نیتینول؛ آلیاژی حافظه دار

مقدمه
آلیاژهای حافظه‌دار، گروهی از مواد فلزی هستند که می‌توانند پس از تغییر شکل، به کمک یک عامل خارجی مانند گرما یا جریان برق، خود را بازیابی کنند و به ‌شکل اولیه‌ خود بازگردند [۱]. یکی از مهم‌ترین آلیاژهای حافظه‌دار، ترکیبی به نام نیتینول است که نخستین بار در سال‌ ۱۹۶۳ توسط بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی ایالات‌ متحده کشف شد [۲]. نام این آلیاژ از حروف اول عنصرهای تشکیل‌دهنده آن، یعنی نیکل و تیتانیم و محل کشف این آلیاژ، یعنی آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی، گرفته شده است^۱.

 

ویژگی‌ها و چگونگی عمل نیتینول
حافظه‌داری و فراکشسانی، دو ویژگی مهم آلیاژ نیتینول هستند [۱و۳]. در نتیجه ویژگی حافظه‌داری، می‌توان این آلیاژ را به هر شکلی در آورد؛ برای نمونه، می‌توان آن را مانند شکل ۱ کاملاً مچاله کرد و سپس با گرم کردن، آن را به حالت اولیه برگرداند.

شکل ۱: آ. نمایی از سیم‌های حافظه‌دار مچاله‌شده

شکل ۱: ب. بازیابی شکل اولیه سیم‌های حافظه‌دار با فرو بردن آن‌ها در آب گرم.

  عاملی که سبب تغییر شکل آلیاژ و سپس بازگشت به شکل اولیه آن می‌شود، به تفاوت ساختار این ترکیب در دماهای پایین و بالا مربوط است [۴]. در واقع، این آلیاژ همانند دیگر آلیاژهای حافظه‌دار، از دو فاز بلوری برخوردار است: بنابه شکل ۲، در دمای کم، شکل مارتنزیت^۲ را دارد که از نظر ساختاری، مونوکلینیک و نرم است و به آسانی خم می‌شود و در دمای زیاد، شکل آستنیت^۳ را دارد و دارای ساختار مکعبی و خاصیت کشسانی است [۱]. اگر زمانی که آلیاژ در حالت مارتنزیتی است، به آن فشار اعمال ‌شود، آلیاژ تغییر شکل می‌دهد که  این حالت آن را ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ ﻣﺎﺭﺗﻨزیتی تغییر شکل‌یافته^۴ می‌نامند. با برداشته شدن تنش و اعمال کمی گرما، ﺍﺗﻢ‌ﻫﺎ ﺍﻧﺮژی دریافت می‌کنند در نتیجه، آلیاژ ﺍﺯ ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ ﻣﺎﺭﺗﻨزیتی تغییر شکل‌یافته ﺑﻪ ساختار ﺁﺳﺘﻨﻴتی، ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺣﺎﻟﺖ می‌ﺩﻫد. گفتنی است که از دیدگاه ماکروسکوپی هیچ تفاوتی میان این دو ساختار وجود ندارد.

شکل ۲: نمایش ساختارهای آلیاژ نیتینول در دماهای کم و زیاد

ویژگی حافظه‌داری در نیتینول، برگشت‌پذیر است یعنی اگر بنابه شکل ۳، حالت آستنیتی به‌دست‌آمده را سرد کنیم، دوباره حالت مارتنزیتی به دست می‌آید [۵ و ۶].

شکل ۳: حافظه داری برگشت پذیر در آلیاژ نیتینول

منظور از ویژگی فراکشسانی این است که اگر نیتینول در دمای بالاتر از دمای آستنیتی تغییر شکل داده شود، رفتار ارتجاعی از خود نشان می‌دهد و با برداشتن فشار به حالت اولیه خود برمی‌گردد. برای ایجاد این تغییر برخلاف آنچه در مورد حافظه‌داری دیده می‌شود، نیازی به عامل خارجی، همچون گرما  نیست [۵ و ۷].

 

روش تهیه
آلیاژهای حافظه‌دار همچون آلیاژ نیتینول به‌طور عمده با استفاده از دو روش،‌ به این قرار تهیه می‌شوند:
• ﺫﻭﺏ ﻭ ﺭﻳﺨﺘﻪ‌ﮔﺮی ﺑﺎ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺯ ﻛﻮﺭﻩ‌ﻫﺎی ﺍﻟﻘﺎﻳی ﻭ ﻛﻮﺭﻩ‌ﻫﺎی ﻣﻘاومتی
• روش ﻣﺘﺎﻟﻮرژی گَردی [۴].

