‏بررسي ساختار و عملكرد آلياژهاي حافظه دار در پزشكي

تاريخچه :

در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذيري حافظه شكلي را در AuCd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردند
در سال 1956 مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. . در سال 1962 Buhler و همكارانش ،به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ تيتانيم و نيكل كه داراي اتمهاي برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد.
در سال 1967 در كنفرانس Nol ،Buhler و همكارانش تحقيقات گسترده خود را بر روي Nitionol و كاربردهاي تجاري فراوان در صنايع ارائه دادند . از جمله كاربردهاي مطرح شده ساخت كوپلينگ توسط شركت Raychem براي اتصال لوله هاي هيدروليكي مي باشد. كه در صنايع هوايي و نيروي دريايي ايالات متحده و همچنين در حوزه هاي نفتي درياي شمال مورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1980 ميلادي Micheal و Hawt با انتشار مقاله اي از نتايج تحقيقات خودشان بر روي برنج آنرا به عنوان ماده جديد حافظه دار معرفي كردند.

مقدمه :

در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كاملاً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول خود بر گردد .

شكل (1) سيكل حرارتي مكانيكي توصيف كننده پديده حافظه داري شكلي

شكل(1) چگونگي پديده حافظه داري شكل را با تبديل دو فاز آستنيت و مارتنزيت به يكديگر نشان مي دهد.
بررسي بر روي تغيير حالت متالورژيكي نمونه جامد ، تغيير آرايش اتم ها بدون هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز زمينه را نشان مي دهد. اين تغيير آرايش منجر به ايجاد ساختار كريستالي فاز جديد و پايدار مي شود. پيشرفت تغيير حالت بدون نياز به حركت و جابجايي اتمها به صورت مجزا ، را مي توان مستقل از زمان دانست و به همين دليل مي توان وابستگي دما را به عنوان تنها عامل پيشرفت اين تغيير نشان داد.

1- تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن:

تغيير حالت متالورژيكي جامدات از دو طريقه زير امكان پذير است .
1) حركت و جابجايي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغيير در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي.
2) تغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگي به زمان و هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي .
تغيير حالت هاي مارتنزيتي به طريقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زير است:
1) تغيير مكان به صورت شبه برشي مي باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شود.
2) ديفوزيون اتمي در آن اتفاق نمي افتد.
رفتار حافظه دار شدن كاملاً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم هاي آلياژ نبايد به هم بخورد.

2- كريستالوگرافي مارتنزيتي:

تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت از لحاظ كريستالوگرافي در سه مرحله قابل بررسي است .
1- تغيير فرم شبكه اي
2- برش ناهمگن
3- دوران شبكه اي
فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي در شكل 2 نشان داده شده است . در اين مرحله اتم ها با جابه جايي جزئي و هماهنگ، پيشروي فصل مشترك از هر لايه اتمي را موجب مي شوند.

بايد توجه داشت پديده حافظه داري بدون تغيير حجم و تغيير شكل امكان پذير بوده و برش ناهمگن توجيه كننده اين مطالب مي باشد.
برش ناهمگن در مارتنزيت به دو طريق امكان پذير است :
1) مكانيزيم لغزش يافتن صفحات اتمي
2) مكانيزيم تشكيل دوقلويي ها

تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي جزيي و گروهي اتمها با حفظ شبكه كريستالي نشان مي دهد.
بايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن باند هاي اتمي بعنوان مكانيزيم تغيير فرم پلاستيك دائم محسوب مي شود، در صورتي كه در مكانيزيم دو قلويي به علت انرژي پايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و لغزندگي نسبي تغيير فرم غير دائم است. در آلياژهاي حافظه دار ، كرنش هاي ناشي از تغيير حالت در اثر تشكيل يك جفت از دوقلويي هاي دو طرف مرز ذخيره سازي مي شوند و براي برگشت پذيري از آن استفاده مي شود.

شكل 4) مرز دوقلويي را نمايش مي دهد و هر يك از دوقلويي هاي دو طرف مرز دوقلويي يك وا ريانت را شامل مي شود. در صورت وارد كردن تنش برشي به مرز دو قلويي باعث حركت يكي از واريانت ها شده و واريانت ديگري حذف مي شود.(شكل 4 ،B) اين روند مي تواند تا تبديل تمامي واريانت به يك واريانت واحد ادامه يابد(شكل 4، C) .
بررسي پديده حافظه داري در تك كريستال آستنيت در شكل 5 نمايش داده شده است.

