آلیاژ‌هایی که فراموشی نمی‌گیرند

آلیاژهای حافظه‌دار به توانایی برگشت به شکل یا اندازه اولیه از پیش تعریف شده طی یک چرخه حرارتی اطلاق می‌شود . به عبارت دیگر ، چنانچه در دمای پایین تر از دمای خاتمه تحول مارتنزیتی یک تغییر شکل پلاستیک در آلیاژ حافظه دار ایجاد شود، با افزایش دما تا بالای دمای خاتمه تحول آستنیتی ، آلیاژ قادر به بازیابی شکل اولیه خود خواهد بود.
آلیاژهای حافظه دار شامل گروهی از مواد فلزی هستند که قابلیت بازگشت به شکل اولیه را هنگامی که تحت بار مکانیکی مناسب قرار گیرند دارند. هنگامی که محدودیت در بازیابی شکل وجود دارد، این آلیاژها نیروهای ارتجاعی بالایی را تولید می‌کنند و به دلیل این خاصیت علاقه تکنولوژیکی زیادی برای استفاده از آلیاژ‌های حافظه‌دار در کاربردهای پزشکی و غیر پزشکی وجود دارد، به عبارت دیگر خواص ترمودینامیکی استثنایی آلیاژهای حافظه‌دار، عامل کاربردهای بسیار مهمی در زمینه مهندسی پزشکی شده است.
آلیاژهای حافظه دار به صورت یک طرفه و دو طرفه ساخته می‌شوند. منظور از یک طرفه بودن این است که این فلزات در یک جهت عملی را انجام می‌دهند و حالت برگشت‌پذیری ندارند. قابلیت آلیاژهای حافظه دار در بازیابی شکل پیش تعیین شده با حرارت دادن بالای دمای تغییر حالت و برگشت به شکل مشخص قبلی با سرد کردن به نام اثر حافظه‌داری دوطرفه خوانده می‌شود.
● خانواده آلیاژهای حافظه دار
آلیاژهای حافظه دار مهم عبارتند از :
۱) سیستم‌های پایه مس
۲) سیستم‌های پایه آهن
۳) آلیاژهای طلا-کادمیم
۴) آلیاژهای برنج
۵) آلیاژهای نیکل- تیتانیم.
● آلیاژهای حافظه‌دار در پزشکی
آلیاژهای حافظه‌دار موادی هستند که پس از اینکه تحت کرنش قرار گرفتند در یک دمای خاص به شکل اصلی خود برمی‌گردند. در فرایند برگشت به شکل به یاد مانده آلیاژ می‌تواند نیروی زیادی تولید کند که جهت تحریک مفید است. این آلیاژها در بیش از ۵۰ سیستم آلیاژی توسعه یافته اند. عمده ترین آلیاژهای حافظه دار که در مصارف پزشکی استفاده می‌شوند عبارتند از: NiTi (نایتینول) TiMo, NiTiMo.
کاربردهای پزشکی آلیاژهای حافظه دار نایتینول
● دندان پزشکی (ارتودنسی)
استفاده از آلیاژ حافظه‌دار در ارتودنسی جلوه دیگر از قابلیت‌های آن است. بر خلاف سیم‌های معمول در ارتودنسی که از جنس فولاد ضد زنگ ۸-۱۸ هستند و به صورت منقطع قادر به تنظیم و ترتیب دادن دندان‌ها هستند و بیمار را ملزم به مراجعات زیاد به دندانپزشک می‌سازد؛ سیم‌های ارتودنسی از جنس NiTi به دور از مشکلات فوق، نیروی مداوم و تدریجی به دندان‌ها وارد می‌کند که این پدیده بر اساس مسطح بودن منحنی باربرداری این آلیاژ در دامنه زیادی از کرنش‌ها است.
سیم‌های ارتودنسی نایتینول با دندان حرکت کرده و در یک پهنای زمانی درمان و وضعیت دندان، نیروی ثابتی را اعمال می‌کنند.
