形状记忆合金在医学领域的应用

形状记忆合金在医学领域的应用

1.形状记忆合金的特性

1.1形状记忆合金的结构特性

形状记忆效应(Shape memory effec,t SME)是由于马氏体相变而产生的。具有热弹性(半热弹性)或应力诱发马氏体相变(Stress inducedMartensitic

trans-formation, SIM)的形状记忆合金(Shape memory al-loys, SMAs),在马氏体状态下进行一定限度的塑性变形,则在随后的加热过程中,当温度超过马氏体逆相变温度时,材料就能恢复到变形前的体积和形状。

1.2形状记忆合金的分类

形状记忆合金主要分为Ti-Ni基、Cu基及Fe基形状记忆合金。前两种合金主要为热弹性形状记忆合金,Fe基形状记忆合金为半热弹性形状记忆合金,其中用于医学领域的 TiNi 形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。

形状记忆效应主要分为：单程记忆效应，双程记忆效应和全程记忆效应。

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

2.形状记忆合金的发展

首次被发现并公开报道某些合金中具有形状记忆效应这一现象的发现，可以追溯至1938年，美国哈佛大学的A.B.Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变,即在加热与冷却过程中，马氏体会随之收缩与长大。1918年前苏联学者Kerdjumov曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变。1951年张禄经和T．A．Read报道了原子比为1∶1的CsCl 型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变。数年后．T．A．Read又和M．W．Burkard在InTi合金中发现了同样纳可逆相变。一直到20世纪60年代初，这种观察到的形状记忆效应只看作是个别材料的特殊现象。甚至在1958年布鲁塞尔国际博览会上展出过用AuCd合金制作的重物升降机，都未引起足够的注意。

1963年，美国海军武器实验室W.J.Buchler等人在等原子比NiTi合金中发现了形状记忆效应后，才引起人们的重视，从此形状记忆合金进入了研究和应用的新阶段。到1975年左右，全世界相继开发出具有形状记忆效应的合金达20

多种。近几年在不少铁基合金、尤其是FeMnSi基合金和不锈钢中也发现了形状记忆效应。1980年,世界规模的研究发现,有的合金可以实现双程形状记忆效应,有的可以实现全方位形状记忆效应,还有的可以实现逆向形状记忆效应,这些都为形状记忆合金的应用开拓了更广阔的前景。1981年，中国骨科学和骨科生物力学专家，中国工程院戴尅戎院士在国际上首先将形状记忆合金制品用于人体内部，发明了一系列骨科固定器和假体，获得国家发明二等奖和上海市首届发明家称号，在国际形状记忆合金学术会议上被授予“形状记忆合金医学应用奠基人金杯”在1999年国际形状记忆合金年会专家公认美、日、中分别以形状记忆合金在航空航天、日用产品、医疗器械的应用为代表处于国际形状记忆合金的前沿领域。

3.形状记忆合金在医疗领域的应用

临床上用的最普遍的是镍钛（NiTi）形状记忆合金（SMA），简称NT—SMA。NT—SMA是集耐磨、耐腐蚀、形状记忆效应伪弱性和声阻尼等性能于一体的新材料，有热弹力型的马氏体变态，有种种难以想象的性质。即用记忆处理，使之变为另外的形状，如在加热到一定温度时，可以完全恢复到使其记忆的原来状态，即具有形状记忆效应。这种奇怪的现象是1963年美国的海军军械部实验室发现的。产生这种形状记忆的温度，可由变更镍的浓度，添加微量的铁、钴等而下降到所需要的温度。

这种形状记忆合金效果，除NiTi合金以外，Gu-Zn、Gu-Al-Ni、Ag-Cd等合金也有此性质，因这些都是附带马氏体变态而显示形状记忆效果的，故把这些合金称为马氏体记忆，简称Marmen合金，因这些SMA的生物相容性差，故临床上很少应用。SMA经过特殊的工艺处理，具有单向或双向记忆功能。所谓单向记忆功能，是在低温时给合金制品一定的变形，当环境温度升高时，它又会恢复发哦原先定型的几何形状。双向记忆，则是在高、低两种交替变化时，合金制品在两种设定的形状中自动变化。

目前，在医学上 TiNi 合金主要应用有：

(a)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-induced martensite)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。

(b) 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。

另外，外科中用 TiNi 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。

4.形状记忆合金的发展趋势及展望

记忆合金的产业发展离不开基础及应用研究的有力支撑，未来记忆合金的材料研究将向高温、低温、宽滞后、窄滞后、双程、全程、磁控响应、色调记忆等方向发展；工艺研究将向低成本、高质量、多品种的目标迈进，开发研制忆合金多孔材料、薄膜、超细丝、纤维等具有全新用途的功能材料。记忆合金元件的小型化、智能化、大型化是元件设计的不同方向。随着应用研究和产业的不断发展，我国记忆合金的技术水平、产品质量、生产规模都取得了长足的进步，记忆合金生产成本也相应的有了很大程度的降低，原本因为价格因素而局限应用于军工、医疗和高档民用领域产品的记忆合金得以在更多的领域得到更为广泛的应用，这给记忆合金的产业发展提供了新的机遇。可以预见的是，记忆合金丝棒板材、医用产品、紧固连接件、解锁驱动件和智能复合材料等方面将是今后记忆合金产业化发展的趋势。

参考文献

[1]缪卫东我国形状记忆合金应用现状及发展趋势新材料产业NO.5 2008

[2]李冰形状记忆合金材料发展动向金属世界 2005 第二期

[3]曹运红形状记忆合金的发展及其在导弹与航天领域的应用飞航导弹2000第十期

[4]崔迪等形状记忆合金在土木工程中的研究与应用进展防灾减灾工程

学报第25卷第1期