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1.上海交通大学生物医学工程学院，上海 200240；2.微创心脉医疗科技（上海）有限公司，上海 201318

[摘要]由于镍钛合金材料的特殊性能，其在植入医疗器械中扮演着越来越重要的角色。由镍钛合金制成的腔静脉滤器经过长时间的发展，其在预防肺栓塞中的价值也已得到肯定。本文介绍了镍钛合金材料的性质，并分别针对7种不同腔静脉滤器的设计特点作了简要阐述。

[关键词]镍钛合金；形状记忆效应；肺栓塞；下腔静脉滤器

自1963年美国海军军械研究室Buehler等[1]在镍钛合金（Nitinol Alloy）丝中发现了形状记忆效应（Shape Memory Effect，SME），至今已有50年的历史。除形状记忆效应外，镍钛合金还具有超弹性（Superelasticity）、良好的耐腐蚀性（Corrosion Resistance）和生物相容性（Biological Compatibility，BC），近年来被广泛应用于大动脉支架、外周血管支架、颅内动脉支架及食道支架、胆道支架等介入器械。腔静脉滤器（Vena Cava Fliter，VCF）由于其所处的下腔静脉（Inferior Vena Cava，IVC）具有血管壁薄、张力大等特性[2]，一般材料难以满足要求，镍钛合金材料则因具备这些性能，在下腔静脉滤器中的应用越来越广泛。

1 镍钛合金

将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而恢复到变形前的形状，这一现象就是形状记忆效应。具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）。镍钛合金材料即属于形状记忆合金的一种。

镍钛合金材料的形状记忆效应具体表现在：① 马氏体相（Martensite），低温时材料内部晶粒状态（温度需低于马氏体开始转变温度Ms），具有较低的对称性的正交或单斜晶系，内部是孪晶变形或层错（图1左）。该结构不稳定，易发生形变；② 奥氏体相（Austenite），高温时材料内部晶粒状态（温度需高于奥氏体转变终了温度Af），具有较高的对称性的立方点阵（图1右）。该结构具有较高的强度，不易发生形变。

低温时（T＜Mf），在马氏体状态下对材料施加外力发生形变，然后对材料进行加热，当T＞Af时，材料由马氏体相转变为奥氏体相，可恢复到原来的形状（图2）。

图2 形变及恢复

注：Ms：马氏体相变开始点；Mf：马氏体相变结束点；As：奥氏体相变开始点；Af：奥氏体相变结束点。

样品在受到外力作用的情况下（加载），其产生的应变远大于其弹性极限应变，且当外力卸载后，该应变可以自动恢复，这一现象称为超弹性（Superelasticity）。超弹性可以分为线性超弹性和非线性超弹性（图3），非线性超弹性是指在Af以上一定温度区间加载和卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果，也称为相变伪弹性。镍钛合金材料的非线性超弹性（伪弹性）应变量在8%左右，而线性超弹性应变量在4%左右。

图3 线性（左上）和非线性（右下）超弹性示意图[3]

注：I：奥氏体弹性；II：R相变；III：应力诱发马氏体；IV：马氏体弹性。

镍钛记忆合金和316L不锈钢的抗腐蚀等级均属于1级，极强级。符合在口腔内及体内应用的要求。Cisse等[4]研究指出，镍钛材料加工后形成二氧化钛（TiO2）保护层，耐腐蚀能力优于316L不锈钢。两组镍钛合金与316L的最大腐蚀速度比较[5]，见表1。

电位腐蚀：镍钛合金与铂（Pt）、铂铱（Pt/Ir）、金钯（Au/Pd）合金等连接测量的腐蚀电流值要比316L不锈钢、钛（Ti）和钽（Ta）等连接测量的腐蚀电流值高一个数量级[6]。

表1 两组镍钛合金与316L的最大腐蚀速度对比

下腔静脉为容量型血管，具有如下特点：① 静脉壁薄、张力大，若破裂出血，十分凶险，且难以缝合；② 血流方向向心，移植移位风险较大等。这就要求滤器所用材料能够随着腔静脉直径的变化而变化、且支撑力不能太强。镍钛合金由于其良好的超弹性满足了生物力学的要求，而传统用于制造血管支架的材料，如不锈钢、钴铬合金等，其与人体组织的生物力学相容性相对较差。

2 医学基础研究

镍钛合金作为制备血管支架的材料，主要应用于生物体内，不仅要具备可靠的生物力学性能，还要具备可靠的生物安全性、抗感染性及理化性能等，即支架植入体内后与血液及血管壁接触不产生炎症和致敏反应，自身不致癌并且具有良好的抗凝血性，能有效减少急性血栓形成和阻止内膜增生。

