形状记忆合金在医学上的应用

论文名：
形状忆合金在医学上的应用
学院：材料与化工学院
专业：金属材料工程
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内容摘要形状记忆合金的研究是近几年工程技术界颇为关注的一项
高新尖技术，其在航空航天、机械电子、工程建筑、医学医疗等相关领域已取得了一些应用性研究成果.本文介绍了形状记忆合金特点、功能、以及在现代医学中的研究与应用的现状与发展趋势.
关键词形状记忆合金医学领域
1.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。

2.形变记忆合金
2.1形状记忆合金概念
形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA），简称记形合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。

2.2形状记忆合金的功能机理
形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。

当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。

而当合金在高于相变态温度下，施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或超弹性（Super Elasticity）。

这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

2.3形状记忆合金的分类
形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：（如图）
1.单程记忆效应（1-way）：
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。

2. 双程记忆效应（2-way）：
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。

3.全程记忆效应：
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。

2.4形状记忆合金体系
迄今发现的记忆合金体系有Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

3.形状记忆合金在现今医学的应用
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
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[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。