形狀記憶合金在醫(yī)療領(lǐng)域上的應(yīng)用

*王梓涵

(陜西省西安中學(xué) 陜西 710000)

形狀記憶合金在醫(yī)療領(lǐng)域上的應(yīng)用

*王梓涵

(陜西省西安中學(xué) 陜西 710000)

形狀記憶合金是一種可以通過加熱升溫完全消除其在較低溫度下的變形,恢復(fù)原始形狀的合金材料.這種合金在高溫母相狀態(tài)下還擁有quot;超彈性quot;特點(diǎn),表現(xiàn)為可承受比一般金屬大幾倍甚至十幾倍的可恢復(fù)應(yīng)變.形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)是形狀記憶合金的兩大特性.由于其特殊的變形行為,以及良好的生物相容性,形狀記憶合金已經(jīng)被開發(fā)成各種醫(yī)療器械,在醫(yī)療領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景.

形狀記憶合金;形狀記憶效應(yīng);超彈性;醫(yī)療

環(huán)顧我們的周圍,各式各樣的金屬材料無處不在,從金屬毛坯加工成形狀各異金屬產(chǎn)品,要經(jīng)過無數(shù)次的變形.通常我們理解的金屬加工變形,比如大型機(jī)械的軋制、金屬絲的拉拔、金屬片的沖壓甚至還有人工的造型,都是屬于外力變形--通過施加一個(gè)接觸的外力,讓金屬產(chǎn)生變形.而有一種智能金屬材料可以不通過外力,甚至不通過接觸就可以產(chǎn)生變形.這種金屬材料叫做形狀記憶合金,它是通過改變環(huán)境溫度而產(chǎn)生變形的.

形狀記憶合金隨溫度的變化而產(chǎn)生的變形不是任意的.首先需要在一定的高溫環(huán)境下加工定形,再冷卻到低溫,然后在一定范圍內(nèi)任意變形,之后給合金加熱.當(dāng)?shù)诙芜_(dá)到初始的高溫時(shí),合金就會恢復(fù)初始形狀,即隨著溫度發(fā)生了特定方向的變形.這就是形狀記憶合金.根據(jù)形狀記憶合金的特點(diǎn),應(yīng)用在臨床植入治療上,可以將形狀記憶合金器械植入前低溫變形,縮小體積,植入后通過熱敷恢復(fù)形狀,極大地方便了治療過程,減小病人痛苦.另外,形狀記憶合金的超彈性更使其在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用.

1.形狀記憶合金的行為原理

想要了解形狀記憶合金如此神奇的原因,首先要理解固態(tài)相變.對于金屬來說,在它固態(tài)的狀態(tài)下,可以發(fā)生從一種固態(tài)到另一種固態(tài)的轉(zhuǎn)變.每一種固態(tài)叫做一種固相,這種轉(zhuǎn)變就是固態(tài)相變.固態(tài)相變大都是由溫度誘發(fā)的,可以理解為在金屬的整個(gè)固態(tài)溫度區(qū)間,又分為幾個(gè)不同固相溫度.固態(tài)相變實(shí)際情況比較復(fù)雜,這里針對形狀記憶合金,簡單將它的固態(tài)相變理解為高溫相(母相)與低溫相(馬氏體相)之間的轉(zhuǎn)變.需要說明的是,這里的高溫低溫是相對某個(gè)特定的材料而言的,并不以大氣溫度為標(biāo)準(zhǔn).

形狀記憶合金在低溫情況下,會形成獨(dú)特的熱彈性馬氏體,這就是形狀記憶合金神奇的原因.我們做個(gè)試驗(yàn):將普通金屬和形狀記憶合金在高溫母相狀態(tài)下都加工成特定形狀,然后降溫使母相全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相(普通金屬只能形成一般馬氏體相),施加外力將兩種材料變形,最后升溫.會發(fā)現(xiàn)普通金屬的變形毫無變化,而形狀記憶合金隨著溫度的升高逐漸恢復(fù)母相時(shí)的初始形狀.這就是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí),形狀記憶合金中熱彈性馬氏體的形變是一種遵循特殊規(guī)律的形變,宏觀的形變過程并沒有使熱彈性馬氏體發(fā)生永久的變形,它只是改變了形態(tài),并且這種形態(tài)可以通過升溫完全可逆地恢復(fù).這就是形狀記憶效應(yīng).