مرحله اول همانطور كه از شكل پيداست بعد از سرد كردن كريستال در زير دماي Mf واريانت هاي A و B و C و D تشكيل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش به كريستال ، واريانتها شروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واريانت واحد A تشكيل گردد. حين تشكيل واريانت واحد A كرنش هايي در جهت واريانتA ذخيره مي شود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن كريستال نمونه براي تبديل مارتنزيت به آستينت مي باشد از آنجاييكه كرنش ها تنها در جهت واريانت A ذخيره شده اند، پس تنها مسير براي برگشت پذيري، واريانت A مي باشد و نمونه به شكل اوليه خود باز مي گردد.

3- رفتار ترمومكانيكي:

آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي باشند در شكل 6 منحني هاي ساده تنش - كرنش براي آلياژ تيتانيم- نيكل مشاهده مي شود. آلياژ در دماهاي پايين ، متوسط و بالاي دماي استحاله مورد آزمايش قرار گرفته است. تغيير شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود . در حاليكه آستنيت در درجه حرارت بالا نياز به تنش نسبتا زيادي براي تغيير شكل دارد. خط چين روي منحني مارتنزيت نمايانگر برگشت پذيري آلياژ بعد از برداشتن تنش وارد شده بعد از گرم كردن نمونه و تبديل به فاز آستنيت مي باشد ولي چنانچه كه مشاهده مي شود در منحني مربوط به آستينت با برداشتن تنش و گرم كردن نمونه امكان برگشت پذيري وجود ندارد.

4- خاصيت ارتجاعي كاذب:

خصوصيت جالب توجه درباره منحني تنش - كرنش درقسمت منحني C ديده مي شود.به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي بالاتر از درجه حرارت انتقال ، در درجه حرارت بالاي Af به نمونه در فاز مارتنزيت تنش وارد مي شود. با افزايش مقدار تنش ، تغيير شكل نيز به صورت يكنواخت افزايش مي يابد (منحني AB). در اين هنگام رفتار تغيير شكل و تنش پايداري مشاهده مي شود با كاهش تنش( منحني (CD مارتنزيت به آستينت تبديل مي شود بايد توجه داشت كه برگشت پذيري انجام شده به خاطر تغيير حرارت نمونه نمي باشد و دليل آن كاهش فشار است. اين پديده را كه موجب مي شود آلياژ خاصيت كشساني نامحدود پيدا كند به عنوان خاصيت ارتجاعي كاذب ناميده مي شود.

5- اثر حافظه دار يك طرفه و دو طرفه:

الف )اثر حافظه دار يك طرفه :

در صورتيكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغيير شكل در حالت مارتنزيتي و سپس در سيكل گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه يك طرفه گفته مي شود. اين بدان معني است كه در اين حالت تغيير شكل ايجاد شده ، فقط با گرم كردن به حالت اوليه قبل از تغيير شكل باز مي گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد كنيم تغييري در شكل آن حاصل نمي شود اين خصوصيت در شكل شماره 7 نمايش داده شده است.

همانطور كه در تصوير مشاهده مي شود ابتدا فنر در دماي Mf به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود به صورتيكه تغيير فرم دائمي در آن باقي بماند حال اگر فنر تغيير فرم داده شده را تا دماي Af حرارت دهيم مجدداً به شكل اوليه خود بر مي گردد و در سيكل سرد شدن تا دماي Mf هيچگونه تغيير شكلي در فنـــر مشاهده نمي شود. .

ب)اثر حافظه دار دو طرفه :

برگشت پذيري به حالت اوليه خود در اثر سرد و گرم كردن آلياژ هاي حافظه دار دو طرفه در بازه معيني از دما امكان پذير است . در شكل 8 يك فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به صورت باز شده در حالت آستيني و شكل جمع شده در حالت مارتنزيتي نشان داده شده است.

همانطور كه مشاهده مي شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سيكل سرد شدن مجدداً به شكل جمع شده در مي آيد.
بايد توجه داشت كه آلياژ هاي حافظه دار براي اينكه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نياز به انجام عمليات ترمومكانيكي خاصي بر روي آنها مي باشد.