自20世纪70年代开始，国内外的研究人员对医用镍钛合金进行了大量的医学基础研究，结果表明镍钛合金具有良好的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中具有良好的耐腐蚀性，用其制成的医疗器械在植入人体后未发现有排异反应或出现炎症，达到人体植入物生物学评价标准（QNB0030-1998）的要求。随着技术的发展，近年来出现的表面改性技术，也大大提升了镍钛合金的血液相容性[7]。同时，镍钛合金具有优良的高抗疲劳性、良好的核磁共振（MRI）兼容性[8]、超弹性等，已被广泛地应用于口腔科、泌尿科、消化科、血管外科、神经外科及妇科等。

3 腔静脉滤器

深静脉血栓（Deep Venous Thrombosis，DVT）和肺栓塞（Pulmonary Embolism，PE）统称为静脉血栓栓塞（Venous Thrombo Embolism，VTE），代表单一疾病发展过程的2个端点。肺动脉栓塞是深静脉血栓形成最可怕的结局之一，大面积的肺栓塞病死亡率为50%，而复发性肺栓塞常常导致肺动脉高压、右心室扩大和右心衰竭。使用下腔静脉滤器的目的是滤过大块的深静脉血栓以保护肺动脉循环，预防肺动脉栓塞的发生。

镍钛合金腔静脉滤器属于自扩张型滤器，由镍钛合金丝编织或镍钛合金管激光雕刻而成，事先被加工成特定的形状即设置特定的尺寸，然后压缩进入输送鞘内（7～10 F，约2.3～3.3 mm）。手术时，输送鞘通过股静脉（或颈静脉、肘前静脉等）入路将滤器输送到体内指定位置，然后通过固定顶出杆或钢缆、后撤输送鞘的方式将滤器释放在人体下腔静脉中，最后将输送鞘和顶出杆（或钢缆）撤出体外，缝合穿刺点完成手术。

滤器又分为永久滤器和可回收滤器。永久滤器一旦植入人体，便不再取出。对于可回收滤器，在指定的时间窗内使用抓捕器将滤器取出体外，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）建议时间为29～54天。以下对以镍钛合金为基础材料制作的下腔静脉滤器产品作重点介绍。

该滤器由7组镍钛合金丝编织而成，上下双层设计，上层由7根镍钛合金丝编织成花瓣状，下层由6根镍钛合金丝制成伞状且尾部设计有倒钩，用于固定在腔静脉血管壁上，见图4。该滤器长3.8 cm，整体有2个融合点将镍钛合金丝融合连接，该滤器于1990年被FDA批准使用，属于永久滤器，无铁磁性，耐腐蚀。双层设计使其不易发生倾斜，独特的花型设计使其可以捕获直径＞5 mm的血栓，且其捕获血栓的能力不受滤器倾斜影响。它可以经股静脉、颈静脉以及肘前静脉植入，适用于28 mm及以下的下腔静脉直径。最新的输送鞘内径为7F（约2.3 mm）[9]。

Athanas Oulis等研究者比较了近26年来不同的滤器，Simon镍钛合金滤器的复发性肺动脉栓塞（3%）和致命的肺栓塞（2%）发生率最低，下腔静脉血栓形成的发生率为3.5%。滤器移位或穿孔率极低[2]。

姚立正等[10]置入43例Simon滤器，均成功植入，滤器位置形态正常，无倾斜、移位，腔静脉血流通畅，术中无死亡和肺动脉栓塞。随访1～60个月，均未发生肺栓塞，摄片或CT复查VCF位置正常，无倾斜和移位，多普勒超声复查，27例血管形态正常，16例血管不同程度狭窄，但侧支循环建立。Simon滤器为永久性滤器，对时间较长和下肢全程的血栓或估计短时间内难以溶解清除的血栓可选用，由于其终身留在体内，部分患者尤其是年轻患者有一定顾虑。

美国FDA分别在2002年批准Recovery滤器作为永久滤器使用并在2003年批准为可回收滤器使用。Recovery由上层臂和下层腿组成，各由6根镍钛合金丝组成并汇集于顶端的融合点，具有双层过滤作用，其中，腿的最下端有起固定作用的倒钩，且具有核磁兼容性，见图5。该滤器可通过股静脉、颈静脉或锁骨下静脉使用9F（3 mm）鞘植入，推荐植入直径不超过28 mm的下腔静脉中。植入后医生可根据血管过滤情况，选择是否使用直径12F（4 mm）的专用回收装置回收（图6），特殊的设计使其回收的时候只能通过颈静脉回收。

