《Results in Surfaces and Interfaces》：Review on Ni-Ti alloys for biomedical applications: Modification and manufacturing techniques
编辑推荐：
镍钛（NiTi）合金，亦称Nitinol，属形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）类，因其独特的形状记忆效应（Shape Memory Effect, SME）与超弹性（Superelasticity, SE）而被广泛研究。上述特性源于
镍钛（NiTi）合金，亦称Nitinol，属形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）类，因其独特的形状记忆效应（Shape Memory Effect, SME）与超弹性（Superelasticity, SE）而被广泛研究。上述特性源于合金中奥氏体（austenite）与马氏体（martensite）之间可逆的相变行为。NiTi合金还兼具优良的耐腐蚀性、生物相容性及疲劳强度，且其特征相变温度随成分变化，故在骨科、口腔正畸、心血管介入及微创手术器械等生物医学领域具有重要应用价值。本文系统综述了NiTi合金的物化性能、制造与加工技术、表面改性策略、生物医学应用及临床性能评价，并探讨了其面临的挑战与未来发展方向。研究人员指出，NiTi合金中镍离子（Ni2?）的潜在释放可能引发细胞毒性与免疫反应，因此表面改性对提升其长期植入安全性至关重要。此外，增材制造（Additive Manufacturing, AM）及4D打印技术的发展为制备个性化、复杂结构NiTi植入体提供了新途径，但成本控制与大规模生产仍是亟待解决的问题。本文亦总结了现有文献中的研究不足，并展望了未来研究方向，包括纳米结构NiTi、智能涂层及杂化复合材料等，以期为该领域的进一步研究提供参考。
**一、研究背景与问题**
NiTi合金因其形状记忆效应（SME）和超弹性（SE）等独特功能，在生物医学领域（如骨科植入物、心血管支架、正畸弓丝等）受到广泛关注。然而，现有研究多集中于单一性能（如耐腐蚀性或生物相容性），缺乏对表面特性、腐蚀行为、力学性能与生物学响应之间相互作用的系统性考量。此外，不同加工路线、表面处理和测试条件导致的实验差异，使得文献间难以直接比较；而多数短期体外实验亦不足以反映NiTi在生理环境中的长期服役表现。因此，亟需开展更全面的研究，以综合评估NiTi合金在生物医学应用中的长期适用性。
**二、研究内容与结论**
研究人员围绕NiTi合金的材料性能、加工技术、表面改性及临床应用进行了系统综述：
- 总结了NiTi合金的相变特性（如马氏体相变、R相）及其对疲劳寿命的影响；
- 对比了铸造、粉末冶金、增材制造等方法，分析了各工艺对微观结构、相变温度和力学性能的影响；
- 阐述了表面改性（如阳极氧化、离子注入、涂层技术）在抑制Ni2?释放、提高耐腐蚀性和生物相容性方面的作用；
- 归纳了NiTi在骨科、心血管、口腔及泌尿等领域的具体应用及临床数据，并讨论了监管审批路径。
**关键结论**：NiTi合金凭借低弹性模量（30–80 GPa）、高疲劳抗力及优良生物相容性，在植入器械中优势显著；然而，镍离子释放引发的毒性问题仍是主要限制，需通过表面工程和材料设计加以解决。增材制造与4D打印为个性化植入体提供了新机遇，但成本与规模化生产仍具挑战。
**三、主要关键技术方法**
1. **制造工艺**：包括真空电弧重熔、真空感应熔炼等铸造法；粉末冶金（如热等静压、金属注射成型、放电等离子烧结）；以及增材制造（选择性激光熔化、激光净成形、电子束熔化等）。各方法对成分均匀性、孔隙率和相变温度有显著影响。
2. **表面改性技术**：涉及阳极氧化、等离子处理、离子注入、微弧氧化及功能涂层（如羟基磷灰石、二氧化钛、聚合物涂层）等，旨在增强耐腐蚀性和生物相容性。
3. **表征与测试方法**：采用扫描电子显微镜、X射线衍射等分析微观结构；通过动电位极化、电化学阻抗谱评估腐蚀行为；结合疲劳试验、磨损试验及细胞毒性测试综合评价材料性能。