6- ساخت آلياژ هاي حافظه دار :

روش هاي اصلي ساخت آلياژ هاي حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسي است:
الف) ساخت آلياژ به طريقه ذوب و ريخته گري با استفاده از كوره هاي القايي و كوره هاي مقاومتي
ب) ساخت آلياژ به طريقه متالورژي پودر
براي توليد آلياژ هاي حافظه دار درتناژهاي بالا و تجارتي ، از روش ذوب و ريخته گري استفاده مي شود.

7-كاربرد آلياژهاي حافظه دار درمهندسي پزشكي:

كاربرد پزشكي آلياژ هاي حافظه دار به عنوان يك عملگر با اثر باقيمانده در داخل بدن قابل بررسي است آلياژي كه در بدن افراد براي بهبود رفتار باليني اعضاي آنها بكار گرفته شده است نبايد مولد هيچ گونه حساسيتي باشد علاوه بر آن آلياژ بكارگرفته شده نبايد به صورت ذراتي از يون آن ماده وارد خون شخص گيرنده اين گونه آلياژها شود.
جنبه هاي متعددي شامل شاخص هاي مزاجي افراد همچون سن ، قواي بدن و سلامتي و خصوصيات شيميايي مواد همانند خوردگي ، تخلخل پذيري سطح ، تأثيرات سمي و عناصر موجود در مواد به منظور پذيرش مواد مذكور در بدن افراد بايد مورد بررسي قرار گيرند.
تحقيقات متعددي در مورد توليد و بكارگيري آلياژهاي حافظه دار با كاربرد پزشكي با پايه عنصري Ni-Ti انجام پذيرفته است . اين تحقيقات نشان مي دهد كه آلياژNi-Ti در كاربرد و استفاده، نسبت به بقيه آلياژها از موقعيت خوبي برخوردار است.
تحليل خواص آلياژ Ni-Ti با بررسي خواص جداگانه نيكل و تيتانيم امكان پذير است .
نيكل رنگ سفيد نقره اي براق دارد و فلزي است سمي ، شكننده كه از قابليت پوليش خوبي برخوردار است اين فلز جز ء فلزات غير آهني سنگين با جرم مخصوKg/dm3 9/8 و نقطه ذوب 1455 مي باشد و در مقابل خوردگي بسيار مقاوم بوده و به وسيله آهن ربا جذب مي شود. همچنين در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبي نشان مي دهد موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبكاري فلزات ، توليد فولادهاي آلياژي و غيره مي باشد.
تيتانيم فلزي است نقره فام مايل به خاكستري و جزء فلزات غير آهني سبك است و جرم مخصوص آنKg/dm3 5/4 و نقطه ذوب آن 1670 مي باشد. مقاومت در مقابل خوردگي و سايش و استحكام زياد آن موجب كاربرد در ساخت قطعات هواپيما ، سفينه فضايي ، لوازم نظامي و جراحي شده است. آلياژهاي تيتانيم دار فلز اصلي ساختمان هواپيماي مافوق صوت را تشكيل مي دهد . تيتانيوم بر خلاف نيكل در پزشكي بسيار مؤثر عمل مي كند ، علاوه بر اين با توجه به خواص بسيار خوب مكانيكي براي اصلاح دندان هاي كج و همچنين ترميم استخوان هاي آسيب ديده كاربرد فراوان دارد.
بررسي تحقيقات خواص باليني آلياژ Ni-Ti چگونگي كنترل مقاومت در مقابل خوردگي و عوامل خارجي مؤثر بر اين آلياژ را نشان مي دهد.

