آلیاژهای حافظه دار و کاربرد آنها در مهندسی پزشکی
وقتی صحبت از آلیاژهای حافظه دار به میان می آید ممکن است این طور تداعی شود که این نوع آلیاژها تحت هر نوع تغییر فرمی که قرارگیرند، با انجام عملیات حرارتی به حالت اولیه خود باز خواهند گشت. البته این تصور غلط است و آلیاژهای حافظه دار تنها در محدوده خاصی از تغییر فرم و دما ویژگی برگشت پذیر را از خود نشان می دهند که این خود سبب بروزپیشرفتهای بسیاری در صنایع گوناگون شده است.اولین گامها به سوی کشف اثر حافظه داری شکلی در دهه ۱۹۳۰ گزارش شده است . باتوجه به مطالب اوتسوکا و وایمن رفتار شبه الاستیک آلیاژ طلا – کادمیوم را اولاندر در سال ۱۹۳۲ کشف کرد . گرنینگر و مرادیان (۱۹۳۸) شکل گیری و ناپدید شدن فاز مارتنزیت در آلیاژ کادمیوم – روی را بر اثر افزایش و کاهش دما مشاهده کردند. اولین نمودهای اثر حافظه داری که تابع رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیت است به طور گسترده ای یک دهه بعد توسط کرد جومو و خاندروس (۱۹۴۹) و نیز توسط چانگ و رد(۱۹۵۱) گزارش شده است . آلیاژهای نیکل و تیتانیوم برای اولین بار در سالهای ۱۹۶۲-۱۹۶۳ توسط بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی ایالات متحده توسعه یافته ونام تجاری نیتاینول ( مخفف نیکل تیتانیوم آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی) به خود گرفت . خواص قابل توجه این آلیاژ به طور تصادفی کشف شد. نمونه ای که چند بار خم شده و از شکل اصلی خود خارج شده بود در جلسه مدیریت آزمایشگاه ارایه شد . یکی از مدیران فنی ؛ دکتر دیوید موری؛ تصمیم گرفت تا ببیند اگر نمونه گرم شود چه اتفاقی خواهد افتاد و فندک خود را زیر آن گرفت . در کمال شگفتی نمونه به شکل اصلی خود بازگشت . نوع دیگری از آلیاژهای حافظه دار شکلی وجود دارد به نام آلیاژ فرومغناطیس با حافظه شکلی که تحت میدان مغناطیسی قوی تغییر فرم می دهد. این مواد به میدان های مغناطیسی سریع تر و کارآمدتر از تغییرات دما پاسخ می دهند . آلیاژهای فلزی تنها آلیاژهای پاسخگو به حرارت نیستند. اخیرا پلیمرهایی باحافظه شکلی نیز توسعه یافته اند و از اواخر دهه ۱۹۹۰ به صورت تجاری در دسترس هستند .
کاربردها
یکی از اولین کاربردهای آلیاژهای حافظه دار در مقیاس انبوه استفاده در اتصالات لوله های هیدرولیک هواپیماهای جنگنده F14 بود .اما پزشکی اولین زمینه ای است که آلیاژهای حافظه دار در آن توسعه زیادی یافتند. علت این امر متناسب بودن دمای بدن برای عملکرد آلیاژهای حافظه دار در ناحیه شبه الاستیک است . کاربردهای پزشکی آلیاژهای حافظه دار شامل استنت ها ؛ فیلتر ها ؛ سیم های هادی آنژیوپلاستی و گیره ها هستند.
سیستم های معمول
تا کنون خواص حافظه داری در چند سیستم آلیاژی دیده شده است اما اکثر آنها هنگام فعالسازی نیرو یا کرنش بالایی ایجاد نمی کنند . دو سیستم آلیاژ حافظه دار عمده که هنگام فعالسازی توانایی ایجاد نیروی بالایی در آنها مشاهده شده است .. عبارتند از سیستم های بر پایه مس و سیستم های بر پایه Ni-Ti . خواص حافظه داری سیستم های سه تایی بسیاری بر پایه این سیستم های دوتایی بررسی شده است .
تعریف آلیاژهای حافظه دار
اصطلاح آلیاژ حافظه دار (SMA) به گروهی از مواد فلزی گفته می شود که پس از قرار گرفتن تحت یک پروسه محدود تغییر فرم پلاستیک قابلیت برگشت به یک شکل ( یا اندازه ) اولیه تعریف شده را پس از انجام یک عملیات حرارتی مشخص دارا می باشند .
