形状记忆合金。医疗应用

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智能材料是一欧洲杯足球竞彩个发展迅速的有趣领域，形状记忆合金(SMAs)就是其中之一，它代表了最令人兴奋的领域之一。

SMA可以经历相当大的塑性变形，但随后可以通过加热刺激其恢复到原来的形状。这些特性导致了不同行业中各种应用的爆炸式增长(参见表2)。

从早期的温室开窗器应用(SMA驱动器提供温度依赖通风)开始，应用清单在20世纪90年代大幅增长。其中一个先进的应用是由超弹性SMA制造的塑料涂层手机天线，即使在极端变形(比如手机掉下去)后，它也能恢复其形状。

SMA的形状恢复和超弹性性能在医学领域的应用日益增多，尤其引人关注和具有优势。

历史

虽然形状记忆合金出现的时间不长，但它们的应用数量惊人。1962年，一项重要的发现发生了，一种由等原子钛和镍组成的机械变形二元合金，在加热后显示出形状恢复效果。

当时人们已经知道了许多其他可逆相变材料，但与其他二元、三元或四元形状记欧洲杯足球竞彩忆合金体系相比，Ni-Ti合金表现出了较大的可恢复应变值。

Ni-Ti合金的物理性能使其成为一个里程碑式的发现，并且为该材料创造的商业可行性应用的范围证明了Ni-Ti形状记忆合金的重要性。欧洲杯足球竞彩这一发现也许是一个令人愉快的意外。

据说，威廉·比勒(William Buehler)在用高含镍合金制作燃气轮机部件时，把真空熔炼炉中生产的一小块Ni-Ti合金锭放在了桌子上，阳光直射。当比勒和他的同事吃完午饭回来时，他们观察到铸锭形状发生了变化。

目前，Ni-Ti合金被称为Nitinol(由美国国防部的海军法令实验室制造)，这个名字已经成为源自比勒实验室的SMAs常用的名称之一。

合金类型

随着Ni-Ti合金的发现，至少发现了15种不同的二元、三元和四元合金类型，变形后表现出形状变化和稀有的弹性性能。表1列出了几种合金类型和替代品。

表1。形状记忆合金类型

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•Titanium-palladium-nickel	•Iron-manganese-silicon
•Nickel-titanium-copper	•镍
•Gold-cadmium	•Nickel-iron-zinc-aluminium
•Iron-zinc-copper-aluminium	•Copper-aluminium-iron
•Titanium-niobium-aluminium	•钛铌
•Uranium-niobium	•Zirconium-copper-zinc
•Hafnium-titanium-nickel	•Nickel-zirconium-titanium

原始镍钛合金具有一些最有利的性能，在其活动温度范围、可恢复应变能、循环性能和相对简单的热处理。

包括Ni-Ti在内的合金具有两种一般的性能，即热致形状恢复和超弹性或伪弹性。后者意味着SMA在其弹性状态下可以承受大约十倍于弹簧钢当量的变形，可以预期完全恢复到原来的几何形状。

这可以通过几百万个循环实现。这种合金的能量密度可以很好地用于生产高强度的执行器——例如，一个现代的直流无刷电机的质量是热激活的Ni-Ti合金的5到10倍，来完成同样的任务。

超弹性Ni-Ti合金仅仅通过对合金进行加工而产生“应力”。这些应力可以通过退火过程消除，就像其他几种合金一样。应力状态称为应力诱发马氏体，这与冷/热加工相同。

SMAs，主要是镍钛合金，在商业上有许多来源。但是，由于熔化/锻造生产过程中的问题，与其他金属产品相比，全球产量很小(1998年大约生产了200吨)。因此，1999年材料的成本很高——每克电线0.30 - 1.50美元(英国英镑0.20 -英国英镑1.00)。

有利的是，目前的大多数应用只需要少量的材料。随着全球产量的增长(正如上世纪90年代相当可观的增长)，价格应该会下降。线材、棒材、棒材、带材和薄板都很容易获得，还可以生产烧结粉末、合金泡沫和高纯度的溅射靶。

医学应用

SMAs的形式和特性使其在各种医疗应用中非常有用。例如，一根“变形”形状的金属丝有一个很小的横截面，可以添加到体腔或动脉中，造成创伤的几率很小。当它就位并从导管中释放出来后，身体的热量会触发该装置，并使其恢复到原来“记忆”的形状。

通过直接接触或远程热输入来扩大设备的体积，导致了微创或锁眼手术新方法的进步。这包括具有动态特性的仪器，如微型钳、镊子和操作器。基于sma的设备可以扩张、拉合、收缩、推开等等，这使得具有挑战性或有问题的手术任务变得非常可行(参见表2的医疗和其他应用)。

表2。形状记忆合金的应用实例。

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•残疾人辅助设备	•驱动器
•飞机襟翼/板条调整器	•手机天线
•防烫伤的设备	•矫正矫正线
•动脉夹	•阴茎植入
•汽车恒温器	•管道连接器
•盲文打印打孔机	•机器人执行机构
•导管导丝	•岩石分裂
•冷启动汽车执行器	•根管钻
•避孕装置	•卫星天线部署
•电气断路器	•脊柱侧凸矫正
•光纤耦合	•太阳能致动器
•过滤器struts	•眼镜架
•火阻尼器	•蒸汽阀门
•消防洒水装置	•支架
•气体放电	•开关式减振器
•移植支架	•恒温器
•人工晶体安装	•提供内衣胸罩
•水壶开关	•振动阻尼器
•锁眼仪器	•ZIF连接器
•锁眼手术器械

支架

热诱导弹性恢复的特性允许小体积变为大体积。支架就是应用这一概念的一个例子。支架可以与扩张球囊一起使用，也可以通过自我扩张来支持或扩张人体中堵塞的导管。

冠状动脉疾病是世界范围内导致死亡的主要原因，它是由动脉内壁上和内壁的斑块生长引起的。这使动脉横截面最小化，进而减少流向心肌的血液。

支架可以以“变形”的形状添加，换句话说，直径更小。当导管内的支架穿过动脉时，就可以做到这一点。当支架从导管展开时，支架会扩张到合适的直径，并施加足够的力量打开血管腔，恢复血液流动。

同样的方法可以用于身体的许多管道，包括食道、胆道系统、气管和泌尿系统。球囊辅助扩张或自扩张技术每年应用于数以百万计的此类支架，且数量正在逐渐增加。

不可能通过一个小的外部切口直接将导管引入复杂的动脉通道。这是由于导管本身相对不灵活和缺乏导向性。为了确保导管到达正确的位置，必须先加一根导丝。超弹性镍钛合金可以非常有效地用于这种应用。它们的可变形性、扭转性、恢复性和低鞭笞效应允许外科医生将高度灵活的导丝放置在适当的位置。

导丝的末端通过导管的侧孔或中心孔馈电。导管只能移动到导丝所在的位置，它的作用就像铁路一样。大多数情况下，当其他导管在不同的任务中使用同一导丝时，导丝可以保持在合适的位置。

腔静脉过滤器

腔静脉滤器阳性记录相对较长已应用程序。这种过滤器是用镍钛金属丝设计的，用于心脏外腔捕获血凝块。如果让血凝块在血液循环系统中自由移动，它可能是致命的。专门设计的过滤器捕获这些小凝块，阻止它们进入肺系统，从而导致肺栓塞。

腔静脉过滤器以直径约2.0-2.5毫米的小圆柱形添加。当释放时，它形成伞状。该结构采用了足够小的金属丝网间距来捕获血块。这是应用超弹性特性的一个例子，但也有一些商业化的热驱动腔静脉过滤器。

牙科和正畸应用

另一个具有商业意义的应用是在正畸应用中使用超弹性和热形状恢复合金。多年来，不锈钢弓丝一直被用于矫正牙齿错位。

由于这些钢丝的最小“拉伸”和拉伸特性，大量的力被施加到牙齿上;然而，这可能会引起很大程度的不适。当牙齿屈服于施加的纠正力时，不锈钢丝必须重新张紧。在治疗的初期阶段，每三到四周去看一次正畸医生，可能需要重新拉紧钢丝。

超弹性钢丝目前用于这些矫正措施。由于它们的弹性和可扩展性，当SMA在较长时间内施加持续的、温和的压力时，不适程度可以大大降低。去矫正牙医的次数减少到每年三到四次。

这种连续的、温和的和校正的力证明了超弹性SMAs相当不同寻常的弹性特性。在初步加载后，图中显示了沿荷载绘制的延伸线。与碳钢和其他弹簧不同，该合金是非胡克的，恒力可以由Ni-Ti合金构成的弹簧推导出来。

除了张紧弓丝外，还有其他超弹性正畸装置，可以在牙齿间距不均匀的地方线性移动牙齿。6个月的6毫米运动可能减少不适。在“扭曲”牙齿的情况下，也有能够施加扭转力的装置。

正畸医生使用模块化的套件，其中黏附的托槽被固定到牙齿上，弓丝随后被固定到托槽上并由托槽引导。然后可以将其他金属丝安装到支架上，以推动、扭转、拉或推动其他运动，以辅助临床或美容方面的纠正措施。像这样的牙科SMA设备在试验中已经证明非常有效，并且在欧洲可以买到。

其他相关SMA设备也被用于治疗破碎bones-staples形状记忆材料的骨部分是固定的,而这些主食施加一个稳定、明确的力量一起把两块加热SMA的身体,开始恢复原来的配置。欧洲杯足球竞彩这种力量帮助两块骨头重新连接在一起。这些智能的“治疗”能力是SMAs未来在牙科、医疗和其他领域的许多应用中需求巨大的原因。