8-موارد استفاده پزشكي از آلياژ Ni-Ti:

الف) كاربردهاي مربوط به قلب و عروق

فيلتر سيمون نسل جديدي از وسايل استفاده شده براي جلوگيري از انسداد جريان خون مي باشد افرادي كه قادر به استفاده از داروهاي ضد انعقاد خون نمي باشند، استفاده كننده هاي اصلي اين فيلتر مي باشند. هدف استفاده از اين وسيله تصفيه خون داخل رگ مي باشد و فيلتر سيمون كمك مي كند لخته هاي بوجود آمده در خون حل شود.
اما نصب فيلتر در داخل بدن اشخاص با به كار گيري از تأثيرات آلياژهاي حافظه دار امكان پذير است براي اين منظور فيلتر رابا تغيير شكل برروي سوند قرار مي دهند.جريان محلول نمكي در داخل سوند موجب تثبيت دماي فيلتر با درجه حرارت معمولی مي شود و زماني كه فيلتر در محل تعيين شده قرار گرفت با توقف جريان محلول نمكي در داخل سوند درجه حرارت بالا مي رود و فيلتر تغيير شكل داده شده به شكل اصلي (اوليه) خود بر مي گردد در اين زمان فيلتر از نوك سوند نيز جدا شده است.

مسدودكننده سوراخ ديواره دهليزي: از اين وسيله براي مسدود كردن سوراخ ديواره دهليزي كه بين دو دهليز چپ و راست ايجاد مي شود استفاده مي گردد.

بايد توجه داشت وجود اين سوراخ غير عادي است و اميد ادامه زندگي را براي افراد كاهش مي دهد در روش جراحي معمول ، رفع اين عيب مستلزم شكافتن سينه بيماروسپس عمل بخيه کردن سوراخ صورت مي گيرد ، كه به طور طبيعي خطرات ناشي از عمل جراحي و همچنين امكان بروز حوادث غير منتظره در حين جراحي اجتناب ناپذير بوده و راه حل آن استفاده از اثر آلياژهاي حافظه دار مي باشد. اين وسيله از سيم هايي با خاصيت حافظه داري و فيلم ضد آب كه روي آن نصب شده است، تشكيل مي شود. براي نصب اين وسيله در داخل قلب ابتدا نيمه اول آن وارد بطن چپ شده وبه شكل اوليه خود بر مي گردد و در ادامه نيمه دوم كه در بطن راست قرار مي گيرد تغيير شكل يافته ، به شكل اوليه خود بر مي گردد. در انتها هر دو نيمه به ديواره بطني متصل شده اند . به طوري كه از ورود جريان خون از دو بطن به يكديگر جلوگيري مي شود.
استنت هاي باز شونده خودكار نيز از جمله وسايل مهمي است كه در حفظ قطر داخلي رگ هاي تنگ شده و كاهش قطر و بسته شدن آنها كاربرد دارد . استنت ها به شكل استوانه هاي توري ساخته مي شوند و متناسب بانوع و محل كاربرد داراي اقطار متفاوتي مي باشند(شكل 12) .

از جمله محل هاي مورد استفاده از استنت ها سرخرگ ، سياهرگ، رگ هاي خوني ،مجاري ، صفراوي و مري مي باشد. براي نصب در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزيتي از شكل اصلي به حالت متراكم شده تبديل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شكل خود بر مي گردد.

ب) كاربردهاي ارتوپدي

از آلياژهاي حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گير يا spacer بين مهره هاي ستون فقرات در حين عمل جراحي استفاده مي شود كه موجب استحكام ما بين دو مهره در حين بهبودي بعد از تغيير شكل ايجاد شده در جراحي اسكوليدز مي شود .در شكل 13B- سمت چپ مهره تغيير شكل يافته در فاز مارتنزيتي است كه پس از جايگزيني در محل مورد نظر به حالت سمت راستي (شكل اوليه ) بر مي گردد.

ترميم و بهبود شكستگي استخوان از ديگر كاربردهاي ارتوپدي آلياژ هاي حافظه دار مي باشد. انواع مختلفي از بست هاي با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي يا ترك استخوان ساخته شده است. بست ها به صورت باز شده در محل شكستگي يا ترك معمولاً پيچ شوند. با كمك گرما بست ها به گونه اي تغيير شكل مي يابند كه دو طرف شكستگي يا ترك را با هم يكي كرده و مي فشرند. گرماي ايجاد شده را مي توان به كمك يك وسيله خارجي به آلياژ منتقل كرد. نيروي ايجاد شده در اثر تغيير شكل آلياژ به بهبود سريعتر شكستگي يا ترك مي انجامد (شكل 14 و 15) .

