خانه / آشنایی با تجهیزات پزشکی / تجهیزات پزشکی / کاربردهای ترکیب نیتینول در مهندسی پزشکی

کاربردهای ترکیب نیتینول در مهندسی پزشکی

تاریخچه نیتینول
اولاندر و همکارانش رفتار سوپرالاستیک آلیاژ ‏Au-Cd‏ را در سال ۱۹۳۲ کشف کردند. مورادین و گرینگر در سال ۱۹۳۸ ، تشکیل و ناپدید شدن فاز مارتنزیت را با کاهش و افزایش دمای آلیاژ ‏Cu- Zn‏ مشاهده کردند. پدیده اصلی اثر حافظه‌پذیری که با رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیتی کنترل می‌شود، به‌طور گسترده ای در یک دهه بعد توسط کردجامو در سال ۱۹۴۹، ونیز توسط چانگ و رید در سال ۱۹۵۱، گزارش شد. در سال ۱۹۶۱ اثر حافظه داری شکل در آلیاژ نیکل تیتانیوم با درصد اتمی مساوی (۵۰%۵۰) توسط بوهلر و در آزمایشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف و تحت نام نیتینول (Nitinol) مشهور شد. دو حرف اول نیتینول در ارتباط با نیکل، دو حرف بعدی مربوط به عنصر تیتانیوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمایشگاه ناول اوردانس می باشد. از اوایل سال ۱۹۸۰ استفاده از آلیاژهای حافظه دار در بین محققان و مهندسان مورد توجه قرار گرفت و این آلیاژ هوشمند در زمینه های وسیعی از جمله تعدیل رفتار آئروالاستیسیته آنتن ماهواره ها، کنترل ارتعاش سازه های فضایی، کنترل ارتعاش سطوح کنترلی هواپیماها و حتی در شبیه سازی های پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است و کشف مزایای اصلی و علمی آن هر روز افزایش یافته است.
یکی از مهم‌ترین ترکیبات بین فلزی نیتینول (‏NiTi‏) است. این ماده مهم‌ترین ترکیب از خانواده آلیاژهای هوشمند (آلیاژ نیکل- تیتانیم) بوده و دارای خواص بسیار ویژه ای است که آن را از سایر مواد حتی از سایر ترکیبات بین فلزی متمایز می‌کند. ‏NiTi‏ شامل نسبت‌های مساوی از نیکل و تیتانیم است و گاهی اوقات عناصر دیگری برای تنظیم خواص به آن اضافه می‌شوند.

خواص و ویژگی‌های ‏NiTi
در مجموعه ویژگی‌های ‏NiTi‏ خواص منحصر به ‌فردی از جمله حافظه‌پذیری و سازگاری با محیط بدن به چشم می‌خورد که آن را از سایر مواد متمایز کرده و کاربردهای خاصی را برای این ترکیب به همراه آورده است. به‌طور کلی می‌توان خواص و ویژگی‌های ‏NiTi‏ را به صورت زیر بیان کرد:‏
* سوپر الاستیسیته (حافظه مکانیکی): تغییر شکل الاستیکی محض
* حافظه حرارتی: بازیابی شکل ماده بعد از حرارت دیدن
* پلاستیسیته غیرطبیعی: قابلیت خمش بالای ماده بدون شکست یا خستگی
* سازگاری با محیط بدن: مقاومت در برابر خوردگی بالا و هم زیستی عالی با محیط بدن
* مقاومت سایشی خوب و رفتار تریبولوژی ایده‌آل‏
خواص ‏NiTi‏ به‌طور قابل ملاحظه‌ای با کار مکانیکی و در حین عملیات حرارتی قابل بهبود است. چندین پارامتر برای بهبود این خواص عمده وجود داردکه مهمترین آنها عبارت است از: ‏
۱- ترکیب شیمیایی
۲- میزان کار سرد
۳- پارامترهای عملیات حرارتی
خواص مکانیکی ‏NiTi‏ به حالت فازی آن در یک دمای معین بستگی دارد. ‏NiTi‏ ‌‌در دماهای مختلف می‌تواند به صورت مارتنزیتی یا آستنیتی حاضر شود. در هر یک از این حالتها ‏NiTi‏ رفتار مکانیکی متفاوتی را نشان می‌دهد. حتی مقاومت الکتریکی و قابلیت جذب صدا نیز با تغییر دما تغییر می‌کند.‏
‏ همچنین با توجه به نمودار تنش-کرنش برای این آلیاژ (شکل ۲ ) نمی توان مقدار دقیقی را برای مدول یانگ آن گزارش کرد. در حقیقت چندین مدول یانگ را می‌توان برحسب نمودار تنش-کرنش این آلیاژ به دست آورد. اما نکته مهم‌تر این است که هیچ کدام از این اعداد کاربرد محاسباتی ندارند (براساس الاستیسیته خطی). علت این امر این است که محدوده تغییرات تنش در نمودار تنش- کرنش بین ۱ تا ۸ درصد دارای مدول یانگی نزدیک به صفر است و بدتر از آن، اینکه این مقدار در هنگام بارگذاری و عدم بارگذاری متفاوت است. تنها راه برای دستیابی به یک مقدار قابل استناد از این مشخصه (مدول یانگ) استفاده از روش‌های المان محدود برای انتگرال گیری از یک ویژگی هیستروزین غیرخطی پتانسیل خوردگی است. مجموعه خواص ‏NiTi‏ به‌طور خلاصه در جدول ۱ آورده شده است.