图6 Recovery/G2滤器回收

注：A：将专用的回收装置推送到滤器上方；B：固定外鞘管，向滤器方向推送回收装置，使伞状装置包住滤器顶端；C：固定回收装置，向前推送外鞘管包覆回收装置，使伞状回收装置顶端卡住滤器；D：固定外鞘管，向后拉伞状回收装置，滤器跟随伞状回收装置一同进入外鞘管；E：滤器被回收至外鞘管

Recovery滤器的继任者是G2滤器，该滤器整体外形与Recovery滤器相似，设计跨度更大、倒钩更粗，可以防止静脉扩张和压力升高造成的移位，能够在有效拦截各种大小血栓的同时保持腔静脉的畅通。其在股静脉入路采用了更小的7F（约2.3 mm）输送鞘，颈静脉入路也有对应的输送系统（10F，约3.3 mm），推荐的腔静脉直径不大于28 mm[9]。

An等[11]对829例接受G2滤器植入术患者中的684例进行了随访，随访发现G2滤器的早期断裂率比较低（随访发现有13例病人（占随访患者的1.9%）发生了16个滤器杆断裂（上臂11个，腿5个）），但远期断裂率会上升（5年断裂率预计在38%，95%置信区间为22.9%～54.8%），所有发生断裂的患者均无症状发生。

Denali滤器（图7）是最新推出的腔静脉滤器，是由镍钛合金管材经激光雕刻一体成型，切割后的滤器共有12根杆，其中6根杆组成上臂，6根杆组成腿部，腿部杆的尾端设计有2种不同的倒钩（图8），用于将Denali滤器固定在腔静脉内壁，防止其向上或向下移位的发生，也具有核磁兼容性。该滤器顶端设计有网罗钩，该设计使其使用临床上常用的抓捕器即可进行同收（图9）。该滤器于2013年获得FDA的上市许可，可经股静脉、颈静脉或锁骨下静脉穿刺植入，适用于直径不大于28 mm的下腔静脉，仅可通过颈静脉回收[9]。

图9 Denali滤器回收

注：A：在滤器的上方释放抓捕器；B：固定外鞘管，向下收紧抓捕器；C：固定抓捕器，向下推送外鞘管使滤器上层倒钩以上部位回收至外鞘管内；D：固定外鞘管，向上拉动抓捕器，使滤器完全进入外鞘管；E：滤器完全被回收至外鞘管内；F：外鞘管撤出体外，完成回收。

研究显示，Denali滤器临床植入成功率94.5%，植入技术成功率99.5%，取出技术成功率97.3%，并发症少[12]，但也有滤器体内断裂的报道[13]。

Trap-Ease滤器（图10）是一款永久植入滤器，在2000年被FDA批准。该滤器由镍钛合金管材经激光雕刻而成。整体结构设计成灯笼状，具有自动居中的特性；双篮设计提供了双层过滤，以获得最佳的血栓捕获能力；连接双篮的6根镍钛支撑杆有助于降低倾斜，同时设计了2组锚钉，降低了移位风险；具有核磁兼容性。该滤器未展开时长64 mm，展开直径35 mm，推荐植入的下腔静脉直径为≤30 mm。该滤器独特的对称式设计使其无论从颈静脉或股静脉入路放置时均可以使用55 cm的导鞘。另外，还有90 cm的导鞘可以使其经肘前静脉入路植入。该滤器可通过8.5F（约2.8 mm）的导鞘系统放置。

Trap-Ease腔静脉滤器具有较好的生物相容性，不易引起血栓形成；其滤过效率高，保持血流通畅好；能可靠地固定在腔静脉壁，不会发生移位；操作简单、安全。但也有植入后引起肺栓塞导致死亡的报道[14]。

Opt-Ease滤器是一款可回收滤器，在设计上与Trap-Ease滤器相似，既具有Trap-Ease的优点，又增加了可回收的功能，可在12天内回收或永久植入。滤器在未展开时长67 mm，展开直径35 mm，适用于不大于30 mm的下腔静脉，见图11。滤器的防移位倒钩由原来的2组变成了1组，且在没有倒钩的一侧设计有鹅颈结构（图11右），用于取出时抓捕。但因为防移位倒钩的原因，其只能经股静脉回收。2002年获FDA批准使用。

