Металл с памятью формы в медицине
Обновлено: 30.06.2024
Рассмотрена технология создания электронной библиотеки библиотеки eSM@ " Применение сверхэластичных материалов с памятью формы в науке, технике и медицине (гепатологии)". Сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности (СЭ) сегодня широко и эффективно применяются в медицине, кардинально изменив свойства традиционных конструкций и став основой для многих новых медико-технических решений.
В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 28.08.01г. "О федеральной целевой программе "Развитие единой образовательной информационной среды (2001 - 2005гг.)" одной из ключевых задач развития информационных технологий в сфере образования является создание электронных библиотек как средства накопления и распространения информационных ресурсов. Программа предусматривает формирование единых тематических систем информационного и научно-методического обеспечения образования и обеспечение доступа к ним. Наполнение электронных библиотек должно происходить на основе уже имеющихся и вновь создаваемых информационных ресурсов в электронной и традиционной бумажной форме.
В настоящее время коллекции электронных документов в мировом информационном пространстве растут в геометрической прогрессии. Электронные документы в отличие от классических бумажных носителей имеют ряд преимуществ (хотя последние удобнее читать): электронные документы не локализованы и благодаря телекоммуникационным связям электронный документ может быть доступен из любой точки, т.е. легко копируются и передаются; электронные документы могут использоваться одновременно несколькими пользователями в одно и тоже время; электронные документы легко форматировать, сочетать с другими документами, изменять и т.д.; коллекции электронных документов компактно хранятся и занимают намного меньшее по объёму место, чем их традиционные бумажные аналоги; электронные носители меньше подвержены влиянию случайных и временных факторов, а для защиты данных коллекции электронных документов допускают многократное резервное копирование и создание страховых архивов, в т.ч. на сменных носителях.
Фонды библиотеки свыше 10 Гбт - это полные тексты электронных статей, материалы конференций, тексты патентов. Пакет текстов патентов (около 12500 - все отечественные и зарубежные патенты по сверхэластичным сплавам с памятью формы, начиная с 1961 г., в том числе по их применению в различных областях медицины - абдоминальной хирургии, хирургической гастроэнтерологии, гепатологии и т.д.) сопряжён с системой автоматизации библиотек IRBIS. В результате применение в качестве программной оболочки системного решения IRBIS позволило автоматизировать хранение данных, поиск по любым восьми элементам библиографических описаний, просмотр, экспорт и печать результатов поиска и любых фрагментов базы данных в заданном формате. Импорт в базу проведен с помощью специально разработанного нами программного обеспечения HTMTEXT.
На основе анализа БД нами установлено, спектр перспективного применения СЭ сплавов с памятью формы в медицине достаточно широк, и можно прогнозировать дальнейшее его расширение. Доля авторских свидетельств и патентов на изобретения по применению никель-титановых сплавов с памятью формы в различных областях медицины составила: травматология и ортопедия - 28,57%; стоматология - 20,86%; медицинская техника и хирургические инструменты - 5,49%; абдоминальная хирургия и хирургическая гастроэнтерология - 6,81%; челюстно-лицевая хирургия и хирургическая стоматология - 5,84%; патологии сердечнососудистой системы - 5,86%; урогинекология и реконструктивная хирургия мочеполовой системы и желудочно-кишечного тракта - 2,20%; удаление инородных тел из полых органов - 2,25%; офтальмология - 1,92%; герниопластика - 1,76%; хирургия желчевыводящих путей и других органов гепатопанкреатодуоденальной зоны - 2,59%; уронефрология - 1,62%; онкология - 1,64%; имплантология - 1,04%; нейрохирургия - 1,05%; сексология и контрацепция - 1,07%; трахеобронхиальная, торакальная хирургия - 0,86%; колопроктология - 0,43%; электрохирургия - 0,44%; оториноларингология - 0,44%; отиатрия - 0,22%; эндоскопическая лапароскопическая хирургия - 0,22%; алопеция - 0,22%. Одновременно растет число ежегодно запатентованных изобретений (в среднем на 10% в год) в технологически развитых странах мира. Доля технологически развитых стран (всего 98,9% от общего числа патентов) в опубликованных изобретениях: Япония - 54,7%; США - 17,2%; СССР и Россия - 6,0%; WO-патенты - 5,3%; EP-патенты - 3,9%; Китай - 2,8%; Канада - 2,6%; Германия - 1,8%; Австралия - 1,5%; Великобритания - 1,2%; Франция - 1,0%; Южная Корея - 0,8%. Многие из предложенных способов лечения с применением материалов с ЭПФ и СЭ апробированы и успешно используются в повседневной клинической практике, в том числе абдоминальной хирургии, хирургической гастроэнтерологии и гепатологии (наиболее известны биоинертные атравматичные сверхэластичные литоэкстракторы из никелида титана, билиарные стенты, шовный материал и т.д.), что позволило принципиально повысить возможности существующих технологий, радикально улучшив качество лечения и жизни
больных.
