摘要：镍钛合金具有多种特性，这些特性使这些合金特别适合用于自扩张支架。其中一些特性在目前用于支架的工程材料中无法找到。本文解释了形状记忆和超弹性的基本机制，以及它们与自扩张支架的特性性能之间的关系。镍钛合金支架被制造成比目标血管尺寸稍大的尺寸，并在一个输送系统中被约束输送。展开后，它们以较低的、"慢性"外力将自己置于血管壁上。它们以明显较高的径向阻力来抵抗外力。尽管镍钛诺的镍含量很高，但它的耐腐蚀性和生物相容性与其他植入材料相同，列出并描述了最常见的镍钛合金支架。

一、简介

当Dotter等人在20世纪80年代初试验用镍钛合金线圈作为动脉内支架时，镍钛合金只因其不寻常的形状记忆效应而闻名。线圈绕成小直径并通过导管送入血管，在用60℃的生理盐水加温后会膨胀成较大的直径，例如，血管腔的直径（图1）。尽管形状记忆效应看起来非常适用于血管支架，但过了许多年，镍钛合金支架才出现在市场上。多特等人显然领先于他们的时代。镍钛合金是一种钛和镍的金属间化合物，它的熔化和加工还没有完全发展到稳定的质量，也没有完全了解这种材料的特性。目前，在Dotter等人的实验20年后，镍钛合金支架是自膨胀的，不需要部署后加热。它们是超弹性的，也就是说，压扁后可恢复，施加温和的"慢性"外力，并且通常比球囊扩张支架更符合生理学。所有主要的医疗设备公司以及许多较小的生产商现在都提供用于（主要是周边）血管和非血管适应症的镍钛合金支架。

图1Dotter等人使用的镍钛合金线圈支架，盘绕输送并热扩张

在此，在简单解释了形状记忆和超弹性的机制后，我们描述了镍钛合金的独特材料特性，以及它们与镍钛合金支架的性能特点的关系。

二、镍钛合金的超弹性和形状记忆

传统的支架材料，如不锈钢或钴基合金，表现出明显不同于人体结构材料的弹性变形行为。这些金属和合金的弹性变形被限制在大约1%的应变范围内，而且伸长率通常会随着施加的力而线性增加和减少（按比例）。相比之下，天然材料，如头发、肌腱和骨骼，可以进行弹性变形，在某些情况下，可以以非线性的方式达到10%的应变。当变形应力被释放时，应变会以较低的应力恢复。如图2所示，加载/卸载周期的特点是明显的滞后性。

图2镍钛合金的生物力学兼容性：镍钛合金和活体组织的变形特征

镍钛合金也有类似的行为，它是钛和镍的等原子或接近等原子的金属间化合物。图3显示了在体温下镍钛合金线的特征应力/应变曲线（如后面所示，镍钛合金的特性与温度有很大关系）。与天然材料一样，加载和卸载曲线显示出平缓，在加载时可以积累大的偏移（应变），或在卸载时恢复，而载荷（应力）没有明显的折痕或减少。因为超过10%的应变变形可以被弹性地恢复，这种行为被称为"超弹性"。

图3镍钛合金和不锈钢的应力-应变示意图

超弹性镍钛合金从宏观上看只是非常有弹性；然而，其变形机制与传统的弹性，或简单的原子键拉伸有很大的不同。当应力作用于镍钛合金时，在适度的弹性变形后，材料通过改变其晶体结构而屈服于施加的应力。这种"应力诱导"的相变使材料能够改变形状，作为对施加应力的直接反应。当应力消除后，材料恢复到原来的结构，并恢复其原来的形状。超弹性是应力诱导相变的结果，而形状记忆则是热相变的结果。事实上，当超弹性镍钛合金被冷却到临界温度以下时（转化温度，取决于合金成分和加工历史），它也会改变其晶体结构。如果不加力，这种相变并不伴随着形状的改变。在"低温阶段"，材料可以发生塑性变形，但通过加热超过转化温度可以恢复原来的形状。

自扩张镍钛合金支架的直径大于目标血管的直径。它们的转化温度通常被设定为30°C。它们可以在室温或低于室温的情况下轻松压接，并放置在一个输送系统中。为了防止在送入体内时过早扩张，支架被一个可伸缩的护套或其他手段所限制。在治疗部位，它被从输送系统中释放出来并扩张，直到它碰到血管壁并与之相适应。

