現(xiàn)代科技綜述知識文庫：醫(yī)用形狀記憶合金

1、現(xiàn)代科技綜述系列醫(yī)用形狀記憶合金科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對科技基本概念“醫(yī)用形狀記憶合金”的解讀，以供大家了解。醫(yī)用形狀記憶合金“形狀記憶”合金，是指具有形狀記憶效應(yīng)的合金器件，在明顯的塑性形變之后，經(jīng)過適當處理，可以回復(fù)到它變形前的原始形狀。這種形狀的回復(fù)，是通過將器件加熱到一定的溫度來激發(fā)的。合金在回復(fù)過程中會產(chǎn)生相當大的力，可作不同程度的機械功。目前最常用的形狀記憶合金是55Nitinol合金，為鎳含量在5456wt%之間的鎳鈦金屬化合物。是20世紀50年代末，美國海軍武器研究所研究鎳鈦合金時，偶然發(fā)現(xiàn)的。鎳鈦合金的形狀記憶過程簡述如

2、下：(1)鎳鈦合金的器件可以是不同尺寸的絲、棒、片、管的鍛制件或鑄件。(2)把上述器件加工形成所需的“記憶”形狀。例如已經(jīng)鉚好的鉚釘。(3)把這種所需“記憶”形狀，緊固在定位裝置中。(4)進行“記憶”熱處理。(5)把經(jīng)過“記憶”熱處理的器件處于中間形狀，例如把鉚釘鉚好的一端拉直，納入到待鉚的鉚孔內(nèi)。(6)加熱(根據(jù)合金組成，可控制在15150之間)進行形狀回復(fù)到所“記憶”的狀態(tài)。例如被拉直的鉚釘回復(fù)到已經(jīng)鉚好的原始形狀，完成鉚接工藝。上述記憶過程，根據(jù)需要，可以是可逆的，也可以是不可逆的。回復(fù)所記憶形狀(即回復(fù)熱處理)的溫度為轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變溫度范圍主要取決于合金的化學(xué)組成。形狀回復(fù)溫度不僅取決

3、于合金的化學(xué)成分，還和它的記憶熱處理制度有關(guān)。此外記憶形狀的應(yīng)變程度也能影響合金的形狀回復(fù)率，如應(yīng)變不超過8%的限度，器件可以得到完全的回復(fù)，低于轉(zhuǎn)變溫度范圍，這種合金則有高度的延性，可在7001400kgcm2應(yīng)力下塑性形變。在轉(zhuǎn)變溫度范圍以上的合金，則變得相當堅硬，不易屈服。鎳鈦記憶合金除了獨特的形狀記憶特性外，和醫(yī)學(xué)有關(guān)的其他主要性能如下： 1熔點() 12401310 2比重(gcm3) 645 3比電阻(cm)25 80 900 132 4線膨脹系數(shù) 24900 104106 5導(dǎo)磁率 1002 6硬度 RA6568 7抗拉強度極限(MPa) 560960 8屈服強度(MPa) 13

4、7226 9彈性模量(MPa) 7000081000 10伸長率(%) 60 11疲勞強度極限25107Cy1(MPa) 480 12沖擊強度(m kg)24 33 由上述性能可見，該合金具有高于鈷鉻金合金的強度。從屈服強度和彈性模量所反映的高回彈性，表明其具有在寬跨距間撓曲而不發(fā)生永久變形的性能。此外，在低、常溫下化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較佳的抗腐蝕性。國外醫(yī)學(xué)方面的實驗和應(yīng)用：由于口腔醫(yī)學(xué)的特殊臨床條件，幾乎與工業(yè)設(shè)計應(yīng)用開始的同時，就把鎳鈦合金絲應(yīng)用于口腔正畸。目前美國已有專門廠商生產(chǎn)多種類型的鎳鈦正畸弓系。骨科方面美國和日本先后在1976年和1981年報導(dǎo)了鎳鈦記憶合金在動物體內(nèi)植入的實驗。

5、他們設(shè)計了骨折固定用的骨接合板、人工關(guān)節(jié)、脊柱校正棒、骨栓和髓內(nèi)針等。美國在狗體內(nèi)使用鎳鈦合金作腔靜脈濾器獲得成功。日本采用鎳鈦合金輔助夾，配合銀夾擴大了腦動脈瘤夾，具有可局部加熱而簡便取出的優(yōu)點。美國用鎳鈦線平行地橫輻向排列，以結(jié)扎線連接，設(shè)計了在人工心臟樣機用的收縮性人工肌肉，在狗和小牛身上實驗。此外，還有設(shè)計用于人工腎用瓣，宮內(nèi)避孕器和頜骨固定等。中國醫(yī)學(xué)方面的實驗和應(yīng)用：研究起步遲，但發(fā)展較快。1978年上海第二醫(yī)學(xué)院(薛淼等)向上海鋼鐵研究所(楊海波)提出共同協(xié)作進行鎳鈦記憶合金醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究課題。進行了醫(yī)用鎳鈦合金鍛制材料的研制，轉(zhuǎn)變溫度和熱處理制度探索，材料加工，各項涉及安全性的醫(yī)

6、學(xué)基礎(chǔ)實驗，口腔各科，骨科，整復(fù)外科和婦產(chǎn)科有關(guān)記憶器件設(shè)計、模擬臨床實驗和臨床研究等工作。模擬腐蝕試驗表明這種合金為極強級，符合在口腔內(nèi)和體內(nèi)應(yīng)用的要求(薛淼等)。體外細胞在合金表面生長良好(張彩霞)。在60只大白鼠皮下骨內(nèi)植入10月表明，該合金在生物體內(nèi)對局部組織無損害，植入體未見腐蝕、變色和細胞毒性跡象，局部未見腫瘤產(chǎn)生(薛淼、潘家琛等)。合金埋入狗體內(nèi)前后，皮毛微量鎳元素未見增加(薛淼、陳志祥、汪學(xué)明等)。在此基礎(chǔ)上，上海第二醫(yī)科大學(xué)及其附屬機構(gòu)，于1981年起，口腔矯形科(樓昭華)，口腔頜面外科(泮家琛、泮可風)，骨科(戴克戎、楊佩君)，整復(fù)外科(王德昭)，婦產(chǎn)科(薛培)等分別設(shè)計了

7、正畸弓絲和卡環(huán)，加壓騎縫釘，雙杯型髖假體，壓縮鋼板螺絲釘，盲鉚釘及顱骨板以及輸卵管夾，分別應(yīng)用于兒童牙矯正、頜骨腫瘤截除后移植骨內(nèi)固定，下頜骨骨折固定、下頜前突畸形升技矢狀劈開矯正，各種骨折內(nèi)固定、髖關(guān)節(jié)炎、石骨癥、髖畸形強直、髖脫位等矯治，顱骨、額骨缺損修復(fù)和女性絕育等，獲得較滿意的治療效果。北京口腔醫(yī)院(鮑燕治)和北京有色金屬研究院在1983年報導(dǎo)了以鎳鈦記憶合金的正畸臨床研究，經(jīng)臨床大量應(yīng)用，效果滿意，此外天津冶金材料研究所等單位也在進行鎳鈦記憶合金的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。國內(nèi)外水平比較。(1)在材料本身的基礎(chǔ)研究方面：WJBuehler發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金的形狀記憶效應(yīng)后，國外對形狀記憶合金的馬氏體記

8、憶的本質(zhì)，開始了大量的基礎(chǔ)研究工作。而中國則是先應(yīng)用，取得一定效果后才開始做微觀機理方面的研究工作。(2)材料加工方面：國外醫(yī)用形狀記憶合金的器件，已有專門廠商經(jīng)營，產(chǎn)品水平較高，有的廠商還提供器件設(shè)計的咨詢。而中國在這方面，和其他醫(yī)用材料的情況類似，其加工的條件和水平都較差。研制材料部門本身缺乏加工能力。特別是這方面的醫(yī)用器件，在形成生產(chǎn)能力方面與國外差距極大。(3)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究方面：國外鎳鈦記憶合金的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究的報導(dǎo)并不多，似乎只著重在動物內(nèi)植入后的組織學(xué)觀察。相比之下，中國雖在這方面遲了45a，但所進行的生物相容性等安全性研究工作都具有一定的水平，其中幾項看來國外尚未做過。(4)臨床研

9、究和應(yīng)用方面：國內(nèi)外各有千秋。國外的凝血濾器、腦動脈瘤夾、人工肌肉等方面(多屬臨床前試驗)中國尚未開展。但中國的加壓騎縫釘、輸卵管夾、雙杯髖假體、顱骨修復(fù)等(都已臨床應(yīng)用)在國外迄今尚未見臨床報導(dǎo)。國外的器件設(shè)計較我們復(fù)雜些；國外有的醫(yī)用器件產(chǎn)品如正畸弓絲，已形成生產(chǎn)能力，而中國所有醫(yī)用記憶器件都未超過中試水平?！緟⒖嘉墨I】： 1 Buehler W J. US Patent, 3174851,1965 2 Buehler W J. Journal of Applied Physic. , 1968,34(5):1475 1477 3 WaymanC M. Journal of Metals,1972,6:175183 4 Andreasen G F. AmericanJournal of Orthodontics, 1978,73 (1):l42151 5 清水