● کاربردهای دیگر
۱) کاربرد برای درمان بیماری‌های قلبی – عروقی
۲) کاربردهای ارتوپدی نایتینول
۳) کاربردهای ارتودنسی نایتینول
۴) آندوسکوپ‌های فعال و انعطاف پذیر
۵) دست مصنوعی
۶) عقیم سازی لوله ای
● ویژگی‌های آلیاژهای حافظه‌دار نایتینول
۱) الاستیسیته‌ی بالا(جایگذاری الاستیک)
۲) خاصیت حرارتی برتر(جایگذاری حرارتی)
۳) دوام زیاد(مقاومت به تاب و گره)
۴) تنش ثابت
۵) ممانعت دینامیکی
۶) هیسترزیس تنش
۷) تنش وابسته به دما
چگونگی اعمال فشار توسط یک بست حافظه دار به شیار شکستگی پس از حرارت دیدن. تصویر پایین نیز تعدادی از اینگونه بست‌ها را نشان می دهد
● سازگاری فیزیولوژیک
فولاد ضد زنگ، تیتانیم و فلزت دیگر رابطه خوبی با مواد بیولوژیک ندارند. مقبولیت غیر معمول نایتینول آن را فلزی ساخته است که از لحاظ مکانیکی مشابهت زیادی با مواد بیولوژیک دارد. این مشابهت فیزیولوژیک، رشد داخلی استخوان و به اشتراک گذاشتن بارها با بافت مجاور را باعث شده و سبب استفاده از این آلیاژ در ایمپلنت‌های هیپ، فاصله اندازهای استخوان بست‌های استخوان و صفحات برای شکستگی جمجمه شده است. کاربرد اخیر بیشتر از آن لحاظ جالب است که از نایتینول متخلخل که رشد داخلی بیشتر استخوان را سبب می‌شود، استفاده می‌شود.
سنتز احتراقی یا استفاده از گرمای گداز برای اشتعال، جهت تشکیل نایتینول از نیکل و تیتانیم - نشان داده است که راهی موثر در تولید اسفنج متخلخل نایتینول است که دانسیته‌ای از ۴۰ تا ۹۰% دارد. اسفنجی که دارای خواص سوپرالاستیک و حافظه داری باشد، رشد داخلی استخوان را شتاب می‌بخشد و چسبندگی خوبی را با بافت مجاور ایجاد می‌کند.
● زیست سازگاری
زیست سازگاری توانایی ماده در باقی ماندن به صورت بی ضرر از لحاظ بیولوژیک در طی دوره عملکرد خود در درون یک موجود زنده است . این یک فاکتور مهم برای استفاده وسایل حافظه دار در بدن است یک ماده زیست سازگار نباید واکنش آلرژیک در بدن میزبان ایجاد کند و همچنین نباید در گردش خون یون رها کند. دوره‌ای که بیومواد در بدن انسان می‌ماند مهم ترین وجه مطرح شده در مورد کاربرد آن است.
عموما زیست سازگاری یک ماده قوی به واکنش آلرژیک بین سطح بیومواد و پاسخ آماسی میزبان بستگی دارد. .وجوه مختلفی در این واکنش‌ها شرکت دارند مثل خصوصیات بیمار ( سلامتی ،سن ، حالت ایمنی بدن و ... ) دارد مثل خصوصیات ماده .آنالیز وجوه مربوطه به زیست سازگاری این آلیاژها توسط اندازه گیری و ارزیابی هر کدام از عناصر نیکل و تیتانیم به صورت جداگانه صورت می گیرد.
نیکل اگر چه برای زندگی لازم است یک عنصر بسیار سمی نیز است. مطالعات نشان داده اند در افرادی که در تماس سیستمیک با نیکل بوده اند مشکلاتی مثل زات الریه، سینوزیت مزمن و ورم غشا مخاط بینی، سرطان ریه و سوراخ بینی، آماس پوست وجود داشته است.
برعکس نیکل ، Ti و ترکیباتش بسیار زیست سازگار هستند . علاوه بر این به خاطر خواص مکانیکی شان اکثرا در ایمپلنت‌های ارتوپدی استفاده می شوند.
به دلیل میزان بالای نیکل در NiTi، از لحاظ تئوری این امکان وجود دارد که به علت خوردگی، نیکل از ماده، حل شده و سبب تاثیرات نامطلوبی شود؛ به همین خاطر، زیست سازگاری NiTi باید قبل از استفاده مطمئن از آن به عنوان ایمپلنت، به خوبی تایید شده باشد .
مرور این مطلب بیشتر از این لحاظ مهم است که دانش کمی از زیست سازگاری NiTi در دست است. مقاومت خوردگی آلیاژ وسمیت فلزات تنهایی که سازنده آلیاژ هستند عوامل اصلی زیست سازگاری هستند. خواص و زیست سازگاری NiTi شاخص‌های ویژه خود را دارد که متفاوت از تیتانیم یا نیکل تنها است. سمیت موضعی و سیستمیک، اثرات سرطان زایی و جنبه‌های ناقص الخلقه سازی نیکل نیاز به بررسی بیشتر دارند .
پاسخ موضعی بافت، مهم‌ترین جنبه زیست سازگاری است .. زیست سازگاری یک ماده در داخل بدن می‌تواند با آنالیز کردن حضور جمعیت سلولی - با اندازه‌گیری سلولهای استخراج شده از محصول متابولیسمی - یا آنالیز کردن شاخص‌های مورفولوژیک بافت در اطراف ایمپلنت بررسی شود. اگرچه نیکل خالص ایمپلنت شده در داخل ماهیچه، تحریک و نکروز شدید بافت موضعی را سبب می‌شود، زیست سازگاری NiTi در بافت ماهیچه ای، حداقل برابر با آلیاژهای Co-Cr و فولاد ضد زنگ و قابل مقایسه با تیتانیم است .
چنانچه دیده شد، ایمپلنت آلیاژ نایتینول به اندازه کافی با بافت بدن سازگار است و دارای توان بالقوه‌ای به عنوان یک بیومواد با قابلیت های بالای حافظه داری و ارتجاعی بودن است.

محمد علی صاحب الزمانی
منابع :
۱) M.Green,D.M.Grant,N.R.Kelly,”Powder Metallurgical Processing of Ni-Ti Shape Memory Alloy”, Powder Met.,vol.۴۰,No.۱,۱۹۹۷
۲) J.C.Hey,A,P.Jardine,”Shape Memory NiTi Synthesis From Elemental Powders”,Mater.Sci.Eng.A۱۸۸,۱۹۹۴
۳) D.G.Morris,M.A.Morris,”NiTi Intermetallic by Mixing,Miling۴)
۴) “Shape Memory Materials and Hydrides” ,K.Otsuka, Y.Fukai,۱۹۹۴, Elsevier Pub۵)
۵) uerig,A.Pelton, D.Stockel,”An Overview Of Nitinol Medical Applications” Mater.Sci.Eng.A,Vol.۲۷۳-۲۷۵,۱۹۹۹
۶) “Shape Memory Alloys”H.Funakabo, ۱۹۸۶,Newyork,Gordon&Breach Pub
۷) J.S.Benyamin, T.E.Volin,”The Mechanism of Mechanical Alloying”, Met.Trans A, Vol.۵,pp۱۹۲۹-۱۹۳۴,Aug ۱۹۷۴
۸) “Solid state synthesis of nanocrystallin and /or amorphous ۵۰Ni-۵۰Ti Alloy”
۹) Y.W.Gu,C.W.Goh,l.S.Goi,C.S.Lim,۲۰۰۴,Elsevier Pub.
۱۰) پروژه کارشناسی ارشد درس کاربرد فلزات در پزشکی راضیه خلیفه زاده و ثمین افتخاری دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیر کبیر۱۳۸۵.

منبع : ماهنامه تخصصی مهندسی پزشکی