三、材料考虑

镍合金是一种由55%的镍和平衡的钛组成的合金。它已被广泛接受，成为医疗植入物和设备的首选材料。它的独特性能来自于一种固态转化，这种转化可以通过热或机械方式触发，并取决于材料的组成和加工历史。这给材料规格增加了另一个层次的复杂性，并可能解释了为什么描述材料成分和测试方法的ASTM规格最近才发布。除了，甚至代替通常已知的材料特性，如化学成分、杨氏模量、屈服强度、极限拉伸强度和断裂伸长率外，还必须考虑到诸如转变温度、上下限应力、可恢复应变和永久变形等特性。如前所述，这些特性在很大程度上取决于加工历史，并在自扩张支架的设计和制造中发挥着重要作用。

01.生物相容性和腐蚀

现在大家都明白，镍钛合金需要控制加工以达到最佳的形状记忆和超弹性性能。同样，为了促进最佳耐腐蚀性和生物相容性，也需要进行表面处理。经过适当处理的镍钛合金的耐腐蚀性可与钛或其他普通植入材料相媲美。镍钛合金，像钛和不锈钢一样，是一种自钝化材料，也就是说，它形成一个稳定的表面氧化层，保护基体材料免受一般腐蚀。考虑到该合金的高镍含量，可以理解的是，人们担心镍可能因腐蚀而从材料中溶解出来，并造成不良影响。另一方面，其他含有高水平镍的合金，如MP35N（镍含量为35%的钴合金）或系列不锈钢（镍含量约为10%）表现出良好的生物相容性，并长期被用作正畸、矫形和心血管领域的植入物。一些研究已经测量了镍钛合金植入物暴露于体液中时的镍释放量。在对镍钛合金牙弓丝在唾液中的体外溶解研究中，发现镍钛合金装置平均每天释放13.05毫克的镍，这大大低于估计的每天-毫克的平均膳食摄入量。在另一项研究中，使用镍钛合金矫治器的正畸患者在5个月内测量了他们血液中的镍浓度。结果显示，在整个研究期间，血液中的镍含量没有明显增加。

一项比较性的体外细胞培养研究测量了镍在成纤维细胞和成骨细胞培养基中的释放。在这两种培养基中，镍的水平在第一天在镍钛合金组中较高，随着时间的推移迅速下降，8天后达到与L相似的水平。需要强调的是，尽管在镍钛诺组中测得的镍含量较高，但镍并未达到毒性值，并且植入物表面附近的细胞增殖或细胞生长未受影响。此外，在这项研究中，镍钛合金只进行了机械抛光，而不锈钢则进行了电抛光。作者推测，钝化处理，如电抛光，将减少镍的释放。为了评估不同的表面处理方法对镍离子释放的影响，Trepanier等人将机械抛光和电抛光的镍钛合金、MP35N和L不锈钢样品在37℃的汉克生理溶液中浸泡多小时（图4）。结果发现，通过机械抛光制备的样品比通过电抛光制备的样品释放更多的镍离子。表面分析数据表明，电抛光过程从表面去除多余的镍，形成富含钛的层（以TiO2的形式）。相反，机械抛光的样品在表面有相对较高的镍浓度（表1）。此外，机械抛光的Nitinol和MP35N样品在小时后显示出镍离子释放的增加。这可能是由于非钝化样品在最初的小时时间段后的腐蚀活动（点蚀）。

图4从镍钛合金、MP35N和不锈钢中释放的镍离子

表1镍与钛在镍钛合金、MP35N和不锈钢的机械抛光和电抛光表面的比例

尽管只有有限的镍离子释放，但在已知对镍敏感的情况下，不能肯定地排除过敏反应。应考虑与其他含镍种植体材料如不锈钢或MP35N一样的预防措施。

ASTM标准F提供了FDA认可的定量方法，用于加速评估植入材料的耐腐蚀性。从这个测试中得出的最相关的数据是击穿电位Ebd，因为大多数生物材料都是通过形成坑来进行局部腐蚀的。高的击穿电位表明材料是非常稳定的，可以抵抗点蚀。虽然没有建立正式的限制，但Ebd≥mV的材料被认为具有足够的耐腐蚀性，可以安全地用作植入物。这个值被Cordis使用，作为所有镍钛合金植入物的内部标准。它与作为预测装置的不锈钢Palmaz-Schatz支架的耐腐蚀性相吻合，该支架具有最长的植入历史。