Новизна проведённого специального справочно-библиографического исследования состоит в следующем:
Материалы с памятью формы
Металл с памятью – материал, который после его изгиба или другой деформации может восстановить начальную форму после воздействия на него теплом или электричеством. Наличие связи титана и меди, которые, распределенные по всему объему, укрепляют материал.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.05.2019 |
| Размер файла | 619,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
"Казанский национальный исследовательский технологический университет"
Реферат на тему
"Материалы с памятью формы"
Выполнила: Салахова Айгуль
Проверил: доцент Догадкин В.Н.
Содержание
1. Сплавы с эффектом памяти формы
2. Механизм эффекта памяти формы
3. Мартенситное превращение
МПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.
В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.
Новый материал с памятью остается целым даже после десятков миллионов раз трансформации его формы. Это достижение может наконец проложить путь для широкого применения материалов с памятью формы.
Рис.1 Сплавы с эффектом памяти формы
В теории, металлы с памятью формы должны стать революцией в каждой части технологической индустрии. Металл с памятью - это материал, который после его изгиба или другой деформации может восстановить начальную форму после воздействия на него теплом или электричеством. Такие футуристические материалы существуют уже на протяжении десятилетий. Основным недостатком металлов с памятью формы было их скорое изнашивание. В зависимости от сплава, такие металлы постепенно теряют возможность восстанавливать форму после трансформации от нескольких раз до нескольких тысяч. Поэтому до этих пор практическое использование металлов с памятью формы было не целесообразно.
Материаловед Manfred Wuttig из Мэрилендского университета говорит, что открытие, сделанное его командой, является итогом долгой изнурительной работы по поиску прочного металла с памятью формы. Статья, которая детально описывает данное открытие опубликована авторами в журнале Science . Образец представляет собой тонкую пленку из сплава титана и никеля (никелид титана или нитинол) с малым содержанием меди.
Ученые обнаружили металлический сплав с эффектом памяти формы случайно, и то, как полученный материал держит форму длительное время без износа еще неясно. Исследователи предложили возможные причины прочности материала. Нужно сначала понять, как работает материал с памятью формы. Для простоты, представьте, что атомы, которые составляют материал, могут создавать две разные атомные конфигурации в зависимости от того, воздействует ли на них тепло, электричество или магнитное поле. Для примера, вообразите, что металл с памятью формы состоит из атомов, расположенных таким образом, что они формируют кубическую структуру при комнатной температуре. Под действием приложенного к металлу тепла, эти атомы реорганизуются и уже образуют гексагональную упаковку, как пчелиные соты, что поменяет форму металла. При прекращении нагрева атомы возвращаются в начальное положение и снова образуют кубическую решетку. металл деформация титан
Как правило, материалы с памятью формы, при переходе их атомов между двумя конфигурациями, приобретают микродефекты. В новом сплаве титана и никеля с малым содержанием меди и кобальта, по-видимому, эти дефекты практически не возникают.
Возможно, причина, по которой сплав остается прочным, состоит в наличии связи титана и меди, которые, распределенные по всему объему, укрепляют материал. Такие титан-медные блоки удерживают прочную конструкцию при обеих конфигурациях атомов, в которую затем располагаются другие атомы.
Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. Был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы - эффект памяти формы (ЭПФ) - может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться. Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 - 1300 МПа. Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях. В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы. Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рис.2. При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается при некоторой температуре Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак - Мн или Ан - Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 2,а и б)
Рис. 2 - Зависимость фазового состава сплава от температуры:
а - широкий гистерезис; б - узкий гистерезис
Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: То - температура термодинамического равновесия; Мд - температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад - температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 2, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе - ниже этой температуры (рисунок 2, а). Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. Е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд(но выше Ак), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рисунке 2 превращение аустенит - мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно связанный с этими явлениями. В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения превращения мартенсита в аустенит. Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti - Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu - А 1 - Ni и Сu - Al - Zn. Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti - Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 1 и на рисунке 3.
Таблица 1. Характеристические температуры сплавов Ti-Ni
Рис. 3 - Зависимость температур прямого и обратного мартенситного превращений от состава сплава Ti - Ni 9
Из таблицы 1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti - Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку. Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К. Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению Мн и Мк вплоть до -196°С, а введение Zr, Та, Nb - к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.
Чтобы понять феномен явления его достаточно один раз увидеть. Для эксперимента можно взять металлическую проволоку и изогнуть ее, а затем нагреть. Проволока от нагрева начинает распрямляться и затем восстанавливает свою исходную форму. Данный феномен происходит потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными. Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами, которые не являются чем-то необычным для металлических сплавов. Здесь необычность проявляется в другом: в мартенсит термоупругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта термоупругость мартенситных пластин при именно при нагреве, когда появляется внутреннее напряжение, стремящееся вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры и давления. В данном случае говорят, что происходит полиморфное превращение, то есть смена типа кристаллической решетки (происходит ее перестройка).