عموماً از اين بست ها در مواقعي استفاده مي شود كه محل شكستگي يا ترك را نتوان گچ گرفت، مانند نواحي صورت شامل، بيني ، فك و حفره چشم از جمله محل هاي مورد كاربرد مي باشند.
از ديگر كاربردهاي ارتوپدي اثرات آلياژ هاي حافظه دار در فيزيوتراپي عضلات ضعيف مي باشد . تصوير 16 دستكشي را نشان مي دهد كه سيم هايي باخاصيت حافظه داري بر روي ناحيه انگشتان دستكش واقع شده است. كه موجب تقويت حركت عضلات و برقراري دامنه مناسب حركات مفصلي با استفاده از خاصيت حافظه داري سيم هاي دستكش استفاده مي شود به طوريكه با گرم كردن سيم طول سيم ها كوتاه شده و انگشتان به داخل خم مي شوند و با سردكردن طول سيم ها زياد شده و انگشتان كاملا‌ً كشيده مي شوند . اين پديده براي به كار انداختن مفاصل نيمه ثابت استفاده مي شود.

ج) كاربرد آلياژ هاي حافظه دار در وسايل جراحي

در راستاي توليد وسيع ابزارهاي جراحي در سال هاي اخير ابزارهاي جراحي حافظه دار قابل توجهي توليد شده است كه به شرح تعدادي از آنها پرداخته مي شود.
1- سبد حافظه دار براي خارج كردن سنگ هاي مثانه و صفراوي مورد استفاده قرار مي گيرد. مراحل نصب آن شبيه فيلتر سايمون مـي باشد كه در شكل 17 آورده شده است.

كاربرد پمپ بالوني داخل آئورت شكل 18 براي جلوگيري از مسدود شدن رگ هاي خوني در هنگام آنژيوپلاستي مي شود اين وسيله داري تيوب با اثر حافظه داري است وعملكرد آن با مواد پلي مري كه خاصيت ارتجاعي دارند قابل مقايسه است.
شكل 19 انواع انبرك هاي شامل انبرك هاي قيچي دار و پنس مورد استفاده در لاپاراسكوپي را نشان مي دهد. دقت و نرمي در حركت از جمله خصوصيات اين ابزار مي باشد.

9-نتيجه گيري:

1-تغيير حالت مارتنزيتي به طريقه دوم تغيير حالت متالورژيكي جامدات مربوط بوده و در آن تغيير آرايش اتمي بدون هيچ وابستگي به زمان و تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد، به صورت هماهنگ و وابسته به دما انجام مي گيرد.
2-رفتار حافظه دار شدن با تغيير مكان به صورت شبه برشي امكان پذير مي باشد كه در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شوند.
3-مكانيزم دوقلويي در برش ناهمگن توجيه كننده چگونگي حافظه دار شدن آلياژنمونه بدون تغيير درحجم نمونه اوليه است.
4-در رفتار ارتجاعي كاذب، آليا‍ژ خاصيت كشساني نامحدودي پيدا مي كند.
5-اثر حافظه داري به دو صورت يك طرفه و دو طرفه در آلياژهاي حافظه دار قابل بررسي است.
6- آلياژهاي حافظه دار به دو روش 1-روش ذوب و ريخته گري 2- متالورژي پودر ساخته مي شوند.
7-آلياژهاي NiTi به دليل داشتن ويژگي هايي همچون مقاومت در مقابل خوردگي ،سازگاري زيستي بالا، قابليت توليد در اندازه هاي خيلي كوچك ، خاصيت ارتجاعي بالا و توليد نيرو در تجهيزات مهندسي پزشكي كاربرد فراوان دارند.

منابع:

1-SHAPE MEMORY ALLOYS, Darel E. Hodgson, Shape Memory Applications, Inc., Ming H. Wu, Memry Technologies, and Robert J. Biermann, Harrison Alloys, Inc
2-. Medical applications of SHAPE MEMORY ALLOYS, L.G. Machado1and M.A. Savi2
3- http://database.cs.ualberta.ca/ /
4-. http://www.nmtmedical.com
5- Duerig TM, Pelton A & Stöckel D (1999). An overview of nitinol medical applications. Materials Science and Engineering A, 273-275:149-160.
6- http://smet.tomsk.ru/
7- Shabalovskaya SA (1995Biological aspects of TiNi alloys surfaces .Journal de Physique IV, 5: 1199-1204.
8-Arshia@Dourandish.com

/س