形状记忆合金在医疗领域上的应用

*王梓涵

(陕西省西安中学 陕西 710000)

形状记忆合金在医疗领域上的应用

*王梓涵

(陕西省西安中学 陕西 710000)

形状记忆合金是一种可以通过加热升温完全消除其在较低温度下的变形,恢复原始形状的合金材料.这种合金在高温母相状态下还拥有quot;超弹性quot;特点,表现为可承受比一般金属大几倍甚至十几倍的可恢复应变.形状记忆效应和超弹性效应是形状记忆合金的两大特性.由于其特殊的变形行为,以及良好的生物相容性,形状记忆合金已经被开发成各种医疗器械,在医疗领域拥有广阔的应用前景.

形状记忆合金;形状记忆效应;超弹性;医疗

环顾我们的周围,各式各样的金属材料无处不在,从金属毛坯加工成形状各异金属产品,要经过无数次的变形.通常我们理解的金属加工变形,比如大型机械的轧制、金属丝的拉拔、金属片的冲压甚至还有人工的造型,都是属于外力变形--通过施加一个接触的外力,让金属产生变形.而有一种智能金属材料可以不通过外力,甚至不通过接触就可以产生变形.这种金属材料叫做形状记忆合金,它是通过改变环境温度而产生变形的.

形状记忆合金随温度的变化而产生的变形不是任意的.首先需要在一定的高温环境下加工定形,再冷却到低温,然后在一定范围内任意变形,之后给合金加热.当第二次达到初始的高温时,合金就会恢复初始形状,即随着温度发生了特定方向的变形.这就是形状记忆合金.根据形状记忆合金的特点,应用在临床植入治疗上,可以将形状记忆合金器械植入前低温变形,缩小体积,植入后通过热敷恢复形状,极大地方便了治疗过程,减小病人痛苦.另外,形状记忆合金的超弹性更使其在医疗领域发挥了不可替代的作用.

1.形状记忆合金的行为原理

想要了解形状记忆合金如此神奇的原因,首先要理解固态相变.对于金属来说,在它固态的状态下,可以发生从一种固态到另一种固态的转变.每一种固态叫做一种固相,这种转变就是固态相变.固态相变大都是由温度诱发的,可以理解为在金属的整个固态温度区间,又分为几个不同固相温度.固态相变实际情况比较复杂,这里针对形状记忆合金,简单将它的固态相变理解为高温相(母相)与低温相(马氏体相)之间的转变.需要说明的是,这里的高温低温是相对某个特定的材料而言的,并不以大气温度为标准.

形状记忆合金在低温情况下,会形成独特的热弹性马氏体,这就是形状记忆合金神奇的原因.我们做个试验:将普通金属和形状记忆合金在高温母相状态下都加工成特定形状,然后降温使母相全部转变为马氏体相(普通金属只能形成一般马氏体相),施加外力将两种材料变形,最后升温.会发现普通金属的变形毫无变化,而形状记忆合金随着温度的升高逐渐恢复母相时的初始形状.这就是因为在低温时,形状记忆合金中热弹性马氏体的形变是一种遵循特殊规律的形变,宏观的形变过程并没有使热弹性马氏体发生永久的变形,它只是改变了形态,并且这种形态可以通过升温完全可逆地恢复.这就是形状记忆效应.

而形状记忆合金的超弹性效应也完全源于热弹性马氏体.在高温母相状态下,温度不变,对形状记忆合金进行拉伸.一般金属在超过某个力后会产生永久变形,而形状记忆合金在受力时,会引发母相到热弹性马氏体相的转变(这说明有些特殊的固态相变不仅仅可以通过温度诱发,还可以通过外力诱发),由于这个外力诱发的热弹性马氏体相变,使形状记忆合金可以产生持续的伸长,并且在外力撤销后可以完全恢复无变形.所以叫做超弹性效应.

2.形状记忆合金的发展与现状简述

1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,引起了材料科学界与工业界的重视.1971年George B. Andreasen将TiNi合金用于医疗器械领域用作口腔正畸丝材,开启了形状记忆合金在医疗应用的大门.TiNi形状记忆合金具有优异的耐腐蚀性、生物相容性、无磁性、低的弹性模量和良好的综合力学性能,非常适合于人体硬组织和骨的修复及替代.现阶段几乎所有的形状记忆合金医疗器械都是使用TiNi记忆合金.

3.形状记忆合金在医疗领域上的应用

(1)形状记忆合金在骨科治疗中的应用

俗话说quot;伤筋动骨一百天quot;,骨骼是人体的支撑,骨头坚硬、承受力大,但是一旦受损不易恢复,恢复过程中固定困难.国内外学者对骨折的医疗方法和医疗器械进行了大量的研究,但是很长一段时间没有突破,对于重大骨折伤病手术失败率高,造成骨不连、股骨头缺血坏死,并发褥疮,肺炎死亡者常见.形状记忆合金制作的医疗器械很大程度上改善了这一情况,可把骨骼的折断部分拉在一起,保证准确的连接并促进其迅速钙化,大大缩短了治疗时间,极大地缓解了患者的痛苦.

将形状记忆合金器械植入人体前,先将植入物置于消毒冰盐水中,然后取出按照传统方法处理骨折部位,处理完毕后用温水热敷植入部位,使形状记忆合金恢复原状,对骨折部位起到连续加压固定作用.形状记忆合金骨科内定器械存在着操作简便、能持续自加压及适用范围广的优点,使其成为应用最广、需求量最大的一类器械.TiNi记忆合金的弹性性能介于人体的头发和肌腱之间,接近于骨骼的弹性,与生物活体一样具有很大的弹性变形量.

形状记忆合金在骨科治疗中的应用可以大体上分为两类,一类是主要应用形状记忆合金的固定作用,即借助形状记忆合金恢复后的形状来固定伤骨;另一类主要应用形状记忆合金的加压作用,即利用了形状记忆合金恢复形状过程中稳定输出的压力,而不关心最终恢复的形状.固定作用的形状记忆合金主要应用在粉碎性骨折类伤病上,可以在内部稳定的将破碎的骨骼聚拢在一起,促进钙化恢复.比如形状记忆合金加压骑缝钉、quot;Yquot;型钉、形状记忆合金人工股骨头杯、形状记忆合金螺钉等等.加压作用的形状记忆合金医疗器械应用更为广泛,这种器械的最大的优点是代替了传统的体外加压或者体内一次性加压,可以将形状记忆合金器械像弹簧一样放置在体内,精准、稳定持续的加压.比如形状记忆合金弓形加压接骨器、形状记忆合金聚髌器、脊柱校正棒、飞蜓式骶骨重建器等等.

(2)形状记忆合金在人体管道治疗中的应用

以人体骨骼建立起的构架为基础,人体的各个器官在在肌肉的保护下分布在各个部分,这些器官的共同协作离不开全身的输送工--人体管道.这些大大小小的管道是我们身体内的搬运工,人体管道的健康程度直接决定了我们身体机能能否正常工作.然而现状不容乐观,据权威统计,2～3成的65岁以上的老年人患有外周血管疾病,并且死亡率高.以往所用的支架大多为不锈钢所制,由于材料本身的局限性,支架置入和取出复杂,需要频繁更换,不能永久放置以免产生结石,大大降低了治疗的成功率,增加了治疗成本和病人的痛苦.

形状记忆合金用于人体管道的治疗大大改善了这一现状.通常将记忆合金支架高温定形后,放于冰盐水中改变形状减小体积,以便操作手术.植入体内后,在管道中注入38～41℃的热盐水,使支架恢复性状达到使用效果.形状记忆合金支架具有形状记忆、超弹、耐磨、耐腐蚀等特性,支架可以长期放在肉芽、瘢痕化的管道部位,不引起严重的炎症反应和刺激症状,无分泌物附着和肉芽组织增生造成阻塞的情况.支架表面光洁,无位移及变形,显示了良好的生物相容性.另外可以在支架表面覆盖医用硅橡胶,使其具有良好的透气性.

由于其独特的优势,形状记忆合金支架在管道中的应用越来越广泛.血管支架用于动脉血管梗塞或狭窄的治疗;消化道支架治疗狭窄性疾病和穿孔或瘘形成疾病;食道支架用于由于恶性肿瘤或食道癌等原因引起的食道、贲门狭窄等扩张治疗.另外在前列腺、气管、胆道等等方面也有广泛的应用.

(3)形状记忆合金在牙科治疗中的应用

随着人们对身体健康的重视程度越来越高,牙齿健康可以说是受到了全民的关注.随着人们对面部美观的要求越来越高,矫正牙齿的青少年越来越多,既达到了美观的效果,又防止了因牙齿错乱引发的疾病.

牙齿矫正器是利用生物力学原理来对牙合畸形的牙齿进行矫治,通过矫正系统施以温和而持久的生物力,慢慢地使牙齿移动,让牙齿恢复到正常位置,将牙齿排列整齐.用超弹性TiNi合金丝代替不锈钢丝做的牙齿矫正丝,克服了普通不锈钢合金丝弹性模量高,弹性应变小的缺点.用TiNi合金作牙齿矫形丝,即使应变高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线型特性,即应变增大时矫正力波动很少.TiNi合金矫正丝在治疗过程中不必经常更换,由于工作范围大,金属丝只要少量调整即可,能减轻患者的不适感,缩短治疗时间.

4.展望与总结

随着我国人口老龄化加剧和人民生活及收入水平的提高,在植入人体支架等金属生物材料医疗器械的生产和消费数量的迅速增加,使具有独特而优异综合物理性能和使用性能的TiNi形状记忆合金医疗制品具有更广阔的市场前景.目前医生对记忆合金的体内植人仍持慎重态度,对其优良的医疗性能仍比较陌生.因而介绍和推广形状记忆合金,普及其科学知识具有现实和深远的实际意义.

[1]文凡.形状记忆合金及其应用[M].中国科学技术大学出版社,1993.

[2]王辉,陈再良.形状记忆合金材料的应用[J].机械工程材料,2002,26(3):5-8.

[3]李君涛,袁志山.形状记忆合金在医疗器械领域的应用前景分析[J].新材料产业,2014(5):10-13.

[4]贾如宝.镍钛(NiTi)形状记忆合金与外科医疗[J].金属世界,1996(1):23-24.

[5]贾如宝.TiNi形状记忆合金在外科医疗中的应用[J].钛工业进展,1995(4):28-32.

[6]刘晓鹏.NiTi形状记忆合金的超弹性及医学应用研究[D].大连理工大学,2008.

王梓涵(2000-),女,陕西省西安中学;研究方向:化学.

Application of Shape Memory Alloy in Medical Field

Wang Zihan
(Xi' an Middle School of Shaanxi Province, Shanxi, 710000)

Shape memory alloy is a kind of alloy material that can completely eliminate its deformation at lower temperature and restore the original shape by heating up. The alloy also has quot; super - elasticityquot; in the state of high temperature, which can withstand a few times or even more than ten times recoverable strain than general metal. Shape memory effect and super elasticity are two characteristics of shape memory alloy. Because of its special deformation behavior and good biocompatibility, shape memory alloy has been applied into a variety of medical devices, and has a broad application prospect in the medical field.

shape memory alloy;shape memory effect;super elasticity;medical.

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