Полиморфное превращение может осуществляться при помощи двух способов: воздействия высоких температур, при которой подвижность атомов возрастает и мартенситного превращения. Что бы понять сущность первого способа можно представить в виде атомов детские кубики, а в виде кристаллической решетки- здание из этих кубиков-атомов. Чтобы осуществить полиморфное превращение, то есть построить из этих же кубиков, но уже другое здание необходимо просто разобрать старое и собрать новое здание. Поскольку путь каждого кубика при перестройке совершенно не связан с другими, то он может оказаться абсолютно в любом месте нового здания. Перестройка решетки по такой схеме может произойти только в случае, когда диффузия, то есть подвижность атомов достаточно высока, для того чтобы осуществить перемещение их на совершенно новые места. Однако, для того чтобы произвести перестройку кристаллической решетки, когда температура полиморфного превращения не достаточно высока, нужно применять бездиффузионный способ. При изучении закалки - одного из древнейших и основных процессов термической обработки стали был и обнаружен такой бездиффузионный способ. В результате закалки образуется фаза с новой кристаллической решеткой, то есть мартенсит. Именно поэтому второй способ смены типа кристаллической решетки (полиморфного превращения) получил название мартенситного превращения. Мартенситное превращение является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Данный способ характерен для сталей, чистых металлов, полупроводников, цветных сплавов и полимеров всегда в случае перестройки решетки при отсутствии диффузии. Если вернуться к примеру с кубиками-атомами, то в случае с мартенситным превращением особенность заключается в том, что отсутствует диффузия и поэтому старое здание невозможно просто разобрать. Здесь кубики перемещаются без разрушения межатомных связей, то есть не отрываясь друг от друга и почти одновременно из старых положений в новые. Мартенситное превращение потому иногда называют сдвиговым, что такое согласованное и коллективное перемещение носит характер сдвига. Именно кооперативный сдвиг атомов приводит к неизбежному изменению формы объема сплава, а изменение формы и является главной особенностью мартенситного превращения. С данной особенностью и связан эффект памяти сплавов, однако не все сплавы, которые претерпевают мартенситное превращение, могут обладать памятью. При мартенситном превращении изменение формы является необходимым условием, но все же недостаточным для проявления памяти. Можно выделить три основных события в истории изучения мартенситных превращений, оказавших непосредственное влияние на формировании нового направления, которое занимается изучением эффекта памяти формы в сплавах и применением данного эффекта. Первое из этих трех событий произошло в 1949 году, когда была опубликована статья Г.В. Курдюмова и Л.Г. Хандроса "О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях" в журнале "Доклады Академии наук СССР". В данной статье описывалась особенность мартенситного превращения в медном сплаве. Она заключалась в том, что при охлаждении этого медного сплава мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве и вовсе постепенно исчезали. В данном случае, если провести аналогию с пружиной, можно сказать, что она способна останавливать рост кристалла прежде, чем разрушится сама. Подпружиненным оказывается кристалл мартенсита, что в свою очередь и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой. Получается, что если охлаждать, то граница будет смещаться в одну сторону, а если нагревать- в другую, т.е. обратную. Описанное явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле. Стоит отметить, что изменением формы сопровождается и термоупругое мартенситное превращение, только в данном случае изменение имеет обратимый характер. И именно такое превращение и обеспечивает память металлов. Второе событие относят к 1958 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе было представлено устройство двух американских ученых: Т. Рида и Д. Либермана. Основой такого устройства служил тонкий длинный стержень из золото-кадмиевого сплава. Один его конец был жестко закреплен в стойке в горизонтальном положении, а на другой вешали груз и под тяжестью он изгибался. Однако необычным было то, что когда стержень нагревали, то он выпрямлялся и спокойно поднимал груз, если же его охлаждали, то он снова становился изогнутым. Таким способом было наглядно продемонстрированно свойство памяти формы у металлов. В начале 60-х годов в Америке произошло третье ключевое событие, когда в результате поиска прочного, относительно легкого и при этом имеющего способность работать в агрессивных средах, ученые создали сплав никеля с титаном в пропорции один к одному. Данный сплав при обработке проявил свойство памяти формы, о котором даже не подозревали. Эффект памяти проявлялся очень сильно и это открывало широкие перспективы для использования такого сплава. Новый материал получил название нитинол- производное от трех слов: никель, титан и название лаборатории НОЛ. Как стало известно позже, и в данном случае свойство памяти формы основывалось на мартенситном превращении.
4. Нитинол
Сплав титана и никеля практически в равных пропорциях (45% и 55%) принято называть нитинолом или никелидом титана. Данному сплаву присущи такие свойства, как память первоначальной формы и сверхупругость.
Рис.4 Нитинол
Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре.
Рис.5.Схема эффекта памяти
Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид.
Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni - никель и Ti - титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol - Naval Ordnance Laboratory). Это произошло это в 1959 году.
