的腭裂患兒安置鎳鈦記憶合金腭裂牽引器，牽引腭骨向中線和向后移動，牽引期持續約4～5個月。裂隙合攏后進行手術修復裂隙。患兒在經不同時間的牽引后裂隙縮小，裂隙兩側的組織顯著延長。證實了骨縫牽引具有誘導腭部組織再生、關閉或縮小裂隙和延長硬腭的可能性[9-10]。張樹標等將11例腭裂患兒一期在腭部放置4條弧形鎳鈦形狀記憶合金腭裂牽引器，其中前后2條牽引器產生內收力牽引腭骨周圍骨縫,將腭骨向中線移動;左右2條記憶合金設計產生外展力牽引腭橫縫,將腭骨向前后延長,這種全新設計可產生向前、向后、內收3方向矯治力。牽引后裂隙縮窄、硬腭長度延長。隨訪3個月,硬腭長度無回縮[11]。

5鎳鈦記憶合金牽引器在治療牙槽骨骨質缺損中的應用

鎳鈦記憶合金牽引器可用于治療牙槽骨高度不足和腭裂所伴發的牙槽嵴裂。李巖峰等成功地利用鈦鎳記憶合金牽張成骨增高下頜牙槽嵴，在水平截開牙槽骨后形成輸送骨塊，牽張器安置完成后骨塊即開始移動,X線片可見牽張完成后1個月牽張區骨密度增高,有新骨生成；3個月時新生骨密度與周圍骨接近,有效地增加了牙槽嵴的高度。組織學觀察可見牽張區新骨形成良好。他認為內置自加載鈦鎳記憶合金牽張器自動牽引成骨是一種具有良好應用前景的簡便實用的牽引成骨技術[12]。梁立民等將鎳鈦記憶合金牽引技術應用于修復牙槽裂。她先制作犬牙槽裂模型，并牙槽裂形成術后2 周，于前頜中縫處安置鎳鈦記憶合金牽張器，牽張2～3 周后裂隙側的前頜骨向側方移動貼緊遠中裂緣，保持2 周后去除縫牽張器。術后3 個月，原牙槽嵴缺損處骨質連續性完全恢復，且牙槽骨段在三維方向上均與對側相同。而對照動物形成規則的牙槽裂，無自發骨性愈合[13]。

6鎳鈦記憶合金牽引器在治療頜骨發育不足和缺損中的應用

鎳鈦記憶合金牽引器可以用于治療頜骨發育不足和缺損，周宏志等在該領域進行了較為系統的研究。他利用鈦鎳合金的形狀記憶和超彈性特性，實現牽引器完全內置和自動牽引成骨重建節段性下頜骨缺失。其通過手術造成成年雜種犬一側下頜骨體部1～3cm節段性缺失，應用Biofocal牽引成骨技術安置自行設計制作的內置式鈦鎳合金牽引器，術后3個月處死實驗犬。發現鈦鎳牽引器能自動完成牽引骨，初步修復下頜骨的節段性缺失。影像學和組織學檢查證實再生骨骨化良好[14]。他又利用鎳鈦記憶合金牽張器初步重建了缺損的下頜支,組織學檢查可見牽張區有良好的新骨再生[15]。他認為記憶合金牽引器可輸出穩定柔和的超彈性彈力,牽引速度超過傳統的每天1mm,骨再生結果穩定,再生骨節段長度與牽引器外形設計和彈力強度相關[16]。

綜上所述，鎳鈦記憶合金牽引器是一種近年來出現的新型牽引器，在多個方面有其優越性。由于其出現時間較短，在很多方面還很不成熟，存在各種缺點。如其牽引力的方向控制不佳，牽引力的大小與形變程度有關，固定于骨上的方式不可靠和易于脫落。隨著該牽引器的不斷完善和發展，其必將更廣泛地應用于口腔頜面部牽引成骨領域。

[參考文獻]

[1]趙忱光,徐旭光,徐實謙,等.頜骨牽引成骨中鎳鈦形狀記憶合金的彈性性能比較[J].哈爾濱醫科大學學報,2007,41(1):63-65.

[2]李巖峰,胡敏,張立海,等.用于計算機輔助設計的鎳鈦記憶合金牽引器有限元模型的建立[J].北京口腔醫學,2005,13(1):20-23.

[3]李巖峰,張立海,胡 敏. 鎳鈦記憶合金彈性弓計算機輔助設計的有限元法初步研究[J]. 中國醫學物理學雜志,2005,22(2):484-486.

[4]Limin Liang,Chunming Liu,Rongfa Bu. Distraction osteogenesis for bony repair of cleft palate by using persistent elastic force:experimental study in dogs[J]. Cleft Palate Craniofac J, 2005,42(3):231-238.

[5]梁立民,柳春明,熊軍. 牽引成骨修復人工腭裂的遠期效果和對頜面部的影響[J]. 中華整形外科雜志,2003,19(6):441-444.

[6]梁立民,柳春明,侯敏.持續彈力牽引成骨修復腭裂的實驗研究[J].中華整形外科雜志,2002,18(6):360-362.

[7]柳春明,宋儒耀,宋業光. 腭骨外側縫牽張成骨關閉硬腭裂的長期效果和對頜面發育影響的實驗研究[J]. 中華整形外科雜志,2000,16(6):357-359.

[8]柳春明,宋儒耀,宋業光.腭骨外側縫牽張成骨閉合硬腭后部裂(動物實驗研究) [J]. 中華整形燒傷外科雜志,1999,15(3):192-195.

[9]柳春明,梁立民,宋儒耀. 骨縫牽引成骨修復腭裂的臨床初步研究[J]. 中華整形外科雜志,2003,19(4):261-264.

[10]Liu C,Song R, Song Y. Sutural expansion osteogenesis for management of the bony-tissue defect in cleft palate repair: experimental studies in dogs[J]. Plast Reconstr Surg, 2000,105:2012-2025, 2026-2027.

[11]張樹標,王敬旭,劉江峰，等. 縫牽引成骨術修復腭裂臨床研究[J]. 實用口腔醫學雜志,2006,22(4):527-529.

[12]胡敏,姚軍,謝旻等. 應用內置鈦鎳記憶合金牽張器在下頜骨牽張成骨的初步研究[J].中國藥物與臨床,2003,3(6):465-468.

[13]梁立民,柳春明,宋儒耀，等.前頜中縫牽張修復牙槽裂的實驗研究[J]. 中華整形外科雜志,2004,20(2):136-138.

[14]周宏志,胡敏,劉洪臣,等. 鈦鎳牽引器重建犬下頜骨節段缺失的初步研究[J]. 中華口腔醫學雜志,2003,38(5):333-335.

[15]周宏志,胡敏,劉洪臣，等. 內置自加載牽張器重建兔下頜支的實驗研究[J].實用口腔醫學雜志,2004,20(2):136-139.

[16]周宏志,胡敏,胡開進,等. 記憶合金牽引器彈力輸出及對牽引成骨的影響[J]. 口腔醫學研究,2004,20(5):447-449.

[收稿日期]2008-07-18[修回日期]2008-12-23

編輯/張惠娟