آلياژ‌هايي که فراموشي نمي‌گيرند!
نویسنده: محمد علی صاحب الزمانی
دانلود کامل مقاله :
http://www.iranbmemag.com/fa/issue/d...=file&i=918&n=
آلياژهاي حافظه‌دار به توانايي برگشت به شکل يا اندازه اوليه از پيش تعريف شده طي يک چرخه حرارتي اطلاق مي‌شود . به عبارت ديگر ، چنانچه در دماي پايين تر از دماي خاتمه تحول مارتنزيتي يک تغيير شکل پلاستيک در آلياژ حافظه دار ايجاد شود، با افزايش دما تا بالاي دماي خاتمه تحول آستنيتي ، آلياژ قادر به بازيابي شکل اوليه خود خواهد بود.
آلياژهاي حافظه دار شامل گروهي از مواد فلزي هستند که قابليت بازگشت به شکل اوليه را هنگامي که تحت بار مکانيکي مناسب قرار گيرند دارند. هنگامي که محدوديت در بازيابي شکل وجود دارد، اين آلياژها نيروهاي ارتجاعي بالايي را توليد مي‌کنند و به دلیل اين خاصيت علاقه تکنولوژيکي زيادي براي استفاده از آلياژهاي حافظه‌دار در کاربردهاي پزشکي و غير پزشکي وجود دارد، به عبارت ديگر خواص ترموديناميکي استثنايي آلياژهاي حافظه‌دار، عامل کاربردهاي بسيار مهمي در زمينه مهندسي پزشکي شده است.
آلياژهاي حافظه دار به صورت يك طرفه و دو طرفه ساخته مي‌شوند. منظور از يك طرفه بودن اين است كه اين فلزات در يك جهت عملي را انجام مي‌دهند و حالت برگشت‌پذيري ندارند. قابليت آلياژهاي حافظه دار در بازيابي شكل پيش تعيين شده با حرارت دادن بالاي دماي تغيير حالت و برگشت به شكل مشخص قبلي با سرد كردن به نام اثر حافظه‌داري دوطرفه خوانده مي‌شود.
خانواده آلیاژهای حافظه دار
آلياژهاي حافظه دار مهم عبارتند از :
1-سيستم‌هاي پايه مس
2- سيستم‌هاي پايه آهن
3- آلياژهاي طلا-کادميم
4- آلياژهاي برنج
5- آلياژهاي نيکل- تيتانيم.
آلياژهاي حافظه‌دار در پزشکي
آلياژهاي حافظه‌دار موادي هستند که پس از اينکه تحت کرنش قرار گرفتند در يک دماي خاص به شکل اصلي خود برمي‌گردند. در فرايند برگشت به شکل به ياد مانده آلياژ مي‌تواند نيروي زيادي توليد کند که جهت تحريک مفيد است. اين آلياژها در بيش از 50 سيستم آلياژي توسعه يافته اند. عمده ترين آلياژهاي حافظه دار که در مصارف پزشکي استفاده مي‌شوند عبارتند از: NiTi (نايتينول) TiMo, NiTiMo.
کاربردهای پزشکی آلیاژهای حافظه دار نایتینول
دندان پزشکی (ارتودنسی)
استفاده از آلياژ حافظه‌دار در ارتودنسی جلوه ديگر از قابليت‌هاي آن است. بر خلاف سیم‌هاي معمول در ارتودنسی كه از جنس فولاد ضد زنگ 8-18 هستند و به صورت منقطع قادر به تنظيم و ترتيب دادن دندان‌ها هستند و بيمار را ملزم به مراجعات زياد به دندانپزشك مي‌سازد؛ سیم‌هاي ارتودنسی از جنس NiTi به دور از مشكلات فوق، نيروي مداوم و تدريجي به دندان‌ها وارد مي‌كند كه اين پديده بر اساس مسطح بودن منحني باربرداري اين آلياژ در دامنه زيادي از کرنش‌ها است.
سیم‌هاي ارتودنسی نايتينول با دندان حركت كرده و در يك پهناي زماني درمان و وضعيت دندان، نيروي ثابتي را اعمال مي‌كنند. كاربردهاي ديگر
1-کاربرد برای درمان بیماری‌های قلبی – عروقی
2- کاربردهای ارتوپدی نایتینول
3- کاربردهای ارتودنسی نایتینول
4- آندوسکوپ‌های فعال و انعطاف پذیر
5- دست مصنوعی
6- عقیم سازی لوله ای
ویژگی‌های آلیاژهای حافظه‌دار نایتینول
1- الاستیسیته‌ی بالا(جایگذاری الاستیک)
2- خاصیت حرارتی برتر(جایگذاری حرارتی)
3- دوام زیاد(مقاومت به تاب و گره)
4- تنش ثابت
5- ممانعت دینامیکی
6- هیسترزیس تنش
7- تنش وابسته به دماچگونگي اعمال فشار توسط يك بست حافظه دار به شيار شكستگي پس از حرارت ديدن. تصوير پايين نيز تعدادي از اينگونه بست‌ها را نشان مي دهد
سازگاري فيزيولوژيك
فولاد ضد زنگ، تيتانيم و فلزت ديگر رابطه خوبي با مواد بيولوژيك ندارند. مقبوليت غير معمول نايتينول آن را فلزي ساخته است كه از لحاظ مكانيكي مشابهت زيادي با مواد بيولوژیک دارد. اين مشابهت فيزيولوژيك، رشد داخلي استخوان و به اشتراك گذاشتن بارها با بافت مجاور را باعث شده و سبب استفاده از اين آلياژ در ایمپلنت‌هاي هيپ، فاصله اندازهاي استخوان بست‌هاي استخوان و صفحات براي شكستگي جمجمه شده است. كاربرد اخير بيشتر از آن لحاظ جالب است كه از نايتينول متخلخل كه رشد داخلي بيشتر استخوان را سبب مي‌شود، استفاده مي‌شود.
سنتز احتراقي يا استفاده از گرماي گداز براي اشتعال، جهت تشكيل نايتينول از نيكل و تيتانيم - نشان داده است كه راهي موثر در توليد اسفنج متخلخل نايتينول است كه دانسيته‌اي از 40 تا 90% دارد. اسفنجي كه داراي خواص سوپرالاستيك و حافظه داري باشد، رشد داخلي استخوان را شتاب مي‌بخشد و چسبندگي خوبي را با بافت مجاور ايجاد مي‌كند.
زيست سازگاري
زيست سازگاري توانايي ماده در باقي ماندن به صورت بي ضرر از لحاظ بیولوژیک در طي دوره عملکرد خود در درون يک موجود زنده است . اين يک فاکتور مهم براي استفاده وسايل حافظه دار در بدن است يک ماده زيست سازگار نبايد واکنش آلرژيک در بدن ميزبان ايجاد کند و همچنين نباید در گردش خون يون رها کند. دوره‌اي که بيومواد در بدن انسان مي‌ماند مهم ترین وجه مطرح شده در مورد کاربرد آن است.
عموما زيست سازگاري يک ماده قوي به واکنش آلرژيک بين سطح بيومواد و پاسخ آماسي ميزبان بستگي دارد. .وجوه مختلفي در اين واکنش‌ها شرکت دارند مثل خصوصيات بيمار ( سلامتي ،سن ، حالت ايمني بدن و ... ) دارد مثل خصوصيات ماده .آناليز وجوه مربوطه به زيست سازگاري اين آلياژها توسط اندازه گيري و ارزيابي هر کدام از عناصر نيکل و تيتانيم به صورت جداگانه صورت مي گيرد.