 

کاربردها
آلیاژ نیتینول گذشته از دو ویژگی حافظه مکانیکی یا تغییر شکل کشسانی محض و حافظه گرمایی، از مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری با محیط بدن نیز برخوردار است.
چنان که از شکل ۴ برمی‌آید، این آلیاژ رفتار مکانیکی بسیار مشابه با اعضای بدن از خود نشان می‌دهد [۸]. وجود این ویژگی‌ها در نیتینول باعث شده است که این ماده به طور گسترده در صنعت، به ویژه در مهندسی پزشکی مورد استفاده قرارگیرد.

شکل ۴: مقایسه رفتار مکانیکی نیتینول و برخی از اعضای بدن.

در این شکل، تنش را می‌توان نیروی وارده بر یک جسم در واحد سطح دانست و کرنش را می‌توان به صورت نسبت طول تغییر شکل بر طول اولیه تعریف کرد.

  

• صافی‌های سایمونی
یکی از ﮐﺎرﺑﺮدﻫﺎی نیتینول در صافیﻫﺎی سایمونی است، شکل ۵. این صافی‌ها برای افرادی که در استفاده از داروهای ضد انعقاد خون دارای محدودیت هستند، بسیار مناسب است. به این منظور، صافی را در حالت مارتنزیتی و به شکل جمع شده، روی کاتتر (شبیه سوند) قرار می‌دهند. جریان محلول نمکی در کاتتر موجب ثابت ماندن دمای صافی در حد دمای معمولی می‌شود. زمانی که صافی در محل تعیین شده قرار گرفت با توقف جریان محلول نمکی در سوند، دمای آن در نتیجه دمای بدن بالا می‌رود و صافی به حالت آستنیتی درمی‌آید و عمل صاف کردن لخته‌های خون توسط پایه‌ها و گل‌های صافی انجام می‌شود. به این ترتیب از ورود لخته‌های خون به درون اندام‌هایی همچون قلب جلوگیری می‌شود [۸].

شکل ۵: صافی سایمونی

 
• بست‌
بست‌هایU شکل ساخته‌شده از آلیاژ نیتینول می‌تواند در بی‌حرکت نگه داشتن و جااندازی استخوان‌های مچ، جمجمه و فک که معمولاً قابل گچ گرفتن نیست مورد استفاده قرارگیرد. پس از نصب این بست‌ها در محل شکستگی، افزایش دما به طور الکتریکی،گرم کردن با استفاده از آب گرم یا حتی دمای بدن، سبب تغییر حالت آلیاژ از مارتنزیت به آستنیت می‌شود. فشار ناشی از این تبدیل، دو قطعه شکسته شده را به هم نزدیک می‌کند. به این ترتیب نیروی لازم برای کنار هم نگه‌داشتن قطعه‌ها ایجاد و سبب می‌شود  استخوان در کمترین زمان و به طور صحیح ترمیم شود. شکل ۶، نحوه عملکرد بست را به طور خلاصه نشان می‌دهد [۹].

شکل ۶: چگونگی اعمال فشار بست در محل شکستگی

 
• استنت
استنت از جمله وسایل پزشکی است که برای جلوگیری از کاهش قطر و بسته شدن رگ‌های تنگ‌شده به کار می‌رود. چنان که شکل ۷-آ نشان می‌دهد، استنت‌ها به شکل استوانه‌های توری ساخته می‌شوند و متناسب با نوع و محل کاربرد دارای قطرهای متفاوتی هستند. برای نصب این وسیله در بدن، استنت ساخته‌شده از آلیاژ Ni-Ti را در دمای پایین قرار می‌دهند تا به حالت مارتنزیتی در آید و جمع شود. پس از قرار گرفتن در رگ و هم‌دما شدن با بدن، استنت باز می‌شود و به حالت آستنیتی در می‌آید و سبب گشاد شدن رگ می‌شود، شکل ۷-ب.[۸ و ۹]

شکل ۷:  آ. استنت‌های تهیه‌شده از نیتینول در قطرهای متفاوت

شکل ۷: ب. استنت به‌کار رفته در رگ که سبب جریان یافتن خون، به‌طور طبیعی می‌شود.