根据ASTMF标准进行的阳极极化试验被用来评估表面处理对镍钛合金支架的腐蚀敏感性的影响。Trepanier等人表明，电抛光的镍钛合金支架具有优良的耐腐蚀性，击穿电位（Ebd）大于mV，而非电抛光支架的Ebd在mV左右。研究进一步表明，在-°C范围内的热处理后，电抛光支架的击穿电位退化到小于mV。这导致了这样的结论：在电抛光（钝化）处理后形成的薄的氧化钛（TiO2）表面层可以获得最佳的腐蚀和生物相容性结果。进一步看来，氧化层的均匀性，而不是厚度，对保护材料免受腐蚀最为重要。最近的研究将Ebd与热处理镍钛合金样品后形成的氧化层的厚度联系起来（图5）。

图5击穿电位与镍钛诺（通过改变热处理时间和温度产生的氧化物）上的氧化物厚度的函数关系。插图：具有电抛光和氧化表面的镍钛诺样品的恒电位腐蚀测试结果

为了提高镍钛合金支架的辐射性，标记物经常被附在支架支柱上；然而，当镍钛合金与异种材料结合时，必须考虑电腐蚀效应。标记物通常由高密度材料制成，如金、铂或钽。镍钛合金和钽在电化学上是相似的，因此这种组合对耐腐蚀性没有明显影响。相反，金和铂比镍钛合金（或不锈钢）更高贵，会对镍钛合金（或不锈钢）支架造成严重的电化学腐蚀；因此，使用贵金属作为标记物需要在支架和标记物之间有一个绝缘层，或者组件必须涂有保护层。

年，Heintz等人的报告提醒医学界和器械行业注意腐蚀问题，他们观察到在植入Stentor主动脉支架5个月后，支架上的镍钛合金支架被严重腐蚀（图6）。据初步推测，细胞诱导的电化学腐蚀或表面的活性细胞破坏（如破骨细胞-骨）可能是造成严重腐蚀的原因；然而，随后由Kaiser小组使用镍钛诺测试样品进行的细胞培养测试没有引起任何腐蚀。对失效组件的进一步分析显示氧化物厚度为0.2-0.3mm（通过俄歇分析确定）和Ebd为mV（来自阳极极化测试）。相反，Pelton等人对电抛光移植支架12个月的外植体进行了检查，没有显示出腐蚀的迹象。这些装置上的氧化物厚度约为0.01毫米，EbdmV。这突出了优化表面处理的重要性。目前市场上的大多数镍钛合金支架都有电抛光的表面。目前还没有关于腐蚀案例的进一步报道。

图6顶部：严重腐蚀的镍钛合金移植体（5个月）。底部：12个月的镍钛合金移植体，表面经过电抛光处理（附有Ta标记）

四、特定材料的设备特性

镍钛合金最不寻常的特性是应力滞后。虽然在大多数工程材料中，在加载时应力随应变线性增加，在卸载时沿相同路径减少（如图3所示，以钢为例），但镍钛合金表现出明显不同的行为。在最初的应力随应变线性增加后，只需少量的进一步应力增加就可以获得大的应变。这被称为加载高原。这个平台的终点是在大约8%的应变下达到的。从高原区域的末端卸载，导致应力迅速下降，直到达到一个较低的高原（"卸载高原"）。应变在这个区域被恢复，只有很小的应力下降。变形应变的最后部分最终以线性方式被恢复。

镍钛合金的应力滞后或路径依赖性导致了一种被称为偏向刚度的器件特征。图7说明了这一概念，它再次显示了镍钛合金的超弹性应力-应变曲线示意图，说明了非线性反应和滞后性。利用该图，我们将遵循将支架压入输送系统、部署支架、使其膨胀并与血管相互作用的周期。为此，轴已从应力-应变更改为环向力-支架直径。一个比血管大的特定尺寸的支架（"a"点）被压入一个输送系统（"b"点），然后被包装、消毒和运输。在插入目标部位后，支架被释放到血管中，从"b"处开始扩张，直到与血管撞击而停止运动（"c"点）。在这一点上，支架的进一步扩张被阻止了。由于支架没有扩张到其预先设定的形状，它继续施加一个低的向外力，称为慢性向外力（COF）；然而，它将抵抗反冲压力或任何其他外部压缩力，其力量由从"c"点到"d"点的加载曲线决定，该曲线比卸载线（向"e"点）陡峭（更硬）。

