镍钛记忆合金细胞毒性研究

镍钛记忆合金细胞毒性研究镍钛形状记忆合金是近年来得到应用的一种新型金属生物材料，目前在牙齿整畸、脊椎矫形、颅骨修补、断骨接合等方面均开始得到应用。在人体管道内支撑架应用方面研究尤其活跃，应用前景十分诱人。但由于镍钛合金含有50%原子百分比的具有致癌性的Ni元素，因此医学界对镍钛合金作为人体植入材料的安全性存在普遍的担心。本工作通过对317L不锈钢和镍钛合金耐腐蚀性能及细胞毒性的对比研究，试图为镍钛合金的医学应用提供依据。1、材料及试验方法采用比316L不锈钢具有更高耐腐蚀性能的317L不锈钢(OOCr19Ni14Mo3N)作为对照。所用镍钛合金为近等原子比合金(其重量百分比为Ti-55%Ni)。合金的逆相变温度As≈31℃，Af≈34℃。试样经砂纸逐级机械打磨，最后均经M3粒度的氧化铝抛光粉机械抛光。部分试样的氧化处理在箱式电炉中进行，电化学阳极极化试验在HDV-7C型恒电位仪上用恒电位法进行。浸泡试验用试样总面积10cm2，悬挂在约60ml浸泡液中，每隔约4～8天时间从浸泡池中取115mL溶液，用岛津AA6501F原子吸收谱仪测量Ni离子浓度，从而计算浸泡试样的Ni离子释放速度。浸泡试样表面显微观察在Newphot-21型卧式显微镜上进行。电化学电解液及浸泡液均为1%NaCl溶液，恒温37℃，其中浸泡试验在CO2培养箱中进行。细胞毒性试验的靶细胞选用BHK-21细胞。培养液为10%小牛血清，每毫升含青霉素和链霉素各100ug。TiNi及317L合金颗粒直径约5～50um，培养液中加颗粒1ug/ml空白对照组仅用10%小牛血清作细胞培养液，培养时间约3周。2、试验结果2.1阳极极化行为镍钛合金试样经表面氧化处理后，维钝电流明显减小，击穿电位显著提高。试验还发现，当上述4种试样阳极极化击穿后，再钝化电位均较低。抛光态317L为-200mV；抛光态镍钛合金为-150mV；300℃和400℃氧化处理的镍钛合金试样分别为-50mV和+50mV(SCE)。2.2Ni离子释放速度随浸泡时间延长，Ni离子的释放量逐渐增加。可以计算得到，抛光态镍钛试样的释放速度约为1.44×10-3ug/cm2·h；抛光态317L试样约为1.29×10-3ug/m2·h，两者的Ni离子释放速度基本接近，若假设合金中的其它合金元素按重量百分比同时被腐蚀，则可计算得到失厚率，镍钛合金和317L合金分别为0.036um年和0.1Λm年。这一腐蚀速度数值与薛淼等人用失重法测得的相近，但远低于Oshi-da等人测得的数值。对上述经1个月时间浸泡的试样进行表面金相观察后发现，抛光态的317L和镍钛合金试样均发生了较明显的点蚀。其中317L试样无论是点蚀孔的大小，还是点蚀孔的密度，均大于镍钛合金试样，但在金相显微镜下，镍钛合金试样的点蚀孔通常较黑，这可能是因为点蚀孔深度较深的缘故。经300℃和400℃氧化处理的镍钛合金试样点蚀现象均较轻，尤其是400℃氧化处理试样，仅能观察到很少几处点蚀孔，说明氧化处理后明显提高了抗点蚀能力。2.3细胞转化试验未氧化处理的镍钛合金和317L合金颗粒均可见明显的形态转化克隆，其体积大，染色深，肉眼即可容易分别。镜下可见细胞失去成纤维细胞形态，大小不一，核深染且大小不等，核仁明显，有细胞重叠且排列紊乱。这种形态细胞的显微照片，形态转化克隆的统计结果表明，未氧化处理镍钛合金和317L合金颗粒组的转化率分别为13.46%和14.11%。两组基本接近，说明其细胞毒性的程度相当。空白对照组和经400℃氧化处理1h的镍钛合金颗粒组基本是正常克隆，它由单层生长的梭形成纤维细胞组成。细胞形态一致，核淡染，呈束状或放射状规则排列。统计表明，空白对照组的转化率为0，经氧化处理镍钛组为1.56%，两组的转化率无显著差异，说明经氧化处理后镍钛合金的细胞毒性程度明显降低。3讨论在1%NaCl溶液中的电化学阳极极化试验表明，TiNi和317L合金试样的再钝化电位Erp明显低于击穿电位Eb，说明两种材料均存在点腐蚀倾向。这在浸泡试样的表面点蚀孔观察中得到证实。浸泡过程中的Ni离子释放可能主要与这种点腐蚀相关。1%NaCl溶液是一种近似生理环境的腐蚀介质，可以推测在植入人体后，点蚀也将不同程度地发生。因此，不经表面处理的镍钛合金作为长期植入人体的植入器械可能并不十分合适。但由于镍钛合金与317L不锈钢具有基本接近的Ni离子释放速度，因此我们认为，凡是317L型不锈钢已经使用的场合，例如接骨板、支撑架及牙齿矫型丝等，用TiNi合金应该是安全的。此外，本工作还表明，镍钛合金若经表面氧化处理后耐蚀性能可得到显著提高，这与钛及TC4合金的结果相同。耐蚀性的提高与氧化处理使镍钛合金表面形成致密的富钛氧化膜有关。在300℃～400℃氧化处理形成的表面氧化膜很薄，并不影响合金的形状记忆效应和逆相变温度。文献还指出，镍钛合金表面处理获得的氧化膜即使变形后也不破裂，对基体仍具有较高的保护性。由此可见，表面钛阳极氧化处理可作为改善镍钛合金耐蚀性及生物相容的一种有效的表面改性方法。更多信息请了解“钛阳极氧化、钛合金阳极氧化”