 
• مفصل ران
آلیاژهای حافظه‌دار به جای مفصل ران هم کاربرد دارند. این کاربرد از فرا کشسان بودن آن‌ها نتیجه می‌شود، شکل ۸.

شکل ۸: مفصل ران مصنوعی ساخته‌شده از نیتینول

 
• ارتودنسی
استفاده از سیم‌های ارتودنسی از جنس Ni-Ti در ارتودنسی دندان، شکل دیگری از قابلیت‌های آن است، شکل ۹. فراکشسانی این فلز باعث می‌شود که بر اثر فشار ناشی از برگشت سیم به حالت اولیه، به دندان‌های خارج از موضع، نیرو وارد شود تا با گذشت زمان در مکان‌ مناسب قرار گیرند[۷].

شکل ۹: سیم ارتودنسی تهیه‌شده از آلیاژ نیتینول

• قاب عینک
امروزه آلیاژ نیتینول در ساخت قاب عینک استفاده می‌شود. قاب عینک تهیه‌شده از این آلیاژ می‌تواند خم و کج شود و به دلیل فراکشسان بودن، به حالت اول خود بازگردد، شکل ۱۰. [۱۱]

شکل ۱۰: نمایش قابلیت بازیابی شکل اولیه در قاب عینک خم‌شده که از آلیاژ حافظه‌دار نیتینول ساخته‌شده است.

 
نتیجه‌گیری
آلیاژ Ni-Ti به دلیل داشتن ویژگی‌های مناسب همچون حافظه‌داری و فرا کشسانی، دارای کاربردهای متعددی در پزشکی، دندان‌پزشکی و صنعت است. فراکشسان بودن این ترکیب باعث شده است که از آن در ارتودنسی، مفصل ران و قاب عینک استفاده شود. ویژگی حافظه‌داری این آلیاژ نیز سبب شده است که در تهیه ابزارهای پزشکی همچون استنت، صافی‌های لخته خونی و بست از آن استفاده شود. این آلیاژ نسبت به دیگر آلیاژهای حافظه‌دار دارای بیشترین کاربرد در مهندسی پزشکی است که از سازگاری  آن با محیط بدن نتیجه می‌شود.

 

 

پی‌نوشت‌ها

1.Nickel Titanum Naval Ordnance Laboratory  
2.martensite 
3.austenite
4.deformed

   منابع

1.Tarniţă, D. A. N. I. E. L. A., Tarniţă, D. N., Bîzdoacă, N., Mîndrilă, I., & Vasilescu, M. I. R.   E. L. A. Properties and medical applications of shape memory alloys. Rom J. Morphol Embryol,2009, 50(1), 15.
2.Song, C. , History and current situation of shape memory alloys devices for  minimally  invasive surgery. The Open Medical Devices Journal,2010, 2(1).
3. Bansiddhi, A., Sargeant, T. D., Stupp, S. I., & Dunand, D. C. ,Porous NiTi for bone implants: a review. Acta biomaterialia, 2008,4(4), 773.
4. www.chemistrylearner.com/nitinol.html
5.Stöckel, D. ,The shape memory effect-phenomenon, alloys and applications. California, 1995,94539, 1-13.
6.embp.blogfa.com/post/93
7.Wadood, A. ,Brief overview on nitinol as biomaterial. Advances in Materials   Science  and Engineering, 2016.
8.Duerig, T. ; Pelton, A.;Stöckel, D. , An overview of nitinol medical applications. Materials Science and Engineering: A, 1999,273, 149.

۹. شرقی، ر. ؛ نوری، ع. «ساخت و کاربرد بست‌های حافظه‌دار نیتینول برای اتصال استخوان مچ و قوزک پا» نهمین کنفراس مهندسی پزشکی دانشگاه علم و صنعت، ۱۳۷۸.

10. Kapoor, D. , Nitinol for medical applications: A brief introduction to the propertiesand processing of Nickel Titanium shape memory alloys and their use in stents.  Johnson  Matthey Technology Review,2017, 61(1), 66.
11.Kauffman, G. B. ; Mayo, I. ,The story of nitinol: the serendipitous discovery of the memory metal and its applications. The chemical educator,1997, 2(2), 1-21.