BMEcenter.ir-N0389

رفتار حافظه‌پذیری ترکیب بین فلزی ‏NiTi ‎
معرفی آلیاژهای حافظه‌دار ‏

آلیاژهای حافظه‌دار یا ‏SMA1‏‌ها موادی هستند که خصوصیات حافظه‌پذیری دارند. چنانچه یک آلیاژ حافظه‌دار مقداری تغییر شکل دهد و سپس تا دمایی بالاتر از دمای تغییر شکلش گرم شود، می‌تواند به شکل اولیه خود باز گردد. دمای تغییر فرم، دمای تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت و بالعکس است. این دو فاز، دارای خواص کاملا متفاوتی هستند.‏
اولین گام‌های گزارش شده به سمت کشف اثر حافظه‌پذیری به سال ۱۹۳۰ بر می‌گردد. اولاندر و همکارانش رفتار سوپرالاستیک آلیاژ ‏Au-Cd‏ را در سال ۱۹۳۲ کشف کردند. مورادین و گرینگر در سال ۱۹۳۸ ، تشکیل و ناپدید شدن فاز مارتنزیت را با کاهش و افزایش دمای آلیاژ ‏Cu- Zn‏ مشاهده کردند. پدیده اصلی اثر حافظه‌پذیری که با رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیتی کنترل می‌شود، به‌طور گسترده ای در یک دهه بعد توسط کردجامو در سال ۱۹۴۹، ونیز توسط چانگ و رید در سال ۱۹۵۱، گزارش شد.
معرفی برخی آلیاژهای حافظه‌دار
– آلیاژهای تیتانیوم/ نیکل مثل نیتینول (‏Nitinol‏ ) و تینل (‏Tinel‏ )
– آلیاژهای آلومینیوم / روی / مس
– آلیاژهای نیکل / آلومینیوم / مس
– آلیاژ کادمیوم / نقره
– آلیاژ کادمیوم / طلا
– آلیاژ قلع / مس
– آلیاژ روی / مس
– آلیاژ تیتانیم / ایندیم
– آلیاژ آلومینیوم / نیکل
– آلیاژ آهن / پلاتین
– آلیاژ مس / منگنز
– آلیاژ آهن / منگنز / سیلیسیم