این مواد در دمای نسبی پایین تحت عملیات مکانیکی کارسرد قرار گرفته و پس از اعمال در صد مشخصی تغییر فرم پلاستیک ؛ در صورتی که در معرض دماهای بالاتر قرار گیرند تمایل به برگشت به حالت اولیه را ازخود نشان می دهند .
موادی که صرفا در حرارت دهی خاصیت برگشت پذیری به حالت اولیه را ازخود نشان می دهند ؛ آلیاژ حافظه دار یک طرفه نام گرفته اند . و آن دسته از آلیاژهایی که علاوه بر داشتن قابلیت برگشت پذیری در حرارت دهی ؛ هنگام سرد کردن دوباره نیز به حالت قبل از حرارت دهی باز می گردند ؛ آلیاژ حافظه دار دو طرفه نام گرفته اند .
در حالیکه رنج وسیعی از فلزات و آلیاژها خاصیت حافظه داری را ازخود نشان می دهند فقط آن دسته دارای اهمیت صنعتی می باشند که درصد بالایی از برگشت پذیری را از خود نشاند دهند و یا در هنگام برگشت به حالت اولیه نیروی قابل توجهی را از خود بروز بدهند . در این میان آلیاژهای Ni-Ti و Cu-Zn-Al و Cu-Al-Ni دارای اهمیت ویژه می باشند . که از آلیاژهای نام برده شده فقط Ni-Ti در مهندسی پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد.
یک آلیاژ حافظه دار از یک دیدگاه عبارت است از آلیاژی که در یک تحول ترمو الاستیک مارتنزیتی تسلیم شده و در این مورد این آلیاژ تحت یک تحول مارتنزیتی قرار گرفته که در آن آلیاژ با مکانیزم تغییر شکل دوقلویی شکل داده شده و این عملیات زیر درجه حرارت انجام استحاله مارتنزیتی می باشد. بنابراین استحاله مذکور برگشت پذیر می باشد زیرا دوقلویی ها در حرارت دهی مجدد به حالت اولیه خود در شبکه کریستالی ( که پایدار تر از حالت تغییر فرم یافته می باشد ) برگشته و در نتیجه آلیاژ شکل ابتدایی خود را در قبل از تغییر فرم پلاستیک باز یابی می نماید .
مکانیزم حافظه دار شدن
در پدیده حافظه داری نمونه در حالت کاملا مارتنزیتی به مقدار معینی تغییر فرم داده می شود سپس با گرم کردن نمونه و برگشت آن به حالت آستنیتی ؛ شکل نمونه نیز به حالت اول خود بر می گردد.
شکل بالا چگونگی پدیده حافظه داری شکل را با تبدیل دو فاز آستنیت و مارتنزیت به یکدیگر نشان می دهد . بررسی بر روی تغییر حالت متالورژیکی نمونه جامد ؛ تغییر آرایش اتمها بدون هیچ گونه تغییری در ترکیب شیمیایی فاز زمینه را نشان می دهد . این تغییر آرایش منجر به ایجاد ساختار کریستالی فاز جدید و پایدار می شود . پیشرفت تغییر حالت بدون نیا به حرکت و جابجایی اتمها به صورت مجزا؛ را می توان مستقل از زمان دانست و به همین دلیل می توان وابستگی دما را به عنوان تنها عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.
تغییر حالت های متالورژیکی جامدات از دو طریقه زیر امکان پذیر است:
تغییر حالتهای دیفوزیونی که نیازمند حرکت و جابجایی اتمها بوده که نتیجتا وابسته به دما و زمان است .
تغییر حالتهای برشی که در آن جابجایی اتمها در رنج کوتاه و بصورت برشی انجام شده و مستقل ا ز زمان و تنها وابسته به دما می باشد.
مکانیزم حافظه دار شدن و برگشت به حالت اولیه از نوع دوم بوده به گونه ای که تغییر فرم اعمالی بر آلیاژ در دمای پایین و در فاز مارتنزیت ؛ بر اثر فعال شدن مکانیزم دوقلویی انجام شده و فقط جهت گیری اتمها در نزدیکی فصل مشترک ناحیه دوقلویی ؛ تغییر خواهد کرد . پس از حرارت دهی مجدد این صفحات دوقلویی که ناپایدار هستند به حالت اولیه خود بر خواهند گشت که باعث ایجاد خواص حافظه داری می گردند.
