形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用形狀記憶合金的特性1.1形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)特性形狀記憶效應(yīng)(Shape memory effec,t SME)是由于馬氏體相變而產(chǎn)生的。具 有熱彈性(半熱彈性)或應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變(Stress inducedMartensitic trans-formation, SIM)的形狀記憶合金(Shape memory al-loys, SMAs),在馬氏 體狀態(tài)下進(jìn)行一定限度的塑性變形，則在隨后的加熱過程中，當(dāng)溫度超過馬氏體 逆相變溫度時(shí)，材料就能恢復(fù)到變形前的體積和形狀。1.2形狀記憶合金的分類形狀記憶合金主要分為Ti-Ni基、Cu基及Fe基形狀記憶合金。前兩種合金

2、 主要為熱彈性形狀記憶合金,Fe基形狀記憶合金為半熱彈性形狀記憶合金，其中 用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的TiNi形狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應(yīng)或超彈性外，還 應(yīng)滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi可與生物體形 成穩(wěn)定的鈍化膜。形狀記憶效應(yīng)主要分為：?jiǎn)纬逃洃浶?yīng)，雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在 加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相 形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀， 冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金的發(fā)展首次

3、被發(fā)現(xiàn)并公開報(bào)道某些合金中具有形狀記憶效應(yīng)這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，可以 追溯至1938年，美國(guó)哈佛大學(xué)的A.B.Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中 發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變，即在加熱與冷卻過程中，馬氏體會(huì)隨之收縮與長(zhǎng)大。 1918年前蘇聯(lián)學(xué)者Kerdjumov曾預(yù)測(cè)到有一部分具有馬氏體相變的合金會(huì)出現(xiàn) 熱彈性馬氏體相變。1951年張祿經(jīng)和T. A. Read報(bào)道了原子比為1：1的CsCl 型AuCd合金在熱循環(huán)中會(huì)反復(fù)出現(xiàn)可逆相變。數(shù)年后.T. A. Read又和 M. W. Burkard在InTi合金中發(fā)現(xiàn)了同樣納可逆相變。一直到20世紀(jì)60年代 初，這種觀察到的形狀記憶效

4、應(yīng)只看作是個(gè)別材料的特殊現(xiàn)象。甚至在1958年 布魯塞爾國(guó)際博覽會(huì)上展出過用AuCd合金制作的重物升降機(jī)，都未引起足夠的 注意。1963年，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室W.J.Buchler等人在等原子比NiTi合金中發(fā) 現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)后，才引起人們的重視，從此形狀記憶合金進(jìn)入了研究和應(yīng)用 的新階段。到1975年左右，全世界相繼開發(fā)出具有形狀記憶效應(yīng)的合金達(dá)20 多種。近幾年在不少鐵基合金、尤其是FeMnSi基合金和不銹鋼中也發(fā)現(xiàn)了形狀 記憶效應(yīng)。1980年，世界規(guī)模的研究發(fā)現(xiàn)，有的合金可以實(shí)現(xiàn)雙程形狀記憶效應(yīng)， 有的可以實(shí)現(xiàn)全方位形狀記憶效應(yīng)，還有的可以實(shí)現(xiàn)逆向形狀記憶效應(yīng),這些都 為形狀記憶合金的

5、應(yīng)用開拓了更廣闊的前景。1981年，中國(guó)骨科學(xué)和骨科生物 力學(xué)專家，中國(guó)工程院戴剋戎院士在國(guó)際上首先將形狀記憶合金制品用于人體內(nèi) 部，發(fā)明了一系列骨科固定器和假體，獲得國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)和上海市首屆發(fā)明家 稱號(hào)，在國(guó)際形狀記憶合金學(xué)術(shù)會(huì)議上被授予“形狀記憶合金醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠基人金 杯”在1999年國(guó)際形狀記憶合金年會(huì)專家公認(rèn)美、日、中分別以形狀記憶合金 在航空航天、日用產(chǎn)品、醫(yī)療器械的應(yīng)用為代表處于國(guó)際形狀記憶合金的前沿領(lǐng) 域。形狀記憶合金在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用臨床上用的最普遍的是竦鈦(NiTi)形狀記憶合金(SMA)，簡(jiǎn)稱NTSMA。 NT-SMA是集耐磨、耐腐蝕、形狀記憶效應(yīng)偽弱性和聲阻尼等性能于一體的

6、新材 料，有熱彈力型的馬氏體變態(tài)，有種種難以想象的性質(zhì)。即用記憶處理，使之變 為另外的形狀，如在加熱到一定溫度時(shí)，可以完全恢復(fù)到使其記憶的原來狀態(tài)， 即具有形狀記憶效應(yīng)。這種奇怪的現(xiàn)象是1963年美國(guó)的海軍軍械部實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn) 的。產(chǎn)生這種形狀記憶的溫度，可由變更竦的濃度，添加微量的鐵、鉆等而下降 到所需要的溫度。這種形狀記憶合金效果，除NiTi合金以外，Gu-Zn、Gu-Al-Ni、Ag-Cd等合 金也有此性質(zhì)，因這些都是附帶馬氏體變態(tài)而顯示形狀記憶效果的，故把這些合 金稱為馬氏體記憶，簡(jiǎn)稱Marmen合金，因這些SMA的生物相容性差，故臨床上 很少應(yīng)用。SMA經(jīng)過特殊的工藝處理，具有單向或雙向

7、記憶功能。所謂單向記憶 功能，是在低溫時(shí)給合金制品一定的變形，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，它又會(huì)恢復(fù)發(fā)哦 原先定型的幾何形狀。雙向記憶，則是在高、低兩種交替變化時(shí)，合金制品在兩 種設(shè)定的形狀中自動(dòng)變化。目前，在醫(yī)學(xué)上TiNi合金主要應(yīng)用有：(a)牙齒矯形絲用超彈性TiNi合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其 中用超彈性TiNi合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲CoCr合金絲， 但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點(diǎn)。為了給出適宜的矯正力，在矯正 前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用TiNi合金作牙齒矯形絲， 即使應(yīng)變高達(dá)10%也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變 (stress-i

8、nduced martensite)使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)矯正 力波動(dòng)很少。這種材料不僅操作簡(jiǎn)單，療效好，也可減輕患者不適感。(b)脊柱側(cè)彎矯形各種脊柱側(cè)彎癥(先天性、習(xí)慣性、神經(jīng)性、佝僂病 性、特發(fā)性等)疾病，不僅身心受到嚴(yán)重?fù)p傷，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以有必 要進(jìn)行外科手術(shù)矯形。目前這種手術(shù)采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術(shù)中安放 矯形棒時(shí)，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在3040kg以下，一但受力過大， 矯形棒就會(huì)破壞，結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險(xiǎn)。同時(shí)存在矯 形棒安放后矯正力會(huì)隨時(shí)間變化，大約矯正力降到初始時(shí)的30%時(shí)，就需要再進(jìn) 行手術(shù)調(diào)整矯正力，這樣給患

9、者在精神和肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶 合金制作的哈倫頓棒，只需要進(jìn)行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有 變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高5C，就能恢復(fù) 足夠的矯正力。另外，外科中用TiNi形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器 以及血管擴(kuò)張?jiān)?。同時(shí)還廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝 膽科、泌尿科、婦科等，隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。形狀記憶合金的發(fā)展趨勢(shì)及展望記憶合金的產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開基礎(chǔ)及應(yīng)用研究的有力支撐，未來記憶合金的材 料研究將向高溫、低溫、寬滯后、窄滯后、雙程、全程、磁控響應(yīng)、色調(diào)記憶等 方向發(fā)展；工藝研究將向低成本、高質(zhì)量、多品種的目標(biāo)邁進(jìn)，開發(fā)研制憶合金 多孔材料、薄膜、超細(xì)絲、纖維等具有全新用途的功能材料。記憶合金元件的小 型化、智能化、大型化是元件設(shè)計(jì)的不同方向。隨著應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展， 我國(guó)記憶合金的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，記憶合金 生產(chǎn)成本也相應(yīng)的有了很大程度的降低，原本因?yàn)閮r(jià)格因素而局限應(yīng)用于軍工、 醫(yī)療和高檔民用領(lǐng)域產(chǎn)品的記憶合金得以在更多的領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用，這 給記憶合金的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的機(jī)遇?？梢灶A(yù)見的是，記憶合金絲棒板材、醫(yī) 用產(chǎn)品、緊固連接件、解鎖驅(qū)動(dòng)件和智能復(fù)合材料等方面將是今后記憶合