材料科学导论-新材料在医学上的应用-李大为.docxVIP

材料科学导论结课论文纪朝辉老师南三-112周五第9、10节《Ti-Ni形状记忆合金在医学上的应用》李大为120146612经济与管理学院工商管理专业Ti-Ni形状记忆合金在医学上的应用李大为 120146612（中国民航大学 经济与管理学院，天津 300300）摘要：形状记忆合金是指具有形状记忆效应的合金材料。具有形状记忆效应的合金目前已发现20余种，但具有医用开发前景的只有钛镍（Ti-Ni）形状记忆合金。钛镍形状记忆合金不但具有奇特的形状记忆效应、超弹性及优良的耐磨性，而且具有良好的耐蚀性和组织相容性，因此在临床和医疗器械等方面应用广泛。关键词：形状记忆合金；SMA；SME；Ti-Ni；生物相容性；临床科室；医疗器械前言形状记忆合金（SMA）是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金[1]。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应（SME）。形状记忆效应的研究最早可追溯到1932年的美国，Olander在Au-Cu合金中发现了类橡皮效应（rubber-like Behavior）,随后各国相继发现Au-Cd也有SME。1951年，Chang和Read在Au-47.5%质量分数Cd合金单晶中发现，低温相马氏体和高温相之间的界面随温度下降向母相推移。然而这些现象的发现在当时并未引起人们的足够重视。直到1963年，美国海军武器实验者Buebler等在Ti-Ni合金中，发现具有实际应用价值的形状记忆效应后，才引起了人们的广泛兴趣。此后，SME又相继在Cu-Zn、Fe-Pt等多种合金中被发现。经过50多年的研究与发展，目前形状记忆合金的工程和生物医学应用已日渐广泛，并逐步形成了蓬勃发展的高新技术产业。目前，在医学方面又以Ti-Ni研究最为火爆，并正处于一个新的高潮期。不可否认的是，医用Ti-Ni形状记忆合金已然成为21世纪理想的新型生物功能材料。近年来，医用Ti-Ni形状记忆合金的应用发展很快。临床方面，主要包括骨科、五官科、口腔科、脑外科、胸外科、胆道外科、血管外科等；在医疗器械方面，主要包括管道镜、药物释放器、触觉手套、微型外科手术钳、人工脏器用微型泵等。本文将就以上方面分别予以介绍。形状记忆合金按变形特征的分类形状记忆合金按其加热变形特征可分为三类：（1）单程记忆合金。指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记忆效应的合金称为单程记忆合金。（2）双程记忆合金。指合金在加热时恢复高温相形状，冷却时又恢复低温相形状，称为双程记忆合金。（3）全程记忆合金。合金在加热时恢复高温相形状，冷却时变成形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆合金。图1为三类形状记忆合金的变形特征示意图。这种变形特征使Ti-Ni形状记忆合金在医学上的图1三类形状记忆合金的变形特征示意图应用成为现实[2]。Ti-Ni形状记忆合金的生物相容性研究形状记忆合金要应用于生物体内，不仅要有机械性能上的可靠性，还必须有化学、生物学、生化学的可靠性。我国在1970年代末开始对形状记忆合金进行基础研究。1979年，我国开始研究医用Ti-Ni形状记忆合金，1982年应用于临床，首先在口腔正畸和矫形外科得到应用。在对Ti-Ni形状记忆合金进行生物介质腐蚀试验、细胞附着实验等体外实验后，结果表明Ti-Ni-SMA的耐腐蚀性能优良，细胞附着生长良好。将Ti-Ni丝或板植入动物体内进行埋藏实验，两年期间其皮毛含镍量未见明显增加，试验周围组织被膜很薄，周围细胞无畸变。在对Ti-Ni气管内支架周围组织进行检查也未见明显炎症及异常细胞反应。研究表明，Ti-Ni合金的表面会形成TiO2可提高表面层稳定性，保护基体材料免遭腐蚀，阻止镍被氧化，从而改变镍的氧化路径。此外，在模拟生理液中，Ti-Ni耐腐蚀性比316L不锈钢好。对使用Ti-Ni合金材料为牙齿正畸的病人血液中镍浓度5个月跟踪检测，发现病人血液中镍含量未见明显增加。综上所述，Ti-Ni形状记忆合金在人体内的生物相容性及耐腐蚀性是良好的。这为其在人体内应用提供了重要依据[3]。Ti-Ni形状记忆合金在临床上的应用口腔科医用Ti-Ni形状记忆合金在口腔科的应用主要在于正畸丝，种植牙和卡环等。例如医用Ti-Ni形状记忆合金加压骑缝钉来治疗隐裂牙的研究。四．1.1口腔正畸科具有超弹性功能的形状记忆合金材料可在很大的应变范围内保持应力值基本不变。这种性能对口腔正畸来说是非常有用的。它能使作用在牙齿上的矫正力不随牙齿的移位而发生显著变化。目前中国在此方面研究领先世界，产品向欧美大量出口。四．1.2口腔颌面外科医用Ti-Ni形状记忆合金在此项应用共有两方面：一是像骨科那样用SMA加压骑缝钉和接骨板等来治疗颌骨骨折。二是用于