Opt-Ease滤器的安全性、有效性与Trap-Ease相似，但滤器下拦截血栓或血栓形成时如果产生严重的并发症，处理不及时可能会导致滤器取出困难或永久植入[15]。

Crux滤器是由两个相对的镍钛合金丝连接尾端而成。每一个合金丝的一端都有一个正弦形回收尾，有助于抓捕器取回滤器。滤器上有5个倒钩，用镍钛合金管将倒钩固定在合金丝上，倒钩可以有效防止滤器移位，见图12。滤网捕获是由膨体聚四氟乙烯（Expanded Poly Tetra Fluoro Ethylene，ePTFE）丝编织而成，固定在合金丝上。特殊的设计使其可以经股静脉或颈静脉输送，同时还可以经股静脉或颈静脉回收。

研究指出，Crux滤器的临床成功率96.0%（120/125），技术成功率98.4%，3例发生了确切的肺栓塞，2例体内展开失败，无移位、堵塞、断裂、倾斜的发生。取出成功率为98.1%。结果证明，Crux滤器具有良好的安全性[16]。

Aegisy滤器是一款国产可取出腔静脉滤器，也是唯一一款国产腔静脉滤器，由镍钛合金管材经激光雕刻一体成型，非对称灯笼结构，单层滤过，具有较大的血栓捕捉容积，横向的对称性提供了血栓捕获的稳定性，见图13。一侧设置有固定锚，联合垂直支柱，使其不易倾斜和移位。滤器头端和尾端分别有内嵌螺纹，该螺纹与输送钢缆连接，释放时避免滤器前跳，定位准确。输送鞘内径6F（2 mm），长55 cm，滤器尾端有回收钩，在植入14天内可根据患者情况使用抓捕器回收（图14），回收鞘可使用内径10F/12F（约3.3 mm/4 mm）、长55 cm规格。该滤器可经股静脉、颈静脉或肘前静脉穿刺植入，由于其特殊设计，只能通过股静脉回收。滤器压缩状态下长55 cm，展开后直径32 mm，推荐植入16～30 mm的下腔静脉内，且具有核磁兼容性。2009年被国家食品药品监督管理局（China Food and Drug Administration，CFDA）批准上市。

对急性期单侧下肢32例DVT患者全部置入Aegisy可回收腔静脉滤器，技术成功率100%，术中及术后无症状性肺动脉栓塞（PE）发生；全部下肢肿胀明显改善，治疗后复查彩色多普勒超声未发现下肢血栓；30例在术后12～16天成功取出，滤器留置期间未发生脱落、未发生穿破下腔静脉及移位等[17]。尽管该滤器有植入95天并成功取出的报道[18]，但Aegisy滤器放置后仍有可回收期限相对短的局限，如不及时取出，3～4周后血管内膜生长可覆盖滤器与静脉血管接触面，导致难以取出滤器，强行取出将引起腔静脉破裂，只能改为永久性放置[19]。

4 总结

镍钛合金作为一种新型功能材料，其各种物理性能、化学性能和生物相容性已被广泛深入研究。近年来，镍钛合金材料在腔静脉滤器中扮演着越来越重要的角色，经过长时间的发展和应用证明腔静脉滤器在一定程度可以短期避免肺栓塞的发生，对于长期预防肺栓塞也有一定的效果[20]。同时，镍钛合金腔静脉滤器还存在血栓形成、断裂、取出期受限等问题亟待解决，如何利用镍钛材料的特殊性能，更巧妙地设计出更为贴近临床需要的腔静脉滤器，已成为研究人员目前研发的重点任务之一。

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Abstract：due to its special properties Nitinol alloy plays an increasingly important role in implantable medical devices.Vena cava flters made of nitinol alloy have undergone development for a long period of time,through which the effectiveness of vena cava flters in the prevention of pulmonary embolism has been affrmed.This paper introduced properties of nitinol alloy and briefy explained the design features of seven different kinds of vena cava flters.

Key words：nitinol alloy;shape memory effect;pulmonary embolism;inferior vena cava flter

HAN Jian-chao1,2，
LI Zhong-hua2，WANG Jin-ye11.School of Biomedical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.MicroPort Endovascular (Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201318,China

基金项目：科技部国际科技合作计划（2014DFG02330，2015DFG32 730）；上海市科委（13JC1403400，15540723900）。

通讯作者：王瑾晔，教授，博导，研究方向：生物医用材料。

镍钛合金材料在腔静脉滤器中的应用

1 镍钛合金

2 医学基础研究

3 腔静脉滤器

4 总结