انواع آلیاژهای حافظه دار از نظر نوع آلیاژ
استینلس استیل ها
گرچه تعدادی از این آلیاژها دارای دگرگونی مارتنزیتی و اثر حافظه داری هستند ولی به علت قابلیت بازگشت ضعیف آنها نسبت به آلیاژهای نسل جدید چندان مورد توجه نمی باشند .
آلیاژهای Ni-Ti
این آلیاژها که به نام نیتاینول معروف هستند اثر حافظه داری بسیار مناسبی داشته و قابلیت برگشت قابل توجهی از خود نشان می دهند. لذا جزو آلیاژهای مطرح در این زمینه می باشند.
آلیاژهای پایه مس
از جمله مهمترین آنها Cu-Al-Ni و Cu-Zn-Al بوده که در صنعت مورد مصرف زیادی دارند .
دربین آلیاژهای حافظه دار سه آلیاژ Ni-Ti و Ni-Ti-Mo و Ti-Mo که هر سه از گروه آلیاژهای تیتانیم دار می باشند در پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند .
آلیاژ نیتاینول
اصطلاحا به آلیاژ نیکل – تیتانیوم ؛ نیتاینول گفته می شود (Nitinol)
نیتاینول یک ترکیب بین فلزی با درصد اتمی برابر از دوفلز می باشد و محلول جامد نمی باشد در مورد نیتاینول دو نکته مهم وجود دارد :
انعطاف پزیری آن در حد محلول های جامد فلزی می باشد.
نیتاینول دارای یک محدوده فلزی پایداری است که اجازه تغییر ترکیب و آلیاژسازی به ما می دهد.
ویژگیهای لازم برای آلیاژهای حافظه دار مورد استفاده در مهندسی پزشکی
زیست سازگاری
پیوند مناسب با بافت زنده
طول عمر
خواص فیزیکی و مکانیکی
امکان تولید اقتصادی
درمیان آلیاژهای حافظه دار نیتاینول تقریبا تمامی خصوصیات فوق را دارا می باشد و بنابراین در مهندسی پزشکی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربرد های پزشکی آلیاژهای نیتاینول
ساخت سیم های ارتودنسی دندانی به گونه ای که شکل اولیه سیم صاف و در محور می باشد. ارتودنسی باتوجه به این که دندانها خارج از محور خود می باشند ؛ در اثر استفاده از آلیاژهای حافظه دار با استفاده از خاصیت سوپر الاستیک در اثر فشار ناشی ازبرگشت سیم به حالت اولیه به دندان های خارج از موضع ؛ نیرو وارد نموده و با گذر زمان آن ها را به مکان های مناسب هدایت می کند .
در ارتوپدی به عنوان صفحات شکسته بندی به گونه ای که شکل دهی نهایی آلیاژ Ni-Ti در ناحیه آستنیت انجام شده و سپس تا دمای کمتر از Mf سرد می کنند و تا ۸% بر روی آن اعمال کشش می شود و در نهایت به استخوان شکسته شده پیچ می گردد. و پس از حرارت دهی به سبب تمایل به برگشت به حالت اولیه بر روی استخوان فشار وارد می نماید. (استخوان تحت فشار سریعتر ترمیم می شود)
در ساخت فیلتر های جمع کننده لخته خون به گونه ای که فیلتررا در دمای پایین تحت تغییر فرم قرار داده ( جمع می کنند) و پس از ورود به درون رگ باز شده و عمل فیلتر کردن را انجام می دهد.
در ساخت ماهیچه های مصنوعی انقباضی در قلب مصنوعی
در ساخت استنت ( لوله های مشبک در مجاری عبور مایعات مثل رگهای خونی) برای باز کردن عروق مسدود شده . روش کار به این صورت است که ابتدا آلیاژ را در دمای پایین تغییر فرم داده ( استنت را جمع می کنند ) و پس از قرار دادن آن در داخل رگ وهدمایی با بدن ، باز شده و سبب گشاد شدن رگ می گردد.
تهیه کننده : نادر نیازمند
Refrences:
Handbook of materials foe medical devices
Park.Biomaterials an introduction