Материалы с памятью формы в медицине
Эффект памяти формы и его механизм. Свойства сплавов на основе никелида титана. Технология получения сплавов с памятью формы, основанная на методе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Применение материалов с памятью формы в медицине.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.11.2017 |
| Размер файла | 3,0 M |
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского»
Кафедра «Материаловедение и технология обработки материалов»
Курсовая работа
По дисциплине: «Материаловедение и технологии конструкционных материалов»
На тему: «Материалы с памятью формы в медицине»
Автор: студентка группы 4МЕД-3ДБ-100
Руководитель: Гуртовая Г.В.
1. Эффект памяти формы и его механизм
2. Материалы с памятью формы в медицине
2.1 Никелид титана
2.2 Свойства сплавов на основе никелида титана
3. Технология получения сплавов с памятью формы, основанная на методе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
4. Применение материалов с памятью формы в медицине
4.1 Применение имплантатов из нитинола для хирургического лечения повреждений и заболеваний позвоночника и спинного мозга
Список использованных источников
Введение
Применение металлов и сплавов в качестве имплантируемых в организм материалов имеет давнюю историю. Еще в 2500 году до нашей эры в Финикии использовали для лечения зубов металлические конструкции. В Древнем Риме большое распространение получили искусственные металлические зубы, а металлическая проволока применялась для фиксации костных отломков. Вплоть до конца XVIII века использовались в основном чистые металлы: золото, серебро, медь. В XIX столетии в связи с улучшением технологии выплавки металлов и сплавов распространение получили имплантаты из высококачественных сталей.
В 1925 году впервые в качестве фиксатора использована нержавеющая сталь. Однако внимание травматологов-ортопедов привлек хромо-кобальтовый сплав, который в дальнейшем получил более широкое распространение, чем нержавеющая сталь, вследствие своей биологической инертности. 50-е годы XX столетия ознаменовались применением тантала и титана в качестве имплантатов различного назначения. Тантал является биоэнертным материалом, но широкого распространения не получил из-за большого удельного веса и недостаточной жесткости. В настоящее время его применение ограничено использованием тонкой проволоки. В отличие от тантала титан имеет лучшие физико-механические свойства и характеризуется биологической совместимостью с тканями организма. В 70-е годы появились примеры использования нового класса материалов - сплавов с памятью формы, которые принципиально отличаются от упомянутых выше металлических медицинских материалов тем, что они удовлетворяют требованиям высокой прочности и пластичности, упругости и жесткости, гибкости и эластичности, износостойкости и вязкости [1].
Эффект заключается в способности ненагруженного материала под воздействием внешнего напряжения и изменения температуры накапливать деформацию (10-15%), обратимую либо при нагреве, либо в процессе снятия внешнего напряжения (сверхэластичность). Деформация может накапливаться при активном нагружении, а также при изменении температуры сплава, находящегося под воздействием одноосного или сдвигового напряжения. Типичный рабочий цикл для такого материала представлен на рисунке 1. Деформация на этапе б-в (рисунок 1) накапливается за счет переориентации кристаллов мартенсита (эффект мартенситной неупругости) и остается после снятия нагрузок. Эффект памяти формы проявляется на этапе в-г (рисунок 1), где материал самостоятельно восстанавливает свою форму и может развить значительные усилия.
Рисунок 1. Схема деформирования стержня с эффектом памяти формы (а-г) и зависимость объемной доли мартенсита q от температуры Т (д) [2, с. 10].
К сплавам с памятью формы, кроме никелида титана, относятся AuCd, Cu-Al-Zn, AgCd и др. В основе эффекта памяти формы лежат мартенситные превращения, для которых типичны слабая зависимость температур начала и окончания превращения от скорости изменения температуры, чаще всего обратимый характер превращения, заметное несовпадение (гистерезис) температур прямой и обратной реакции и другие признаки. Высокотемпературную модификацию принято называть аустенитом, а низкотемпературную - мартенситом (рисунок 1). Температуры мартенситных превращений сильно зависят от химического состава сплавов, их термической и механической обработки. Например, характеристические температуры никелида титана лежат в пределах 30-80°С, редко выходя за этот интервал, однако легирование железом снижает их примерно на 150-200°С, то есть до -170 … -70°С.
Кинетика мартенситных превращений имеет ярко выраженный гистерезис (рисунок 1 д). Если материал охлаждать из аустенитного состояния, то вначале каких-либо фазовых преобразований не происходит. Однако, начиная с некоторой характеристической температуры, которую принято обозначать Ms, появляются первые кристаллы мартенсита, следовательно, увеличивается и доля мартенситной фазы в объеме материала. По мере дальнейшего охлаждения их размеры и количество увеличиваются, пока кристаллы не заполнят при температуре Mf весь объем. Такое превращение называется прямым и при наличии внешней нагрузки сопровождается появлением большой деформации (эффект пластичности превращения). При последующем нагреве, начиная с температуры As, мартенсит начинает переходить в аустенит. При этом накопленная деформация начинает медленно исчезать, до тех пор, пока температура не станет выше Af и произойдет восстановление формы.