图7应力滞后和偏向刚度示意图

镍钛合金不寻常的弹性滞后性使支架作用在血管壁上的持续开放力（COF）保持很低，即使在支架大幅度偏移和尺寸过大的情况下。同时，支架产生的抵抗压缩的力，RRF，随着偏转迅速增加，直到达到高原应力。尽管大多数自膨式支架放置前都要进行经皮腔内球囊血管成形术，但有迹象表明，与在放置支架前进行PTA的情况相比，放置镍钛合金支架的慢性外力会导致血管重塑，内膜增生更少。

镍钛诺支架的另一个不同寻常的特征是它们的温度依赖性刚度。转变温度为30°C的支架在室温或较低温度下挤压或挤压时感觉非常脆弱。相反，当温度高于30°时，它们感觉更硬。图8显示了直径为10毫米的镍钛合金支架（CordisSMART支架）在不同温度下的实际卸载曲线。从该图中可以看出，当温度从20°C增加到37°C时，慢性外力实际上增加了一倍。如前所述，支架的转变温度可以在加工过程中进行一定程度的调整。这给设计者提供了另一种选择，在不改变设计或物理尺寸的情况下增加或减少支架的径向力，因为过渡温度每低于体温一度，加载和卸载力就会增加约4N/mm2。

图8镍钛合金支架(CordisSMART)在不同展开温度下的卸载曲线。插图：径向力测试装置，示意图

对于可能因外力而变形的浅表血管中的支架来说，抗扭结性是镍钛合金的一个重要特征。颈动脉就是一个典型的例子。一旦超过支架的屈曲强度，颈动脉中的球囊扩张支架就有可能因外部压力而永久变形，导致血管部分或完全堵塞。尽管镍钛合金支架通常不具备不锈钢支架的屈曲强度，但它们不能通过外部力量而永久变形。镍钛合金支架可以被完全压缩（压扁），当变形力被移除时，将恢复到其原始直径（图9）。Duerig等人对与超弹性支架性能相关的力进行了定量分析。

图9镍钛诺支架（CordisSMART）的极端变形。移除负载后支架将恢复

镍钛合金是非铁磁性的，其磁感应强度比不锈钢低。核磁共振的兼容性与材料的易感性能直接相关，相对于人体组织而言；因此，镍钛合金产生的伪影比不锈钢少，与纯钛相似。然而，必须注意的是，材料的加工会大大影响磁共振图像的质量。

五、镍钛合金支架设计

我们现在列出并描述目前正在销售或评估中的自扩张镍钛合金支架（表2）。像其他文章一样，这篇评论文章显然是不完整的，可能描述的支架还没有、不再有或不在世界范围内可用。

表2自扩张镍钛合金支架

01.线状支架设计

镍钛合金支架设计的演变显然与材料本身的发展有关。早期，镍钛诺只有金属丝的形式。因此，早期的镍钛诺支架是线状线圈，与Dotter等人的实验装置类似。目前，由圆形或扁平的镍钛诺尔丝制成的线圈支架仍然可用。它们主要用于非血管应用（例如Endocare公司的Horizon支架用于缓解膀胱出口梗阻），但IntraCoil支架（Intratherapeutics公司；图10）除外，它适用于治疗股浅动脉和腘窝动脉病变患者。简单的金属丝线圈的一个优点是在某些应用中的可检索性。如前所述，镍钛合金在冷却后会失去其硬度。EndoCareHorizon或DEMemokath前列腺支架可以通过用冷溶液冷却设备而从前列腺中取回。支架变得柔软而有弹性，可以用抓取钳取回（图11）。

图10Intracoil支架(IntraTherapeutics)

图11Horizon支架(Endocare)植入和取出

其他早期的线状支架设计有Cragg支架(MinTec公司，图12)，这是一种正弦线圈，有峰谷缝合连接，用于血管和非血管应用，还有编织的Ultraflex食道支架(Microvasive公司，BSC)。较新的设计是ZA胆道支架（Cook；图13），一种改良的针织设计，以及编织的Expander支架（Medicorp）。波士顿科学公司的"交响乐"支架是一种线状设计，其支杆被焊接成六边形单元。虽然基于金属丝的支架通常非常灵活，但Symphony支架却相当坚硬（图14）。

图12Cragg支架(MinTec)

图13ZA支架（Cook）

图14Symphony支架（波士顿科学公司）

02.基于片材的支架设计

编织或针织线基支架的一个明显缺点是细丝的交叉。这增加了支架的"壁厚"和输送轮廓。此外，人们还担心在交叉点上的摩擦腐蚀或镍钛合金的磨损。当镍钛合金薄板出现时，Angiomed（Bard）开发了第一个激光切割的镍钛合金支架，从薄板上切割出一个图案，将其卷起，并在特定的支杆位置进行焊接（图15）。

图15由板材制成的Memotherm支架（BardAngiomed）（注意焊接的支柱）。

一个有趣的片状镍钛合金支架是实验性的"棘轮"EndoTex支架，类似于Sigwart建议的设计（图16）。它是用薄的镍钛合金片进行化学蚀刻，产生一系列的窗口，并在一个边缘有一个锁定功能。它被卷成一个小直径的卷，放在PTCA球囊上。然后将该组件放入血管，通过给球囊充气来调整支架的直径。随着球囊的膨胀，支架会松开到所需的直径，以撑开血管。支架由独特的标签锁定，在球囊放气时滑入支架的"窗口"。这种设计提供了广泛的直径范围，以便为每次治疗提供定制的适合。它结合了球囊的可扩展性和部署后的超弹性；然而，它有一些针织线支架的缺点，即横截面不均匀和潜在的摩擦交叉点。

图16“sizable”超弹性支架的概念

Vasculararchitect的Aspire支架使用“双轨阶梯式”框架，该框架也由镍钛合金板蚀刻而成，并覆盖有ePFTFE。它螺旋盘绕在输送系统上，允许以可变螺距部署以保持容器侧分支打开。

03.管状支架设计

20世纪90年代中期，镍钛合金无缝管开始批量生产。随之而来的是激光切割管状的镍钛合金部件。目前，到目前为止，大多数自膨式镍钛诺支架是通过激光切割镍钛诺管生产的。早期的例子是Angiomed（Bard）的Memotherm和ScimedRadius支架。Memotherm是一种刚性的闭孔设计，其菱形图案与最初的Palmaz气囊扩张支架相似。另一方面，Radius是一种灵活的开孔设计，具有连续的环和周期性的峰-峰非弯曲桥。大多数激光切割的镍钛合金支架采用这些基本设计特征的变化和/或组合（图17，18）。市场上也有涂有碳化硅（SiC）或类金刚石（DLC）的镍钛合金支架。也许可以这样说，这些发展更多的是受产品差异化的驱动，而不是实际的科学考虑。

图17激光切割的镍钛合金管状支架。顶部：Memotherm（BardAngiomed）；底部：SMART(Cordis)

图18激光切割的镍钛合金管状支架。顶部：JostentSelfX（Jomed）；底部：DynaLink(Guidant)

04.射线不透增强

理论计算和实验研究表明，镍钛诺的射线不透性与同等尺寸的不锈钢相似；然而，随着支架外形不断缩小以适应更小的输送系统，横截面会随着X射线可见度的降低而减小；因此，为了提高镍钛合金支架的荧光可见度，通常会在支架设计中附加或集成不透射线标记。例如，OptimedSinus支架系列的特点是在支架两端有一组标签标记，是支架切出的管子的组成部分（图19）。这种方法的优点是不存在兼容性问题，因为不涉及异种金属。另一方面，它只允许适度改善能见度。在CordisSmarter和SmartControl支架的两端，钽标记被铆接或硬币化为孔眼状标签（图20）。如前所述，钽和镍合金在金属的电化学系列中距离很近，也就是说，电化学腐蚀不是一个问题。CookZilver支架具有类似的设计，但使用金标记而不是钽。据推测，整个支架上涂有一层薄薄的聚合物层，以保护其免受电化学腐蚀。

图19Sinus支架的镍钛合金标记（Optimed）。

图20SMARTeR支架(Cordis)的CoinedTantalum标记

钽片焊接到BardLuminexx支架的末端（图21）。由于这些翼片的质量很大，因此该支架的X射线可见性非常好。但是，有人担心在镍钛诺和钽的焊接过程中会产生脆性界面层，从而可能影响焊接强度。

图21Luminexx支架的焊接钽标记(BardAngiomed)

铂-铱套管用作线基BSCSymphony支架的标记（图22），而CookZA编织支架使用金套管。如前所述，在使用这些材料组合时必须考虑兼容性问题。

图22Symphony支架的铂铱套筒标记（BostonScientific）。

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