镍钛记忆合金应用

材料科学与工程学院《材料学科前沿》文献综述

题目：钛镍记忆合金在医学领域的应用

学生姓名：张鑫利

学号： 090601210

专业：金属材料工程

评阅教师：

2012年4 月

钛镍记忆合金在医学领域的应用

摘要：目前镍钛形状记忆合金研究论文数目已居马氏体相变研究领域之首, 而且该材料的应用已涉及诸如电子、机械、医疗、能源、宇航、及日常生活等领域,显示出强劲的发展势头。近几年来，在国内外掀起了钛镍合金临床推广应用的高潮。

关键词：钛镍形状记忆合金；基本性质；医学应用

前言

钛镍形状记忆合金作为一种集感知和驱动为一体的新型功能材料,是智能材料结构的重要组员[1],具有重要的理论及应用研究价值。钛镍形状记忆合金是一种强度高、耐腐蚀、生物相容性好、无毒、有医学应用前景的功能性材料它在低温相变形后，只需稍加20 ~300℃的温度就能恢复母相所记忆的形状，其伸缩率在20%以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，具有一般金属无法想象的性质。因此，普遍应用于口腔科和骨科等诸多医学领域。近些年来，钛镍记忆合金在治疗各类骨折中更是有着无可取代的重要作用。下面我将介绍钛镍形状记忆合金的基本特性及在医学中的应用。

1、钛镍记忆合金的生物相容性

生物相容性是形状记忆合金能否用于人体的最重要因素[2]。生物相容性良好的材料在生物体内不会引起过敏反应,不会释放任何离子到生物体的血液中去;在生物体长久存在而不会发生有害反应。生物相容性和材料表面特性与生物体炎症及过敏反应密切相关。许多因素,如患者健康情况、年龄、免疫状态和材料特性(表面粗糙性、孔隙率、元素毒性)等都可影响人体炎症及过敏反应。为了评价镍钛形状记忆合金的生物相容性,防止应用后对机体产生危害,许多研究对形状记忆合金的每一种元素进行了分析测试。

镍虽然是生命所必需的微量元素,但却有剧毒。研究证实,长期接触镍可引起贫血、慢性鼻炎、鼻窦炎、鼻咽癌和肺癌等,或因接触而患接触性皮炎。钛及其化合物具有良好的生物相容性和力学特性, 常用于牙科和骨科的内植物。钛的氧化反应可产生一层无,包绕在材料周围。这层氧化层能有效地抵御对钛合金的侵蚀,并且对人体是毒的Ti O

2

无害的。侵蚀分析实验到证实,镍钛合金在生理盐水中易发生侵蚀改变,但抗腐蚀能力高于不锈钢[3]。总体上,镍钛形状记忆合金有良好的生物相容性。

2钛镍记忆合金在骨科医学上的应用

1981年9月,形状记忆合金的第一种骨科内固定器材——加压骑缝钉应用于治疗髌骨骨折[4]。此后,一系列由形状记忆合金制成的骨科内固定物应用于临床。

2.1钛镍形状记忆合金环抱接骨板治疗四肢管状粉碎性骨折

近十年来，TiNiSMA环抱接骨板广泛应用于临床,其不仅具有耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等特点，而且具有良好的生物相容性和低生物蜕变性，良好的抗弯和抗扭转作用。抗弯性能及抗扭转能力与接骨板相仿，但在压载负荷下的应力遮挡作用明显低于接骨板，是普通不锈钢接骨板的四分之一，可减少因应力遮挡所致的骨质废用性萎缩和再骨折。从力学性能看，其抗扭转能力明显强于髓内针，可有效防止旋转移位，不破坏髓内血供和骨内膜，有利于促进骨愈合和减少固定后骨质疏松。无论是实验和临床观察，均发现骨折部于环抱内固定后有较多外骨痂形成，说明骨折部仍然存在微动，因而骨折的愈合方式为典型的二期愈合，这种二期愈合在时间上和质量上均不比一期愈合差[5]。