而形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)也完全源于熱彈性馬氏體.在高溫母相狀態(tài)下,溫度不變,對形狀記憶合金進(jìn)行拉伸.一般金屬在超過某個(gè)力后會產(chǎn)生永久變形,而形狀記憶合金在受力時(shí),會引發(fā)母相到熱彈性馬氏體相的轉(zhuǎn)變(這說明有些特殊的固態(tài)相變不僅僅可以通過溫度誘發(fā),還可以通過外力誘發(fā)),由于這個(gè)外力誘發(fā)的熱彈性馬氏體相變,使形狀記憶合金可以產(chǎn)生持續(xù)的伸長,并且在外力撤銷后可以完全恢復(fù)無變形.所以叫做超彈性效應(yīng).

2.形狀記憶合金的發(fā)展與現(xiàn)狀簡述

1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng),引起了材料科學(xué)界與工業(yè)界的重視.1971年George B. Andreasen將TiNi合金用于醫(yī)療器械領(lǐng)域用作口腔正畸絲材,開啟了形狀記憶合金在醫(yī)療應(yīng)用的大門.TiNi形狀記憶合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、生物相容性、無磁性、低的彈性模量和良好的綜合力學(xué)性能,非常適合于人體硬組織和骨的修復(fù)及替代.現(xiàn)階段幾乎所有的形狀記憶合金醫(yī)療器械都是使用TiNi記憶合金.

3.形狀記憶合金在醫(yī)療領(lǐng)域上的應(yīng)用

(1)形狀記憶合金在骨科治療中的應(yīng)用

俗話說quot;傷筋動骨一百天quot;,骨骼是人體的支撐,骨頭堅(jiān)硬、承受力大,但是一旦受損不易恢復(fù),恢復(fù)過程中固定困難.國內(nèi)外學(xué)者對骨折的醫(yī)療方法和醫(yī)療器械進(jìn)行了大量的研究,但是很長一段時(shí)間沒有突破,對于重大骨折傷病手術(shù)失敗率高,造成骨不連、股骨頭缺血壞死,并發(fā)褥瘡,肺炎死亡者常見.形狀記憶合金制作的醫(yī)療器械很大程度上改善了這一情況,可把骨骼的折斷部分拉在一起,保證準(zhǔn)確的連接并促進(jìn)其迅速鈣化,大大縮短了治療時(shí)間,極大地緩解了患者的痛苦.

將形狀記憶合金器械植入人體前,先將植入物置于消毒冰鹽水中,然后取出按照傳統(tǒng)方法處理骨折部位,處理完畢后用溫水熱敷植入部位,使形狀記憶合金恢復(fù)原狀,對骨折部位起到連續(xù)加壓固定作用.形狀記憶合金骨科內(nèi)定器械存在著操作簡便、能持續(xù)自加壓及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),使其成為應(yīng)用最廣、需求量最大的一類器械.TiNi記憶合金的彈性性能介于人體的頭發(fā)和肌腱之間,接近于骨骼的彈性,與生物活體一樣具有很大的彈性變形量.

形狀記憶合金在骨科治療中的應(yīng)用可以大體上分為兩類,一類是主要應(yīng)用形狀記憶合金的固定作用,即借助形狀記憶合金恢復(fù)后的形狀來固定傷骨;另一類主要應(yīng)用形狀記憶合金的加壓作用,即利用了形狀記憶合金恢復(fù)形狀過程中穩(wěn)定輸出的壓力,而不關(guān)心最終恢復(fù)的形狀.固定作用的形狀記憶合金主要應(yīng)用在粉碎性骨折類傷病上,可以在內(nèi)部穩(wěn)定的將破碎的骨骼聚攏在一起,促進(jìn)鈣化恢復(fù).比如形狀記憶合金加壓騎縫釘、quot;Yquot;型釘、形狀記憶合金人工股骨頭杯、形狀記憶合金螺釘?shù)鹊?加壓作用的形狀記憶合金醫(yī)療器械應(yīng)用更為廣泛,這種器械的最大的優(yōu)點(diǎn)是代替了傳統(tǒng)的體外加壓或者體內(nèi)一次性加壓,可以將形狀記憶合金器械像彈簧一樣放置在體內(nèi),精準(zhǔn)、穩(wěn)定持續(xù)的加壓.比如形狀記憶合金弓形加壓接骨器、形狀記憶合金聚髕器、脊柱校正棒、飛蜓式骶骨重建器等等.