Такие сплавы используются в качестве биомедицинских имплантатов: стентов, ортодонтических проволок, фильтров, фиксаторов, скобок для остеосинтеза, пластинок и т.д. [2].
При применении сплавов с ЭПФ в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только надежность выполнения механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойства в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), биологическую надежность (биологическую совместимость, отсутствие токсичности, канцерогенности, сопротивление образованию тромбов и антигенов). Простые металлические элементы имеют сильное токсичное действие, но в соединении с другими элементами обнаруживается эффект взаимного ослабления токсичности. Однако большее значение, чем образование ионов, имеет растворимость пассивирующих пленок, возникающих на поверхности металлов. Например, используемые в качестве биологических материалов хромоникелевые сплавы, кобальтхромовые сплавы, чистый Ti, сплав Ti-6Al-4V [% (ат.)] содержат элементы, имеющие сильное токсичное действие в виде простых элементов, но пассивирующие пленки, образующиеся в контакте с биологическими организмами, являются достаточно стабильными [3].
Титан и его различные соединения широко используются в медицине без каких-либо неблагоприятных влияний. Содержание титана в организме человека составляет 9 мг. Соединения титана и титан плохо поглощаются организмом, хотя со временем он может накапливаться в легких, где обнаружены его самые высокие концентрации, 2,4 мг. Титан был найден и в лимфатических узлах, почках и печени, куда он попадает через кровь. В костной ткани содержится менее 1 мг/кг. Установлено, что допускается ежедневное потребление около 300 мкг титана.
Основным достоинством никелид-титановых имплантатов является пластичность и способность восстановления первоначальной формы при смене температурного режима. Однако любой металл - инородный материал для организма, в связи с чем, имплантат будет вызывать реакцию его тканей. Степень выраженности этой реакции является одной из основных характеристик любого имплантируемого материала. Сплав никеля и титана имеет преимущества, так как на его поверхности образуется защитная оксидная пленка, значительно повышающая степень его биологической инертности и коррозионной стойкости. Оксидная пленка (диоксид титана) самопроизвольно формируется в кислородосодержащей атмосфере за несколько минут, достигая толщины от 10 до 100 нм, представляет собой стойкое керамическое соединение, на котором могут отлагаться плазменные белки, органический и минерализованный матрикс кости. Приживаемость никелид-титановых конструкций связана с взаимодействием их с тканями. В опытах на животных показано, что между контактирующей тканью и никелид-титановым имплантатом имеется связь: соединительная ткань прорастает в поры металлоконструкции, постепенно заполняя их и повторяя рельеф, обеспечивая механическую фиксацию на межфазной границе. При увеличении времени пребывания никелида титана в организме наблюдается уплотнение тканевых структур в порах и вокруг имплантата [1].
В общих чертах диаграмма состояния системы TiNi представлена на рисунке 2.2. Было установлено, что гомогенный интервал интерметаллического соединения TiNi лежит в пределах 49-53 ат.% Ni при температуре 800 °С и 49,5-51 ат.% Ni при температуре 400 °С. За пределами области гомогенности сплав состоит в основном из фаз TiNi+Ti2Ni, при его обогащении относительно эквиатомного состава титаном и TiNi+ TiNi3 при обогащении никелем.
Система характеризуется наличием двух соединений: TiNi и TiNi3, плавящихся конгруэнтно соответственно при 1240 и 1378 °С, а также Ti2Ni, образующегося при 1015 °С по перитектической реакции. Три эвтектические реакции протекают при 955, 1110 и 1287 °С, эвтектоидная - при 770°С.
Рисунок 2.2. Диаграмма состояния системы TiNi [4, c. 84].
За пределами области гомогенности сплав состоит в основном из фаз TiNi+Ti2Ni, при его обогащении относительно эквиатомного состава титаном и TiNi+ TiNi3 при обогащении никелем. Если относительно состава фазы, обогащенной титаном, разногласий нет, то при исследовании составов, обогащенных никелем, результаты разных авторов заметно отличаются. На рисунке 2.3 приведен наиболее вероятный вариант диаграммы состояния и кристаллические структуры системы TiNi. Электронно-микроскопическими и нейтронографическими исследованиями подтверждено наличие в исходном состоянии (в-фаза) сверхструктуры В2 (типа CsCl). Нарушение дальнего порядка не происходит вплоть долинии солидуса, т.е. до температуры плавления TiNi.
Параметры решетки при стехиометрическом составе а=3,02 А. В идеальном кристалле стехиометрического состава АВ атом А занимаем б положение (0,0,0), а атом В - в положение (Ѕ, Ѕ, Ѕ ). По типу решеточных дефектов сплавы со структурой В2 могут быть разделены на две группы. Первая - решеточные дефекты возникают в результате попадания атомов А в положение в и атомов В в положение б. Этот тип дефектов называют антиструктурным, или дефектами замещения. Вторая группа решеточных дефектов - только атомы В попадают в узлы подрешетки б. Такой тип дефектов называют трипл-дефектами (для стехиометрического состава существует одновременно три типа дефектов: две вакансии в в подрешетке и один атом В в узле б подрешетки) [4].
Рисунок 2.3. Диаграмма состояния и кристаллические структуры системы TiNi [4, c. 85].
Механические свойства сплавов на основе никелида титана меняются в широких пределах в зависимости от способа изготовления, легирования, термической и термомеханической обработки. Сплавы стойки к коррозии, износу, немагнитны, совместимы с биологическими тканями, обладают высокой демпфирующей способностью [5].
В таблице 2.1 приведены химический состав и свойства сплавов ТН1 и нитинола.
Новый метод производства усовершенствовал медицинский сплав c памятью формы
Улучшить технологию получения медицинских сплавов с памятью формы смогли ученые НИТУ «МИСиС» в сотрудничестве с российскими и иностранными коллегами. Новая методика позволит повысить надежность существующих хирургических устройств и разработать ряд новых. Результаты исследования опубликованы в журнале JOM.
Сплавы с памятью формы (СПФ) – материалы, способные восстанавливать свою форму после серьезных деформаций. Наиболее широко используются интерметаллические СПФ на основе Ti-Ni (титан-никель), применяемые в имплантатах и «умных» медицинских устройствах с высокими требованиями к надежности – таких как самоизвлекаемые хирургические скобки или сосудистые стенты для кардиохирургии.
Максимальные показатели обратимой деформации у сплава Ti-Ni можно получить за счет формирования ультрамелкозернистой структуры путем термомеханической обработки при температуре не выше 600 °C. Однако современные технологии производства никелида титана, как сообщили ученые, предполагают плавку и обработку при температурах от 800 до 900 °С, что не позволяет получать массивные заготовки СПФ с ультрамелкозернистой структурой.
Специалисты НИТУ «МИСиС» впервые нашли параметры термомеханической обработки никелида титана, которые позволят получать массивные изделия из СПФ не только с необходимой наноструктурой, но и повышенными функциональными свойствами.
«Мы показали, что температура деформации в 300 °С является граничной для перехода от низкотемпературного типа диаграмм деформации к высокотемпературному. Наиболее высокие характеристики формовосстановления с динамически полигонизованной структурой реализуются после деформации при 300-600 °С. Этот интервал обработки наиболее перспективен для формирования ультрамелкозернистой структуры и повышения функциональных свойств сплава Ti-Ni», — рассказал научный сотрудник лаборатории «Ультрамелкозернистые металлические материалы» НИТУ «МИСиС» Виктор Комаров.
Использование никелида титана, наноструктурированного по новой технологии, как объяснили ученые, позволит существенно снизить металлоемкость и повысить надежность устройств на основе эффекта памяти формы.
В ходе исследования ученые НИТУ «МИСиС» впервые получили диаграммы деформации и изучили формирование структуры СПФ при температурах ниже 600 °C, наиболее перспективных для образования наноструктур. По словам ученых, анализ полученных данных позволил также определить температурные диапазоны динамических процессов возврата, полигонизации и рекристаллизации СПФ.
В исследовании приняли участие сотрудники Института металлургии и материаловедения им. Байкова РАН и Технического университета «Фрайбергская горная академия» (TUBAF, Германия). Научный коллектив продолжит разработку рекомендаций по термомеханической обработке СПФ Ti-Ni в промышленных условиях.
Разработчики прогнозируют, что сплав Ti-Ni с ультрамелкозернистой структурой и улучшенными функциональными свойствами позволит создать новое поколение медицинских устройств на основе эффекта памяти формы.
Включенный в жизнь тканей
Сибирские специалисты работают с имплантатами на основе никелида титана, проявляющими эффект памяти формы. Инновационный медицинский материал давно с успехом зарекомендовал себя в имплантологии и в настоящее время получил широкое распространение во многих отраслях хирургической медицины. Теперь на основании этого сплава рассматриваются и внедряются различные методы лечения.
Еще в 70-80-е годы прошедшего столетия в отечественной и зарубежной медицинской практике нашли применение сплавы с эффектом памяти. Такие материалы применяют в реконструктивной и пластической хирургии. Они не просто замещают отсутствующие органы и восполняют тканевые дефекты, но и адаптируются к живым тканям.
Команда сибирских физиков, инженеров и клиницистов следует научным традициям, разработанным профессором Виктором Эдуардовичем Гюнтером, который и теперь возглавляет НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института при Томском государственном университете (НИИ медицинских материалов при СФТИ ТГУ).
В. И. Гюнтер открыл закон запаздывания биологических тканей. То есть, каким образом работает живая ткань в процессе нагрузки и разгрузки, а точнее, в условиях функционирования организма, в отличие от неживых материалов. Суть его в том, что существует не линейная, а гистерезисная зависимость между деформацией тканей и возвратом к её исходной форме. Это свойство живых тканей стало обязательным условием при работе с имплантируемыми в организм материалами, которые должны быть прочными, пластичными, изно-, цикло- и коррозионностойкими.