2.2聚髌器

髌骨骨折是较常见的关节内骨折。聚髌器取厚为1.5 ~2mm 的钛镍合金板材，制由1或2个髌底功能爪枝，一个连接腰部和2或3个髌尖功能爪枝。聚髌器的功能爪枝与腰部均在一定限度内小于与髌骨所对应的解剖弧度，形成做功弧差髌底功能爪枝的端部呈直角钩状，是嵌入髌底部骨质的固定钩髌尖功能爪枝的端部呈弧状钩，是钩住非关节面的髌尖下缘的固定钩本器的形状恢复温度为28~33℃。本器能从5~9个方向，分别向髌体中心近关节面部持续地，以纵向为主地向骨断端施加聚合加压力（2328kg），与此同时，此力又能足以对抗股四头肌的强大拉应力临床结果表明，使用本器，作简单，省时省力，有些病例可在局麻下完成手术便于推广应用一般病例无须外固定，有利于患者早期活动。本器适用于任何类型的髌骨骨折，尤其对严重粉碎性骨折亦可达到内固定的要求，不必采用部分或全髌切除术。

2.3脊柱矫形棒

短期内,该椎体钉对脊柱侧凸手术矫形可应用形状记忆合金棒，可利用体温使矫形棒始终保持一定的矫形力，手术一次就可成功。应用形状记忆合金棒矫形的最大特点是：可将形状记忆合金棒固定于每个椎板棘突上，使作用力分散且作用力温和，不易发生骨

折，术后无需石膏固定；当加温后，利用形状记忆合金棒的恢复力，使脊柱侧凸矫正到一定曲度，由于脊柱残留曲度的限制，形状记忆合金棒仍未恢复到原直线形状，则该棒对脊柱仍然持续产生矫形力。

3钛镍记忆合金在其他医学方面的应用

3.1矫正丝

通常牙列矫正丝等多采用不锈钢和Co-Cr 合金丝来制作的，但由于这些材料回弹性很小，因此，要对牙齿施加合适的矫正力，必须将其预弯成一定的形状，在变位量较大的场合，需数次进行形状调整才能达到目的这样既费时又麻烦，有时会造成牙齿损伤，给患者带来痛苦。将钛镍形状记忆合金应用于口腔正畸是正畸材料学的重大进展。钛镍合金丝具有两种与不锈钢不同的特性，一是形状记忆特性。即在经过形状记忆处理后，当达到形状转变温度范围时即恢复到原来制作时所记忆的形状；二是超弹性特性。当对其施加一定的外力，使之形成一定的形状，当取消外力时又回到原始状态。如使用钛镍合金的超弹性功能，即使施加10%的变形也不会产生塑性变形，即使产生很大的变形，矫正力的增加也是很小的。因此，不会给牙齿造成损伤，并能保持适当的矫正力。在美国利用形状记忆合金的超弹性，已制成钛镍合金丝唇弓供正畸监床使用，国内亦有研究并应用于临床，取得了较好的效果钛镍形状记忆合金与不锈钢丝制作的矫正器比较。

有如下优点：

（1）缩短疗程：矫治牙齿扭转拥挤等疗程缩短50~ 60%；

（2）复诊次数减少：由于钛镍丝弹性好，又有记忆特性，因此矫正器不需经常调整，使复诊间隔时间延长 1 ~2倍；

（3）钛镍丝力量柔和持续，牙齿能在生理范围内以最快速移动达到矫治目的，对牙周组织无任何不良影响，且无不舒适感。

3.2人工心脏

应用形状记忆合金可制作人工心脏驱动装置过去，用空气驱动方式的人工心脏，多采用隔膜型及囊型泵。如要开发可植入体内的小型装置，宜利用在控制及性能面均较优良的推板型血泵。它是由推板的往复运动带动高分子薄膜运动，同时将血液吸入及排出。这种血泵亦可利用形状记忆合金弹簧取代空气驱动器，通过控制形状记忆合金弹簧的温