‏ اصول حافظه‌پذیری ترکیب ‏NiTi‏ ‏
علت اصلی رفتار سوپرالاستیک و حافظه‌دار شدن یک استحاله برگشت پذیر حالت جامد (استحاله مارتنزیتی) است. در حالیکه همین دگرگونی برای انواع فولادهای معمولی غیربرگشت پذیر است. بنابراین نیروی محرکه تغییر فاز، تحت تبرید نسبت به دماهای بحرانی و نیز نقش‌های مکانیکی به شمار می‌روند. رفتار منحصر به‌فرد ‏NiTi‏ براساس تغییر شکل فازی وابسته به دمای آستنیت به مارتنزیت در مقیاس اتمی است. بر این اساس حافظه‌پذیری را تغییر شکل مارتنزیتی ترمو الاستیک نیز می‌نامند. این تغییر شکل که باعث بازیابی شکل می‌شود، نتیجه نیاز ساختار شبکه کریستالی به تطابق با کمترین حالت انرژی برای دمای داده شده است. در ‏NiTi‏ تشابه‌های نسبی بین دو فاز منجر به یک تغییر شکل بسیار منظم می‌شود، تا جایی که تغییر مکان اتم‌های منفرد دقیقا قابل پیش‌بینی خواهد بود و سرانجام منجر به تغییر شکل در مقیاس ماکروسکوپی می‌شود.
آلیاژ حافظه‌دار ‏NiTi‏ در دو ساختار کریستالی وابسته به دمای متفاوت می‌تواند وجود داشته باشد ، مارتنزیت (در دماهای پایین تر) و آستنیت (در دماهای بالاتر یا فاز مادر). بسیاری از خواص ‏NiTi‏ مارتنزیت و‏‎ NiTi‏ آستنیت کاملا با هم فرق دارند. زمانیکه ‏NiTi‏ مارتنزیت حرارت داده می‌شود، شروع به تبدیل به آستنیت می‌کند. دمای آغاز این پدیده، دمای شروع آستنیت (‏As‏ ) نامیده می‌شود. دمایی که این پدیده کامل می‌شود دمای پایان آستنیت (‏Af‏ ) است. زمانیکه ‏NiTi‏ آستنیت سرد می‌شود شروع به تبدیل شدن به مارتنزیت می‌کند، دمای شروع این پدیده را دمای شروع مارتنزیت (‏Ms‏) و دمای تکمیل این پدیده را دمای پایان مارتنزیت (‏Af‏) می‌نامند. از نقطه نظر کاربردی، ‏NiTi‏ سه شکل مختلف می‌تواند داشته باشد: مارتنزیت، مارتنزیت حاصل از تنش (سوپر الاستیک ) و آستنیت. دماهای بحرانی تغییر فاز به شدت به نوع بارگذاری و کار مکانیکی انتخاب شده وابسته است. شکل۳ تغییر حالتهای متالوژیک ‏NiTi‏ را تحت بارگذاری و تغییر دما نشان می‌دهد. شکل۴ نیز خاصیت حافظه‌پذیری را با تغییر دما نشان می‌دهد. وقتی که ماده در شکل مارتنزیت است، نرم و انعطاف‌پذیر است و به آسانی می‌تواند تغییر شکل پیدا کند (چیزی شبیه مفرغ نرم (ترکیب سرب و قلع )). ‏NiTi‏ در حالت مارتنزیت یک ماده سوپر الاستیک و بسیار کشسان است (مثل لاستیک) ، در حالیکه ‏NiTi‏ آستنیت کاملا سخت و محکم است (مثل تیتانیم). در واقع ‏NiTi‏ دارای هر دوی این خواص است و حالت ثابت آنها بستگی به دمایی دارد که ماده استفاده می‌شود.‏
باید توجه داشت که کار سرد رفتار مکانیکیNiTi‏ را ارتقا می‌دهد و دمای استحاله را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال یک ماده کار سرد شده نسبت به ماده ای که کمتر کار سرد روی آن انجام شده اصطلاحا قدری سردتر است. هر ماده کار سرد شده، برای داشتن سوپرالاستیسیته یا حافظه‌دار شدن باید از قبل عملیات حرارتی شود.‏

BMEcenter.ir-N0388
برنامه ریزی (حافظه‌دار کردن) ترکیب ‏NiTi
استفاده از خاصیت سوپر الاستیک یا حافظه یک طرفه ‏NiTi‏ برای یک کاربرد ویژه نیاز به قالب‌گیری یک تکه ‏NiTi‏ به شکل مطلوب دارد. سپس یک عملیات حرارتی ویژه انجام می‌شود تا نمونه به شکل نهایی خود در آید. عملیات حرارتی مذکور در مورد هر دو شکل سوپر الاستیک و حافظه‌دار ‏NiTi‏ مشابه است. پارامترهای موثر بر عملیات حرارتی ( دما و زمان کافی ) برای هماهنگ کردن شکل و خواص قطعه مورد نیاز هستند. این پارامترها معمولا برای هر قطعه دلخواه باید به‌طور تجربی تعیین شوند. بعضی از انواع سریع سرد کردن مثل کوانچ در آب یا سرد کردن سریع در هوا ترجیح داده می‌شوند. دو نوع دستورالعمل (‏SME‏ یا ‏SIM‏) جهت آموزش حافظه دو طرفه می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در ‏SME‏ نمونه تا زیر ‏Mf‏ سرد می‌شود و به شکل دلخواه در آورده می‌شود. سپس تا دمایی بالاتر از ‏Af‏ گرم می‌شود و اجازه داده می‌شود تا شکل آستنیتی خود را به دست آورد. این روش ۳۰-۲۰ بار تکرار می‌شود تا روش کامل شود. اکنون نمونه شکل برنامه‌ریزی شده خود را با سرد کردن زیرMf‏ و هر شکل دیگری را با گرم کردن بالایAf‏ به خود می‌گیرد. در ‏SIM‏ ، نمونه درست بالای دمای ‏Ms‏ خم می‌شود تا متغیرهای مرجع مارتنزیت حاصل از تنش تولید شود و سپس تا دمای زیر ‏Mf‏ سرد می‌شود. با گرم کردن بعدی تا بالای دمای  ‏Af‏ نمونه شکل آستنیتی اصلی خود را می‌گیرد. ‏
کاربردهای ترکیب ‏NiTi‏ در مهندسی پزشکی
‏ ‏NiTi‏ به دلیل داشتن خواص ویژه ای چون حافظه‌پذیری ، سازگاری با محیط بدن و سوپر الاستیسیته ، بیشترین کاربرد را در صنایع پزشکی دارد.
کاربرد ‏NiTi‏ برای مصارف پزشکی اولین بار در سال ۱۹۷۰ گزارش شد. در اوایل ۱۹۸۰ این نظریه بیشتر مورد توجه محققین قرار گرفت و در اواسط ۱۹۹۰کاربرد‌های ارتودنسی و بیشتر اورتوپدی آزمایشگاهی برای این ماده افزایش یافت. تلاش‌های اولیه برای بهره برداری از پتانسیل ‏NiTi‏ به عنوان یک ماده ایمپلنت توسط جانسور و آلکلندری نیز در سال ۱۹۸۸ انجام شد.
در واقع ‏NiTi‏ به عنوان یک بیومتریال جذاب شناخته شده است و این به دلیل خاصیت حافظه‌پذیری و سوپر الاستیسیته آن است که خواص کاملا جدیدی در مقایسه با آلیاژهای فلزی معمولی هستند.
ترکیب ‏NiTi‏ در حالت کاملا آستینتی، عموما خواص مناسبی برای کاشت‌های مربوط به عمل جراحی دارد. یکی از خواص استثنائی که در کاشت‌های مربوط به عمل جراحی می‌تواند مفید باشد ویژگی جذب ارتعاشات مکانیکی است. ‏NiTi‏ در دمای کمتر از ‏As‏ دارای قابلیت جذب ارتعاش بالا و تقلیل ارتعاشات مکانیکی است. به عنوان مثال چنانچه یک توپ ‏NiTi‏ در حالت مارتنزیتی از یک ارتفاع معینی سقوط کند، ارتفاعی که بالا می‌آید کمی بیشتر از نصف ارتفاعی است که یک توپ ‏NiTi‏ در در حالت آستنیتی بالا می‌آید. از نقطه نظر اورتوپدی این خاصیت می‌تواند مناسب باشد، به عنوان مثال برای تعدیل کردن تنش ماکزیمم بین استخوان و اندام مصنوعی مفصلی. مدول الاستیک پایین ‏NiTi‏ (که بیشتر نزدیک به مدول الاستیک استخوان است تا هرماده ایمپلنت دیگر) می‌تواند در کاربردهای ویژه مزایایی داشته باشد. ‏NiTi‏ دارای خواص انعطاف پذیری و خستگی منحصر به‌ فرد و همچنین مقاومت سایشی بسیار بالایی است که مربوط به تغییر شکل مارتنزیتی آن است. این خواص در ایمپلنت‌های ارتوپدی مناسب هستند. ‏NiTi‏ یک آلیاژ غیر مغناطیسی است، لذا عکس‌برداری ‏MRI‏ را نیز ممکن می‌سازد.
برای کاربردهای بیو مواد اورتوپدی، دو خاصیت مهم، استحکام (مکانیکی) و واکنش پذیری (شیمیایی) مهم است. معمولا دو کاربرد مکانیکی اساسی برای ماده و طراحی ایمپلنت وجود دارد. تنش‌های کاری از لحاظ ایمنی باید پایین تر از استحکام تسلیم ماده باشند و در تنشهای دوره‌ای، تنش کاری باید کمتر از حد خستگی در نظر گرفته شود. همان‌طور که در شکل۵ نشان داده شده، خواص مکانیکی ترکیب بین فلزیNiTi‏ بسیار نزدیک به بافتهای بدن است. از طرفی سازگاری خوب این ماده با محیط بدن و حافظه‌پذیری آن منجر به کاربردهای بسیار وسیع ‏NiTi‏ در صنایع پزشکی شده است که در ادامه به برخی از این کاربردها اشاره شده است.‏

پلیت‌های استخوان
پلیت‌های استخوان برای کمک به جوش خوردن استخوان‌های آسیب دیده و شکسته شده استفاده می‌شوند. شکل۶ پلیت‌های فیکس کردن استخوان شکسته را نشان می‌دهد. طرز کار این پلیتها به این صورت است که ابتدا پلیت‌های ‏NiTi‏ روی محل شکستگی گذاشته می‌شوند و با اعمال فشار خفیفی استخوان‌های آسیب دیده در کنار هم قرار می‌گیرند که این امر منجر به تسریع فرایند جوش خوردن استخوان می‌شود. پس از چندین روز تنش اعمالی حذف شده و محل شکستگی دیگر تحت فشار نخواهد بود. استفاده از ‏NiTi‏ برای تهیه پلیت‌های استخوانی در مقایسه با تیتانیوم و فولادهای ضدزنگ بسیار مناسب تر است. زیرا آلیاژ نیکل- تیتانیم به کار رفته در پلیت‌های استخوانی، ابتدا در پتانسیل خوردگی تا زیر دمای بحرانی سرد شده و سپس در محل شکسته فیکس می‌شوند. زمانی که حرارت بدن به این پلیت‌ها منتقل شده و دمای آنها به دمای بدن می‌رسد، ‏NiTi‏ شروع به کم کردن فشار بار پتانسیل خوردگی اعمالی تعبیه شده در محل شکستگی می‌کند در حالیکه این فشار در پلیت‌های از جنس فولاد زنگ نزن و تیتانیومی ادامه می‌یابد.
فیلترهای لخته خونی
یکی از کاربردهای ‏NiTi‏ در فیلترهای لخته خون است. در این کاربرد، شبکه‌های بسیار ریزی از جنس ‏NiTi‏ از طریق سرخرگ یا سیاهرگ به داخل ورید تزریق می‌شود تا لخته‌های خونی مزاحم را به دام بیندازند. شکل ۷ فیلترهای لخته خون را نشان می‌دهد. همان‌طور که در سمت چپ شکل دیده می‌شود این میله‌های بلند با سرد کردن در محلول سالین به صورت بسته شده حفظ می‌شوند. با وارد شدن این میله‌ها به بدن، در اثر حرارت بدن و افزایش دما فیلترها در رگ‌ها باز شده و عمل فیلتر لخته‌های خون را انجام می‌دهند. شکل باز شده فیلترها در سمت راست شکل ۷ نشان داده شده است.‏
استنت۲
استنت وسیله ای برای درمان بیماری انسداد شرائین قلب است. از جمله محل‌های مورد استفاده از استنت‌ها در سرخرگ، سیاهرگ، رگ‌های خونی، مجاری صفراوی و مری است. در شکل ۸ تصویری از استنت مشاهده می‌شود. برای نصب استنت در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزیتی از شکل اصلی به حالت متراکم شده تبدیل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شکل خود بر می‌گردد. این وسیله در یک شکل دفرمه وارد می‌شود و با رسیدن به دمای بدن منبسط می‌شود تا شریان‌ها را باز کند و جریان خون را افزایش دهد. استفاده از ترکیب ‏NiTi‏ در ساخت استنت به دلیل حافظه‌پذیری و سازگار بودن این ترکیب با محیط بدن است. همان‌طور که پیش از این نیز اشاره شد این دو ویژگی منحصر به فرد ترکیب ‏NiTi‏ باعث شده تا کاربردهای بسیار زیادی در صنایع پزشکی داشته باشد.‏

ماهیچه‌های رباتیک
تلاش‌های زیادی صورت گرفته تا بتوان به وسیله تجهیزات مکانیکی، اعضای متحرک بدن را بازسازی کرد. راه حل‌های زیادی برای حل این مشکل توسط علم رباتیک ارائه شده است؛ از جمله استفاده از ماهیچه‌های کنترل شونده به وسیله فشار هوا، مواد پیزوالکتریک یا آلیاژهای حافظه‌دار. در این میان به‌کارگیری آلیاژ حافظه‌دار نیکل-تیتانیوم به عنوان ماهیچه‌های رباتیک، مورد هدف بسیاری از محققین در نقاط مختلف دنیا است.‏

سایر کاربردهی پزشکی
از جمله سایر کاربردهای ‏NiTi‏ در سیم‌های دندانی و اورتودنسی است. در مقایسه با فولادهای زنگ نزن،‏NiTi‏ برای کاربردهای دندان‌پزشکی بسیار مناسب تر است. زیرا ‏NiTi‏ مانند فنر عمل کرده و یک نیروی مداوم و ملایم (در مقابل فشار ناراحت کننده و متناوب فولاد‌های زنگ نزن) را به کار می‌گیرند تا دندان‌های تغییر یافته را اصلاح کنند. ساخت ابزار و وسایل جراحی نیز از جمله کاربردهای دیگر این ترکیب است. شکل ۹ نمونه ای از این کاربردها را نشان می‌دهد.

پاسخ بدهید

ایمیلتان منتشر نمیشودفیلدهای الزامی علامت دار شده اند *

*