(2)形狀記憶合金在人體管道治療中的應(yīng)用

以人體骨骼建立起的構(gòu)架為基礎(chǔ),人體的各個(gè)器官在在肌肉的保護(hù)下分布在各個(gè)部分,這些器官的共同協(xié)作離不開全身的輸送工--人體管道.這些大大小小的管道是我們身體內(nèi)的搬運(yùn)工,人體管道的健康程度直接決定了我們身體機(jī)能能否正常工作.然而現(xiàn)狀不容樂觀,據(jù)權(quán)威統(tǒng)計(jì),2～3成的65歲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為不銹鋼所制,由于材料本身的局限性,支架置入和取出復(fù)雜,需要頻繁更換,不能永久放置以免產(chǎn)生結(jié)石,大大降低了治療的成功率,增加了治療成本和病人的痛苦.

形狀記憶合金用于人體管道的治療大大改善了這一現(xiàn)狀.通常將記憶合金支架高溫定形后,放于冰鹽水中改變形狀減小體積,以便操作手術(shù).植入體內(nèi)后,在管道中注入38～41℃的熱鹽水,使支架恢復(fù)性狀達(dá)到使用效果.形狀記憶合金支架具有形狀記憶、超彈、耐磨、耐腐蝕等特性,支架可以長期放在肉芽、瘢痕化的管道部位,不引起嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)和刺激癥狀,無分泌物附著和肉芽組織增生造成阻塞的情況.支架表面光潔,無位移及變形,顯示了良好的生物相容性.另外可以在支架表面覆蓋醫(yī)用硅橡膠,使其具有良好的透氣性.

由于其獨(dú)特的優(yōu)勢,形狀記憶合金支架在管道中的應(yīng)用越來越廣泛.血管支架用于動脈血管梗塞或狹窄的治療;消化道支架治療狹窄性疾病和穿孔或瘺形成疾病;食道支架用于由于惡性腫瘤或食道癌等原因引起的食道、賁門狹窄等擴(kuò)張治療.另外在前列腺、氣管、膽道等等方面也有廣泛的應(yīng)用.

(3)形狀記憶合金在牙科治療中的應(yīng)用

隨著人們對身體健康的重視程度越來越高,牙齒健康可以說是受到了全民的關(guān)注.隨著人們對面部美觀的要求越來越高,矯正牙齒的青少年越來越多,既達(dá)到了美觀的效果,又防止了因牙齒錯(cuò)亂引發(fā)的疾病.

牙齒矯正器是利用生物力學(xué)原理來對牙合畸形的牙齒進(jìn)行矯治,通過矯正系統(tǒng)施以溫和而持久的生物力,慢慢地使牙齒移動,讓牙齒恢復(fù)到正常位置,將牙齒排列整齊.用超彈性TiNi合金絲代替不銹鋼絲做的牙齒矯正絲,克服了普通不銹鋼合金絲彈性模量高,彈性應(yīng)變小的缺點(diǎn).用TiNi合金作牙齒矯形絲,即使應(yīng)變高達(dá)10%也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性,即應(yīng)變增大時(shí)矯正力波動很少.TiNi合金矯正絲在治療過程中不必經(jīng)常更換,由于工作范圍大,金屬絲只要少量調(diào)整即可,能減輕患者的不適感,縮短治療時(shí)間.

4.展望與總結(jié)

隨著我國人口老齡化加劇和人民生活及收入水平的提高,在植入人體支架等金屬生物材料醫(yī)療器械的生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)量的迅速增加,使具有獨(dú)特而優(yōu)異綜合物理性能和使用性能的TiNi形狀記憶合金醫(yī)療制品具有更廣闊的市場前景.目前醫(yī)生對記憶合金的體內(nèi)植人仍持慎重態(tài)度,對其優(yōu)良的醫(yī)療性能仍比較陌生.因而介紹和推廣形狀記憶合金,普及其科學(xué)知識具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的實(shí)際意義.

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[2]王輝,陳再良.形狀記憶合金材料的應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料,2002,26(3):5-8.

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王梓涵(2000-),女,陜西省西安中學(xué);研究方向:化學(xué).

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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