4. **临床评价方法**：参考前瞻性多中心试验、上市后监测及器械注册数据，采用Harris髋关节评分、Knee Society评分等功能指标评估长期效果。
**四、研究结果**（按原文小标题保留）
1. **形状记忆效应**：NiTi合金在加热后能恢复预变形形状，其相变温度（As、Af、Ms、Mf）由Clausius-Clapeyron方程描述，且受Ni/Ti比和加工历史影响。Ti-rich合金更利于SME，Ni-rich合金则表现出更优的SE。
2. **超弹性**：在Af以上施加应力可诱导马氏体相变，卸载后应变完全恢复，无需热循环。相变滞后与能量耗散相关，并受析出物、织构等微观因素影响。
3. **力学性能**：NiTi合金抗拉强度约700–1000 MPa，弹性模量30–50 GPa，接近人体皮质骨，且具有良好的疲劳抗性和耐磨性。表3数据表明，不同制备工艺（如激光冲击强化、冷轧）可调控硬度与残余应力。
4. **生物相容性与耐腐蚀性**：天然形成的TiO?钝化层能有效阻碍Ni2?释放，但在含Cl?的生理环境中可能发生局部点蚀。表5显示，在人工唾液、SBF、Hank's溶液等介质中，NiTi的腐蚀行为随pH和浸泡时间变化，其中Ringer's溶液表现出较低的Ni释放量。
5. **R相对疲劳寿命的作用**：R相变产生的应变较小，可在循环载荷条件下调节应力分布，某些情况下可提升疲劳抗力，但需根据应变幅和相变路径具体评估。
6. **制造与加工技术**：常规铸造易引起成分偏析，粉末冶金和增材制造则能实现孔隙率和微观结构更精准的控制。SLM可通过调整激光参数获得99.9%致密度，而WAAM需注意Ni蒸发损失。
7. **表面改性**：阳极氧化、微弧氧化、电沉积等处理可显著提升耐腐蚀性和抗菌性。例如，TiO?/羟基磷灰石复合涂层在Ringer's溶液中显著改善了耐蚀性能。
8. **生物医学应用**：NiTi被用于骨科螺钉/钉板、脊柱矫形器、自膨式支架、腔静脉滤器、牙科弓丝、泌尿支架及手术器械等，其临床结果总体良好（如血管支架12个月初级通畅率67.8%）。
9. **临床性能评价**：长期随访表明NiTi器械在功能改善方面有效，但存在支架断裂、不适等并发症，需结合患者报告结局和影像学监测综合评价。
10. **监管审批**：美国FDA将多数长期植入器械归为III类，需通过PMA或510(k)途径；欧盟MDR要求CE认证及上市后临床随访（PMCF）。审批周期通常18–24个月。
11. **挑战与局限**：Ni2?释放（全球10–20%人群对镍过敏）、疲劳磨损、表面腐蚀降解及生产成本高是主要瓶颈。现有文献缺乏长期体内数据和标准化测试方案。
12. **未来方向**：发展纳米结构NiTi、智能响应涂层、4D打印动态植入体及NiTi基杂化材料，以提升多功能性和个性化水平。
**五、总结与结论翻译**
**讨论总结**：NiTi合金的性能受加工—结构—表面—生物学响应多重耦合影响，需通过跨学科协同优化。当前表面改性策略（如纳米TiO?涂层、药物缓释涂层）已展示出降低Ni2?释放和促进组织整合的潜力，但长期体内稳定性数据的缺乏仍是临床转化的主要障碍。
**研究结论**（原文翻译）：镍钛（NiTi）合金因具有形状记忆效应、超弹性、成分依赖性特征温度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，在生物医学工程中广泛应用。经过长期临床验证，NiTi已成功用于骨科、口腔正畸、心血管支架、人工心脏瓣膜及微创器械等领域。通过热机械加工、粉末冶金、增材制造等工艺的进步，研究者已能精确控制材料的微观结构、孔隙率、相变温度和力学性能。多孔NiTi支架（弹性模量与皮质骨匹配）在减少应力遮挡和促进骨整合方面展现出显著潜力。表面改性（如阳极氧化、离子注入、羟基磷灰石涂层）进一步提升了耐腐蚀性、耐磨性及生物相容性，降低了镍释放风险。纳米结构表面和4D打印智能植入体是未来发展方向，但Ni2?浸出风险仍需解决。今后的研究将聚焦于低成本、可规模化制造技术与先进材料设计的结合，并通过严谨的生物学测试和长期临床研究确保植入物的安全性和有效性。在满足监管标准与临床需求的同时，NiTi合金有望在开发更安全、更耐用、多功能和个性化医疗植入体方面发挥关键作用。