Опираясь на знание особенностей поведения биологических тканей, сибирские специалисты разработали технологии получения сплавов, которые обладают термомеханической памятью или памятью формы. В основе материала с памятью формы (никелида титана), предложенного отечественными учеными, лежит интерметаллическое соединение никеля и титана. При охлаждении до +3°С такой сплав пластичен и поддается деформации, а при нагревании до температуры тела принимает исходно заданную форму. Учитывая такие важные параметры, стало возможным использование таких сплавов для фиксации костных тканей. Такие материалы отличают прочность конструкции и биосовместимость, что в целом содействует эффективности лечения.
Недавно российские специалисты в сотрудничестве с зарубежными коллегами представили критический обзор в международном рецензируемом издании Materials (2019, 12, 2405). Здесь основное внимание уделено вопросам создания и внедрения имплантатов на основе никелида титана, изучаемым в ходе многолетних экспериментальных исследований, кроме того, рассмотрено клиническое применение этих материалов в разных отраслях медицины, в частности, в челюстно-лицевой хирургии, стоматологии, травматологии, ортопедии, а также при создании криоинструментов.
Андрей Анатольевич Радкевич – практикующий врач в области челюстно-лицевой хирургии, доктор медицины, профессор кафедры хирургической стоматологии челюстно-лицевой хирургии Красноярского медицинского университета имени В. Ф. Войно-Ясенецкого, ведущий научный сотрудник Института медицинских проблем Севера ФИЦ КНЦ СО РАН (г. Красноярск) – совместно с коллегами-единомышленниками 30 лет занимается разработкой инновационных методов реконструктивной хирургии с использованием никелида титана для материалов с эффектом памяти и внедрением их для разных задач хирургии. Сибирский ученый-практик рассказал, в чем состоит специфика имплантационных материалов, какие существуют виды имплантатов и каким образом они функционирует в организме человека.
На фото – Радкевич Андрей Анатольевич – доктор мед. наук, профессор кафедры хирургической стоматологии челюстно-лицевой хирургии Красноярского медицинского университета имени В. Ф. Войно-Ясенецкого, ведущий научный сотрудник Института медицинских проблем Севера ФИЦ КНЦ СО РАН (г. Красноярск)
«Проблема реконструктивной хирургии до сих пор остается актуальной. В чем она заключается? В том, что в реабилитации больных данной категории необходимо с наибольшей эффективностью заместить утраченные ткани и органы. Например, от опухоли пациента избавили, но одномоментно перевели в разряд инвалидов, –
Андрей Радкевич отмечает главную задачу врача, работающего с имплантатами, и поясняет, какова специфика таких материалов –
Для того, чтобы устранять тканевые дефекты, существуют трансплантационные и имплантационные материалы. Трансплантационные материалы – это материалы, имеющие биологическую природу, например из одной части тела забрали и к другой части пересадили у одного человека, или пересадили от трупа или от животного. Но есть недостатки: собственные ткани пересаживать – это дополнительная операционная травма. Еще минус, например, ребро не повторяет форму челюсти – не тот результат. Плюсы – это собственная ткань, она прирастает и не отторгается.
Существуют другие трансплантационные материалы, например, аллогенные (от человека) и ксеногенные (от животных). Но это мертвая ткань. Мертвое все-таки к живому плохо приживается. Организм должен отторгнуть и заместить чем-то своим. Это не всегда соответствует задачам операции. Может быть рубец на кости».
Напротив, имплантационные материалы, как сообщил профессор Андрей Радкевич, «повторяют изъяны человека, их можно индивидуально изготовить и не надо забирать свои ткани. К имплантационным материалам предъявляют важное требование – биологическая совместимость. В этом случае, не надо травмировать другие ткани человека и можно повторить форму изъяна. Другое важное требование – биохимическая совместимость (то есть, когда имплантационный материал не вступает в химическую реакцию с биологическими жидкостями - с кровью или лимфой). Мало того, чтобы имплантат функционировал в организме и не только вступал с химическую связь, он должен при нагрузке и разгрузке восстанавливать исходную форму, подобно живым тканям».
Имплантационные материалы делятся на индуктивные (при установке этих материалов своя кость растет) и кондуктивные (это дефект или дырка в кости, которую нужно закрыть другим куском).
«Многие зарубежные материалы – кондуктивные. Наши материалы, в отличие от других, при нагрузке и разгрузке ведут себя так же, как биологическая ткань. Мы создали металлический материал, который не вступает в химическую реакцию и может принимать исходную форму, как живые ткани. Это биосовместимые материалы», – подчеркнул профессор Андрей Радкевич.
Пористые сплавы TiNi показали высокий уровень биоинертности, биосовместимости и биомеханики in vivo в течение периода имплантации в организме. Их изучали экспериментальным путем в НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института и затем эксплуатировали никелидтитановые конструкции, имплантируя в организм больных разного рода травм и поражений.
Материалы на основе этого сплава, по замечанию профессора Радкевича, «при нагрузке и разгрузке после установки в организм ведут себя точно так же, как и окружающие ткани: деформируются и восстанавливают исходную форму, а не разрушаются, например, в отличие от титановых сплавов. Это их главное преимущество».
Кроме того, материалы с эффектом памяти формы TiNi имеют разную геометрическую форму.
«Материалы на основе никелида титана, которые мы применяем для имплантации в организм, бывают пористые, монолитные сетчатые, тканевые. Имеют разную структуру для разных задач. Например, если кости черепа или лобные кости нужно заместить – то используют пластинчатые имплантаты, а если глазное дно, а там травма, оскольчатый перелом и глазное яблоко опускается, – то применяются сетчатые имплантаты», – пояснил профессор Радкевич.
Рисунок 1. Сверхэластичный тонкопрофильный сетчатый имплантат на основе никелида титана
Каким образом можно наблюдать проявление эффекта памяти формы?
«Например, монолитные материалы применяются как скобы для фиксации ткани. Берется скоба́ и нагревается до 400°С или 700°К, а проволока может быть разной толщины (1, 5 мм или 0, 8 мм) в зависимости от того, для детей или для взрослых, и какое усилие будет развиваться. Затем она изгибается в виде скобы, например, в виде разомкнутого равнобедренного треугольника, её охлаждают до +3°С и ниже – и мы можем ее гнуть, как пластилин. При 35°С и выше она снова принимает ту же форму, которую ей надо держать, и скобы фиксируются. Это и есть память формы», – ответил Андрей Радкевич.
На рисунках вверху слева и внизу - имплантаты из ТН-10 для фиксации костных тканей, вверху справа - пористые имплантаты из никелида титана (ТН-10)
Но так же работает эффект памяти формы не только в травматологии. Например, этим же способом пользуются для фиксации трансплантатов в онкологии и стоматологии. В таком случае берут пористый материал, как губка (см. Рисунок 3).
Рисунок 3. Пористые имплантаты из никелида титана (ТН-10)
«Сквозь поры кость должна прорасти через этот материал. Не вокруг облегать – этого мало. Тогда пористая система и этот имплантат станут единым целым. Нагрузка на жевательные зубы 60-80 кг. Когда человек сжимает зубы, пористая система деформируется, а разжимает – принимает исходную форму. Кровь должна циркулировать, и за счет этого кость будет живая в толще имплантата», – объясняет Андрей Радкевич.
Чтобы полностью понять поведение сплава, а также срок эксплуатации имплантатов на основе этого материала после имплантации, нужно проверить его характеристики, такие как устойчивость к повреждениям, биомеханические нагрузки, анатомический результат. Эксперименты и медицинская практика подтвердили физико-механические особенности никелида титана.
Применение имплантатов на основе TiNi у пациентов с травматическими повреждениями, при челюстно-лицевой хирургии и иными заболеваниями показало высокий уровень биосовместимости с живыми тканями. Кости выдерживают нагрузку, имплантат хорошо приживается даже в ранний послеоперационный период.
Андрей Радкевич поделился опытом клинических наблюдений: «Например, при грыжах передней брюшной стенки. Если пациента оперировали несколько раз и ее рассекали, то со временем может развиваться несостоятельность тканей передней брюшной стенки, что неизбежно ведет к развитию грыжевых дефектов. Пластика местными тканями зачастую не эффективна, поэтому многие хирурги используют сетчатые имплантаты из пластмассы. Но пластмасса не обладает сверхэластическими свойствами, за счет чего часто возникают рецидивы заболевания.
А вот когда используем наши имплантаты, то получается другой результат. Мы в зону дефекта устанавливаем сверхэластичный сетчатый имплантат на основе никелида титана. Если больной напрягает живот – имплантат растягивается, расслабил - принимает исходную форму. Другими словами, он не отрывается, а именно растягивается. Это и есть эффект памяти формы в сплавах на основе никелида титана».
На снимке - рентгенограмма больной после замещения тела и правой ветви нижней челюсти по поводу амелобластомы и деструктивных изменений правой нижнечелюстной головки
Андрей Радкевич много лет провел у операционного стола и является автором 55 патентов на изобретение РФ. Предложенные и внедренные им методика и техника операции с имплантатами содействуют восстановлению и реабилитации больных.
«Я не ищу темы для научной работы. Пациенты сами их находят», – непритязательно отвечает профессор Радкевич на вопрос о планах работы с материалами с эффектом памяти формы.
Механические свойства, параметры формовосстановления, совместимость с биологическими тканями доказывают, что данный материал является оптимальным современным решением с эстетической и анатомической позиций для больных, нуждающихся в имплантации.
Медицина служит человеку. Собранный и обобщенный опыт врачебной и научной практики подтверждает, что технология хирургического лечения с использованием такого интерметаллического сплава, прежде всего, содействует сохранению здоровья человека и, конечно, открывает новые пути для профессионального развития в разработке имплантатов следующего поколения и методов лечения.
Читайте также: