记忆合金医学中的作用Word文档格式.docx

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本文主要介绍部分最新NiTi记忆合金在医学中的应用。

AbstractShapememoryalloyisakindoffunctionalmaterials,besidesthanhighstrength,wearresistance,corrosionresistance,non-magnetic,goodbiocompatibility,alsohasastrangeshapememorypropertiesandproperties.Itiswidelyusedinaerospace,communications,medical,automaticcontrol,instrumentsandmeters,pipeconnection,glassesinmanufacturingaswellasindailylife.NITIalloyhasbeenwidelyusedinmedicine,isamongthemoreprominentintheapplicationoflimb,repairdamagedtissue.Themainresearchdirectionforthebionic,providepatientswithprosthetic,andsoon.ThispapermainlyintroducessomelatestNITImemoryalloyapplicationinmedicine.

关键词NiTi记忆合金医学MemoryalloyBiomedical

前言

在人类文明发展史上，材料是科学技术进步的重要支柱，也是社会进步的物质基础。

在科技日新月异的今天，新材料更是高科技发展的先导。

形状记忆合金正是新科技领域的一朵奇葩，正在灿烂的绽放。

1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"

记忆"

效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"

神奇的功能材料"

。

1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍-钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。

后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。

这一类合金被称为形状记忆合金。

每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；

在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。

1969年，镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。

人们采用了一种与众不同的管道接头装置。

为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。

美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钦合金接头，从未发生过漏油、脱落或破损事故。

1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。

这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢?

就是用一种形状记忆合金材料，先在其转变温度以上按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。

放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球。

科学家在镍-钛合金中添加其他元素，进一步研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金；

除此以外还有其他种类的形状记忆合金，如:

铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金（Fe-Mn-Si,Fe-Pd）等。

而今形状记忆合金以应用到我们生活的各个领域，正在改变着我们的生活。

一、机制

早在20世纪30年代，人们在实验中发现了CuZn合金在加热与冷却过程中，马氏体会出现收缩与长大的现象，这就是合金的形状记忆效应最基本的特征。

在近十几年中，NiTi合金以其特有的形状记忆效应和超弹性以及良好的生物相容性、耐腐蚀性等特性成为了医用生物材料的一个生力军。

生物医用材料包括天然生物材料、生物陶瓷材料、生物高分子材料和生物金属材料，针对不同的性能特点，需要适当选择应用。

它们的主要性能特点是：

天然生物材料：

生物相容性和生物活性较好，与生物体本身性能相互匹配，但取材有限。

生物陶瓷材料：

有一定的生物相容性，硬而脆，具有很高的弹性模量，在骨科应用中机械性能的不足使其很难胜任一些承重骨的修复或替代的需要。

生物高分子材料：

生物相容性和生物活性较好，机械性能低是主要的缺陷，大大限制了高分子材料在生物医学领域的应用。

医用金属材料：

相比之下生物活性较差，强度、硬度等综合机械性能优秀。

NiTi合金和传统医用金属材料（如不锈钢）相比，它具有独特的形状记忆效应和超弹性，同时较低的弹性模量是其不可比拟的优势，弥补了大多数金属材料柔顺性和力学相容性方面的不足，使得NiTi合金在医用领域的应用得以快速发展。

此外，NiTi合金作为形状记忆合金：

（1）形状记忆效应和超弹性最理想且最稳定；

（2）具有相对良好的生物相容性；

（3）马氏体相变温度可以控制在10—100摄氏度之间，在医用上常常将其控制在体温附近或略高于体温。

二、原理

2.1形状记忆效应

形状记忆效应的定义为对某些具有热弹性马氏体相变的合金材料，在马氏体状态下进行一定限度的变形，随后进行加热，使马氏体发生逆相变直至马氏体完全消失，同时材料的形变完全恢复。

一些形状记忆合金经过一定训练后还能够得到双程形状记忆效应。

近等原子比的NiTi合金的形状记忆可恢复形变最大可达9％--10％。

多晶的单程记忆效应的可恢复应变达8％；

双程记忆效应可恢复应变为2％，并存在温度滞后。

当应变小于1％时，双程记忆循环次数可达几百万次。

在临床应用中，利用NiTi合金的形状记忆特性，控制合金的相变温度在体温附近（36℃）或略高于体温，使其在植入人体后自动或用生理盐水加热后恢复预定形状并固定在原位，大大减少手术复杂程度和病人的痛苦。

低温下的形状记忆合金

2.2超弹性

所谓超弹性是指奥氏体状态下的试样在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象，多晶合金的超弹性可达8％左右，单晶最大则可达10．7％左右。

在介入医疗领域有超过80％的产品利用的是NiTi合金的超弹性，它使得合金支架或合金丝具有良好的柔顺性，可以与柔软且复杂的人体内管道很好的贴合。

2.3弹性模量

NiTi形状记忆合金相对于其他的医用金属材料有较低的模量，更接近骨骼的模量，这一优点提高了它与骨骼的力学相容性，可以避免传统金属材料在植入后的应力遮挡效应从而不易造成骨骼疏松现象。

2.4疲劳

若NiTi形状记忆合金需要长期植入人体，则必须考虑诸如形状记忆性能的衰退等疲劳的问题，这一点可以通过形变恢复能力的变化来表征。

形状记忆合金在高循环次数下可恢复应变明显降低。

循环软化后NiTi合金仍能保持5％的超弹性形变。

贺志荣等实验发现合金在应力应变循环初期应变恢复率的衰减比较明显，如果对材料进行一定的预应变循环（100次）会提高材料的工作稳定性。

然而，作为生物植入体而言，材料的疲劳不仅体现在长期的交变应力的作用，更重要的是在生物环境中如在体液、血液等腐蚀介质与应力的双重作用下的腐蚀疲劳。

生物环境下材料所承受的应力通常是不规则和无法预测的，因而这方面的研究还有待进一步的开展。

2.5磨损

在用NiTi合金制作关节假体或骨替代材料时，需要考虑到合金的耐磨损性能，因为合金不同于活体材料无法进行自我修复，且摩擦产生的碎屑会损伤人体。

NiTi合金的超弹性使材料具有较好的耐磨性。

当磨粒与合金接触时，由于合金具有较大的弹性应变值足以抵消磨损时的挤压应变，因而在分离时材料可以完全恢复原来的形状和尺寸。

Green研究了喷丸处理对合金表面显微硬度和摩擦系数的影响，发现喷丸处理使NiTi表面受到大量塑性变形，大大提高了表面的硬度。

2.6腐蚀

经过大量的实验发现NiTi合金具有较好的抗腐蚀性。

生物体液对金属材料有一定的腐蚀作用，而Ni离子又是一种具有毒性的离子，所以NiTi合金用于人体最大的问题是合金受到腐蚀后有可能释放出有毒的Ni离子。

而且在人体中并非绝对的处于中性状态，一些局部的酸性容易造成金属植入物的腐蚀。

目前仍存在少数NiTi合金在人体内受到腐蚀的实例，因而一些研究中提出表面氧化后形成的TiO氧化膜能有效提高材料的抗腐蚀能力。

不同的生物环境及材料本身的表面状态和微结构是材料腐蚀行为的决定因素。

2.7血液相容性

血液相容性是指医用材料与血液接触后，产生符合要求的生物学反映和起有效作用的性能。

判断一种医用材料的血液相容性，通常从抗凝血能力和不损伤血液成分和功能两方面来考虑。

大多数金属材料的血液相容性都比较差，因为带有正电性的表面容易吸附负电性的血液组元，从而引起如血栓等不良反应，因而材料表面结构是决定血液相容性的关键因素。

通过表面改性可以大大提高NiTi合金的血液相容性。

表1.NiTi记忆合金主要应用

三、应用

3.1形状记忆合金螺钉在骨科医学上的应用

NiTi形状记忆合金螺钉是治疗新鲜股骨颈骨折的新型医用产品经临床应用150例病历考验，疗效很好于1992年6月通过专家鉴定，达到国内外先进水平。

近年来，形状记忆合金在医学领城的应用越来越多，研究的内容也更加广泛。

该螺钉研制成功是骨科医学的又一成果。

该螺钉治疗的疾病是老年人的多发病和常见病，也有因事故、车祸等造成的骨折。

按以往常规方法治疗，患者因术后长期卧床而引起严重并发症而死亡国内外学者虽研究许多内固定方法，但均未得到满意的效果。

NiTi记忆合金螺钉研制成功，完全解决了这一骨科难题。

该螺钉具有灵敏的记忆性能，其恢复力为6--7kg，抗应力值过20kg。

在人体内部，螺钉端部成张开趋势以保持对周围骨组织压力和对骨折端持久的加压作用使骨折处紧密接触，加快骨折愈合。

手术简便可靠固定牢固骨折愈合快（比常规方法提前2/3），病人下地活动早（比常规方法提前5/6）。

因而避免了患者因长期卧床而引起的肺炎、褥疮以及股骨头缺血坏死等并发症。

该螺钉除具备医学需要的特性之外，还具有独特的形状记忆效应。

在医学界具有其他材料无法比拟的优越性，能够解决其他材料无法解决的医学难题。

这些特性已逐渐被医学界认识和接受，今后定会更广泛和深人地发展。

3.2医用多孔NiTi合金

多孔NiTi合金具有形状记忆效应超弹性体积记忆效应低密度低弹性模量和适当的强度等优点且多孔结构使植入物的固定更可靠利于人体体液营养成分的传输而缩短病人的康复期使其成为骨关节等硬组织替换材料的研究热点之一。

目前主要采用粉末冶金法制备多孔ＮｉＴｉ合金包括常规真空烧结法、热等静压法和自蔓延高温

合成法。

3.3NiTi记忆血栓器

目前医学上的液体栓塞剂和固体栓塞器都有较严重的缺点。

医学界迫切需要一种在导管内摩擦系数小、不受导管口径限制、没有返流误栓和不损伤靶血管的栓塞器并且能达到及时、有效、安全地栓塞动脉血管的目的。

为此我们设计了由扩卡部、螺体和螺尾三部份组成或两个扩卡部组合而成的栓塞器,称为海螺形或螺旋球形记忆血管栓塞器

该记忆血管栓塞器应具有双向记忆效应,在低温（4--15℃）下,海螺形或螺旋球形血管栓塞器呈近直线形或大波浪形弹簧状,将它穿入导丝内芯后都呈直线形弹簧状,在X线电视监视下能顺利地导入到动脉血管,在血温（36--37℃）作用下呈直线形的记忆血管栓塞器就回复到所设计的海螺形或螺旋球形。

3.4牙齿矫形丝

用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性TiNi合金丝是最适宜的。

通常牙齿矫形用不锈钢丝CoCr合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。

为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。

如果用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（stress-inducedmartensite）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。

这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。

3.5脊柱侧弯矫形

各种脊柱侧弯症（先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等）疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。

目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。

同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正力降到初始时的30%时，就需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。

采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。

如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。

四、结束语

NiTi合金所具有的特殊性能，使它具有广泛的用途。

较低的弹性模量适合用做骨科的修复和替代材料，非线性的超弹性可以在外科矫形过程中提供恒定且平稳的矫正力，良好的生物相容性使它在介入医疗领域得到广泛应用，独特的形状

记忆效应适合用来做智能元件。

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