温控镍钛形状记忆合金牵张器的研制及动物实验研究

摘要

在牵张成骨领域，牵张器的开发研制以及提高成骨质量和缩短治疗疗程一直以来是研究的热点和难点，而制造微型化、个体化、完全内置(埋藏)的牵引装置，则始终是牵张器研制的方向和目标。目前，已有学者利用镍钛形状记忆合金研制出完全内置式牵张器，并成功的用于动物实验，在真正意义上实现了牵张器的内置，完全避免了由传统牵张器外置装置引起的疤痕、感染、神经损伤、异物感和美观等问题。镍钛形状记忆合金具有准确的形状记忆效应、优越的超弹性和腐蚀抗力以及良好的生物相容性，在牵张成骨领域显示出了自身的优越性。但是，目前使用和报道的镍钛形状记忆合金牵张器植入体内后其牵引作用完全依赖自身弹性形变回复，在牵张过程中所施加机械力的大小、频率和方向完全取决于镍钛形状记忆合金输出的弹力和周围组织阻力，外界无法干预控制，使得整个牵张过程不稳定，进而导致成骨质量差，甚至于失败。本课题组前期研究中也发现，在牵张成骨过程中，使用普通镍钛形状记忆合金牵张器可出现传送盘完全移位，导致成骨不良或成骨失败。因此，如何利用外在手段干预镍钛形状记忆合金形变过程，控制镍钛形状记忆合金牵张器在牵张成骨过程中的力量、方向和速率，提高成骨质量成为亟待解决的问题。本实验在研究镍钛形状记忆合金形变规律的基础上，提出利用温度干预镍钛形状记忆合金牵张器的形变过程；通过调整镍钛形状记忆合金的成分及应用不同热处理方法，改变镍钛形状记忆合金的复形温度，研制温度调控的镍钛形状记忆合金牵张器；同时，引入红外热疗仪进行局部外源性加热，建立红外温控的镍钛形状记忆合金牵张器牵张成骨动物模型，旨在探索一种新的牵张成骨方法，以实现对镍钛形状记忆合金牵张成骨过程的调控。 本研究共分为两部分：第一部分温控镍钛形状记忆合金牵张器的研制及测试 目的：1.探讨温控镍钛形状记忆合金牵张器设计和加工制作的方法；2.建立Ni-Ti形状记忆合金弹簧的应变与温度之间的关系。 材料和方法：根据温控镍钛形状记忆合金牵张器设计的思路和方案，利用纯钛金属通过机械加工制成牵张器的固定和导向装置；而通过调整Ni含量，控制镍钛形状记忆合金的形状回复温度，加工制作牵张器的驱动装置。然后将研制出的镍钛形状记忆合金弹簧置于恒温水浴箱，测量不同温度点记忆合金弹簧的位移，并取试样于差示量热扫描仪和动态力学分析仪上测试相变温度和温度-位移曲线，计算理论弹力输出值。 结果：根据设计方案可成功研制出微型化、可温度调控的镍钛形状记忆合金牵张器；镍钛形状记忆合金弹簧的应变-温度关系曲线呈现高度的非线性，温度是影响镍钛形状记忆合金性能的主要因素。 结论：1.通过调整镍的含量，可调整镍钛形状记忆合金相变温度在33℃(As)～50℃(Af)之间，并成功制作成微型化、可温度调控的螺旋弹簧状牵张器；2.温度可以影响镍钛形状记忆合金的形变过程，从而调控镍钛形状记忆合金牵张器。 第二部分温控镍钛形状记忆合金牵张器牵张成骨的实验研究 目的：1.探讨利用红外干预温控镍钛形状记忆合金牵张器建立牵张成骨动物模型的方法。2.在成功建立温控镍钛形状记忆合金牵张器牵张成骨新西兰大白兔动物模型的基础上，探讨利用其实现牵张成骨的可行性，并研究温控牵张成骨的牵张效果和成骨质量。 材料和方法：选用成年健康普通级新西兰大白兔20只，随机选取一侧下颌骨为实验侧，另一侧为对照侧，于双侧下颌骨体部人为制造临界骨缺损，一侧同期形成传送盘，安装温控型镍钛形状记忆合金牵张器并植入测温探头，另一侧为空白对照。术后第三天开始红外加热，激活镍钛形状记忆合金牵张器并调控牵张器牵张过程，连续加热9天，每隔24小时加热一次，每次升温1℃，对照侧予以同等剂量红外照射。术后第2、5、8和11天拍摄X线片观察传送盘移动情况和牵张器的稳定性，固定期第4、8和12周拍摄下颌骨斜侧位片观察新骨再生情况，固定期第8和12周各处死两只动物行组织学检查，固定期第12周处死剩余所有动物取下颌骨标本测定骨密度，评价新骨再生质量。 结果：在实验过程中，通过红外加热可成功使新西兰大白兔动物模型的术区温度上升至47℃，传送盘被缓慢、稳定逐步地牵开。实验组术后2、5、8和11天X线片示：骨传送盘缓慢稳定弹开；固定期第4、8、12周X线片显示：牵张区新骨再生，骨密度渐增高；固定期第8和12周组织学检查可见新骨形成良好，骨小梁沿机械张力方向平行排列，由网织骨渐向板状骨过渡；固定期末大体标本可见下颌骨缺损处骨质再生，下颌骨连续性恢复；双能X线骨密度仪测试示：实验组新生骨骨密度为：0.2577±0.03418。对照组术后4、8、12周X线片显示骨缺损未修复，但缺损范围渐缩小，固定期末组织学检查可见大量骨骼肌组织，双能X线骨密度仪测试示：骨密度为：0.1723±0.02446，与实验组新生骨组织相比较差异有统计学意义，P=0.000<0.05；对照组缺损处近中正常骨质双能X线骨密度仪测试示：骨密度为：0.2896±0.03671，与实验组新生骨组织相比差异无统计学意义，P=0.128>0.05。 结论：利用温度来调控镍钛形状记忆合金牵张器的形变过程是可行的，温控镍钛形状记忆合金牵张器可成功用于牵张成骨。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩略表

声明

前言

第一部分温控型镍钛形状记忆合金颌骨牵张器的研制及测试

实验目的

材料和方法

结果

讨论

结论

第二部分温控型镍钛形状记忆合金颌骨牵张器牵张成骨的实验研究

实验目的

材料和方法

结果

讨论

结论

全文总结与展望

参考文献

附图

在读期间发表文章

附录

已发表与论文相关的文章

致谢