نيکل اگر چه براي زندگي لازم است يک عنصر بسيار سمي نيز است. مطالعات نشان داده اند در افرادي که در تماس سيستميک با نيکل بوده اند مشکلاتي مثل زات الريه، سينوزيت مزمن و ورم غشا مخاط بيني، سرطان ريه و سوراخ بيني، آماس پوست وجود داشته است.
برعکس نيکل ، Ti و ترکيباتش بسيار زيست سازگار هستند . علاوه بر اين به خاطر خواص مکانيکي شان اکثرا در ايمپلنت‌هاي ارتوپدي استفاده مي شوند.
به دلیل ميزان بالاي نيكل در NiTi، از لحاظ تئوري اين امكان وجود دارد كه به علت خوردگي، نيكل از ماده، حل شده و سبب تاثيرات نامطلوبي شود؛ به همین خاطر، زيست سازگاري NiTi بايد قبل از استفاده مطمئن از آن به عنوان ايمپلنت، به خوبی تاييد شده باشد .
مرور اين مطلب بيشتر از اين لحاظ مهم است كه دانش كمي از زيست سازگاري NiTi در دست است. مقاومت خوردگي آلياژ وسميت فلزات تنهايي كه سازنده آلياژ هستند عوامل اصلي زيست سازگاري هستند. خواص و زيست سازگاري NiTi شاخص‌هاي ويژه خود را دارد كه متفاوت از تيتانيم يا نيكل تنها است. سميت موضعي و سيستميك، اثرات سرطان زايي و جنبه‌هاي ناقص الخلقه سازي نيكل نياز به بررسي بيشتر دارند .
پاسخ موضعي بافت، مهم‌ترین جنبه زيست سازگاري است .. زيست سازگاري يك ماده در داخل بدن مي‌تواند با آناليز كردن حضور جمعيت سلولي - با اندازه‌گيري سلولهاي استخراج شده از محصول متابوليسمي - يا آناليز كردن شاخص‌هاي مورفولوژیک بافت در اطراف ايمپلنت بررسي شود. اگرچه نيكل خالص ايمپلنت شده در داخل ماهيچه، تحريك و نكروز شديد بافت موضعي را سبب مي‌شود، زيست سازگاري NiTi در بافت ماهيچه اي، حداقل برابر با آلياژهاي Co-Cr و فولاد ضد زنگ و قابل مقايسه با تيتانيم است .
چنانچه ديده شد، ايمپلنت آلياژ نايتينول به اندازه كافي با بافت بدن سازگار است و داراي توان بالقوه‌اي به عنوان يك بيومواد با قابلیت هاي بالاي حافظه داري و ارتجاعي بودن است.منابع :
1) M.Green,D.M.Grant,N.R.Kelly,”Powder Metallurgical Processing of Ni-Ti Shape Memory Alloy”, Powder Met.,vol.40,No.1,19972) J.C.Hey,A,P.Jardine,”Shape Memory NiTi Synthesis From Elemental Powders”,Mater.Sci.Eng.A188,1994 3) D.G.Morris,M.A.Morris,”NiTi Intermetallic by Mixing,Miling4) 4) “Shape Memory Materials and Hydrides” ,K.Otsuka, Y.Fukai,1994, Elsevier Pub5)5) uerig,A.Pelton, D.Stockel,”An Overview Of Nitinol Medical Applications” Mater.Sci.Eng.A,Vol.273-275,19996) “Shape Memory Alloys”H.Funakabo, 1986,Newyork,Gordon&Breach Pub7) J.S.Benyamin, T.E.Volin,”The Mechanism of Mechanical Alloying”, Met.Trans A, Vol.5,pp1929-1934,Aug 19748) “Solid state synthesis of nanocrystallin and /or amorphous 50Ni-50Ti Alloy”9) Y.W.Gu,C.W.Goh,l.S.Goi,C.S.Lim,2004,Elsevier Pub.10) پروژه کارشناسی ارشد درس کاربرد فلزات در پزشکی راضيه خليفه زاده و ثمين افتخاري دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیر کبیر1385.
منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی
