形状记忆钛合金在生物医用领域的研究进展

正钛及其合金具有优良的生物相容性、力学性能和抗腐蚀性能,使其适于作为生物医用材料使用。钛首次被引入医学领域可追溯到20世纪40年代;随后,有学者报道了利用纯钛来制造植入物器械。20世纪60年代Buehler等人发现了钛镍(TiNi)合金的形状记忆效应,此后,镍钛合金被广泛应用于生物医学领域的各个分支。20世纪70年代,Baker首次报道了β型钛合金在特定条件下的形状记忆效应,这一效应更加拓宽了钛合     

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展EICSCD

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。     

镍钛形状记忆合金应用及产业化现状

一、前言 镍钛合金是最具工业实用价值的形状记忆材料,具有良好的形状记忆效应和超弹性行为,轻高的力学性能,优良的耐磨耐腐蚀性能和良好的阻尼特性,同时还具有较好的生物相容性。镍钛合金的应用领域极其广泛,包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电以及日常生活用品等,几乎涉及产业界的所有领域,应用潜力巨大。我国自1978年开始形状记忆合金的理论研究,与记忆合金有关的马氏体相变理论、形状记忆与超弹性的微观机制等研究发展迅速,在某些方面取得     

热机械循环方法对训练NiTi合金双程形状记忆效应的影响

采用4种典型的热机械循环方法训练获取具有双程形状记忆效应的镍钛合金丝,从双程形状回复量、高温相形状、低温相形状和相变温度的变化等方面系统研究了训练方法对双程形状记忆效应训练效果的影响.结果表明,在不同训练方法中镍钛合金丝被加载应变时所处的物质相态的差异是造成不同训练效果的主要原因,其中在马氏体相变过程中因加栽引入的位错最有利于双程形状记忆效应的形成.     

超弹性镍钛合金血管内支架的有限元分析

镍钛合金由于其优良的机械性能和生物相容性已经被广泛的应用于生物医用领域,然而由于其超弹性为高度非线性的应力 应变关系,如何对其相关器械的性能进行分析与评价是设计人员面临的主要问题。本文介绍了有限元技术中镍钛合金材料模型的建立方法,并利用有限元软件 ANSYS8.0 分析了一种超弹性镍钛合金血管内支架的自膨胀过程。结论为支架释放后,将对支架端部血管产生较高的内应力,这容易损伤此处血管,引起血栓及内膜增生等问题;镍钛合金支架释放后,对应的应力水平只有 300MPa左右,远远小于不锈钢支架的应力值。因此,支架的柔顺性更好,对血管的刺激更小,这对于提高支架的植入效果将有很大的帮助;有限元技术可以方便的对镍钛合金器械进行模拟分析,这对于镍钛合金器械的研制与开发将有很大的帮助。     

有限元法分析镍钛根管器械折断的研究进展

镍钛合金是一种形状记忆合金,不仅有独特的记忆功能,还具有高阻尼、抗腐蚀和超弹性的特点,已广泛应用于根管预备器械。镍钛合金良好的成形能力加上独特的设计使弯曲根管保持原有的形态,进而达到理想的预备效果,但是镍钛根管器械潜在的折断问题使器械的力学性能成为了当今研究的热点。建立一个数学模型,利用有限元法分析在扭转和弯曲下镍钛根管器械的力学性能,可以获得在临床研究中无法得到的结果。综述了利用有限元法分析镍钛根管器械在扭转和弯曲疲劳下的应力分布的研究进展。     

低温时效对生物相容β钛合金TiNbSn超弹性行为的影响

近期,一些文献陆续报道了无镍β钛合金的形状记忆效应和超弹性行为的研究结果,这些合金系如Ti-Mo-Al,Ti-Nb-Sn,Ti-Mo-Ga,Ti-Nb-Al,Ti-Nb及Ti-Nb-Zr-Sn.人们希望用其替代TiNi形状记忆合金,以消除TiNi合金作植入件对人体产生的过敏或致癌影响.在上述这些合金中,TiNbSn β钛合金以其良好的生物相容性和冷加工性能备受人们的青睐.     

近β型钛合金Ti3Zr2Sn3Mo15Nb的形状记忆效应和超弹性研究

采用弯曲和循环拉伸实验研究了新型Ti-3Zr-2Sn-3Mo-15Nb（TLM）钛合金的形状记忆和超弹性特性，探讨了变形温度、总应变和热处理对TLM钛合金形状记忆和超弹性的影响规律。实验结果表明新合金在热轧态和在α＋β两相区固溶处理后比从β单相区固溶处理后具有较高的形变恢复率，最大可恢复应变可达1．8％．随着总变形应变增加，形变恢复率降低。从β相区固溶处理后TLM合金具有较好的超弹性，优于热轧态或时效处理后TLM合金的超弹性能。     

形状记忆合金及其应用

本文简要介绍了形状记忆合金中的热弹性马氏体转变、相变伪弹性和形状记忆效应。目前镍钛合金和铜基合金已被广泛应用,如在医疗和自动控制技术中。在智能机器人的研制中形状记忆合金具有主要作用。     

Ti-Ni形状记忆合金的生物相容性评价

Ti-Ni合金具有超弹性、优异的耐蚀性等,是较为合适的生物材料,如利用其超弹性制作血管内支架和矫形丝,利用形状记忆效应制作牙科植入件及骨折固定板等.     

NiTi合金形状记忆效应的微观机制研究进展

NiTi合金具有优异的形状记忆功能和良好的生物体兼容性,近年来对它的应用研究受到工程界和医学界的重视,同时对NiTi合金形状记忆效应的微观机制的研究也在逐步深入.介绍了NiTi合金的主要特性及影响其形状记忆功能的主要因素,总结了NiTi合金的形状记忆效应和超弹性的微观机制研究现状,并指出了需对该合金进一步研究的一些问题.     

NiTi合金生物医用材料表面改性的研究进展

NiTi合金由于其形状记忆效应、超弹性和低模量等优良性能在生物医学领域得到广泛应用。然而,在生理环境中镍离子释放会诱发毒性和炎性反应,因此需要对其进行表面改性。从表面氧化、表面涂层和表面接枝大分子等方面综述了近年来国内外NiTi合金表面改性的研究进展,评述了各种表面改性技术的优势和缺陷,指明了NiTi合金表面改性的未来发展趋势。     

化学修饰对NiTi形状记忆合金氧化膜的影响

用X光电子能谱（XPS）研究了NiTi形状记忆合金经酸、碱处理后表面氧化膜成分和结构的变化。结果表明，未经处理的NiTi合金表面最外层氧化膜主要由TiO2、TiO和少量的Ni组成，酸、碱处理后，最外层氧化膜由TiO2、Ni2O3组成，但经碱处理后，氧化膜的厚度大大增加。     

Influence of α Phase on Shape Memory Effect and Superelasticity of CuZnAI Alloy

The influence of a small amount of α phase inβ′ matrix on shape memory effect andsuperelasticity of CuZnAl shape memory alloy hasbeen studied systematically.It has been found thattransformation temperature can be adjusted in alarge scale by controlling the amount of α phase,meanwhile,shape memory effect and superelasticitydo not decrease obviously when there exists a smallamount of α phase.Based on the optical and trans-mission electron microscopy observation,the influ-ence of α phase on shape memory effect andsuperelasticity has been discussed.     

形状记忆合金超弹性本构关系的神经网络模型

通过试验，研究了受过循环变形、具有稳定超弹性变形性能的形状记忆合金丝在拉伸到不同应变幅值条件下卸载的超弹性变形行为。根据试验测得的结果，提出了基于神经网络的形状记忆合金超弹性本构关系模型，并把模型计算的结果和实验数据进行了比较分析，结果表明，该模型具有很高的精度。该模型避免了已有模型在参数确定上的困难，具有一定的工程应用价值，为建立形状记忆合金本构模型提供了一个新的思路。     

NiTi形状记忆合金丝焊接性研究

采用Ｐ１０５－９Ａ精密时间控制交流点焊机进行了ＮｉＴｉ形状记忆合金细丝的十字搭接焊。通过焊接接头的力学性能测试和热影响区宽度与内部组织的结果表明，采用电阻点焊方法，焊接部分的抗拉强度可达母材抗拉强度的９０％以上，接头内部没有或只有少量的铸态组织，热影响区宽度为０．２８ｎｍ文中还对焊接接头进行了变形恢复试验，接头的形状恢复率可达９８％以上。     

三元Ni-Ti基形状记忆合金的研究现状

针对二元NiTi形状记忆合金在应用中所显示出的局限性,三元NiTi基形状记忆合金通过第三组元的加入,改善了二元NiTi形状记忆合金的某些性能,弥补了其在应用中的不足,降低了成本,进一步扩大了NiTi基形状记忆合金的应用范围,从而一直受到研究者的广泛关注.综述了三元NiTi基形状记忆合金的研究现状,总结了存在的不足:首先,对于合金体系还需要大量的量化研究,确定出不同应用条件下合金的有效成分范围是其实用化的基础;其次,合金制备过程熔炼介质对合金产生的影响等重视不够;同时,应用性能研究还有待加强,性能的长效性与稳定性是关键,这方面的研究还缺乏充分而有效的数据.     

Shape memory and superelastic behavior of Ti–7.5Nb–4Mo–1Sn alloy

In the present work, a Ti-based shape memory alloy with the composition of Ti–7.5Nb–4Mo–1Sn was designed based on the d-electron orbit theory. The shape memory and superelastic behavior of the alloy were investigated. It is found that the martensitic transformation temperature of the alloy is near 261 K. The tensile and the thermal cycling testing results show that the alloy exhibits the stable shape memory effect and superelasticity at room temperature. The maximum recovered strain of the alloy is 4.83%.     

Design of a Medical Non‐Linear Drilling Device: The Influence of Twist and Wear on the Fatigue Behaviour of NiTi Wires Subjected to Bending Rotation

This paper considers fundamental and experimental aspects associated with the engineering design of a medical, non‐linear drilling device which exploits shape memory pseudoelasticity of NiTi wires. For this application it is important that the NiTi wires have a good fatigue resistance. This is why the present authors have previously determined the influence of various parameters on cyclic life, crack growth and stress state of pseudoelastic wires subjected to bending rotation fatigue. The actual drilling device has to withstand twist in addition to bending rotation because the free rotation is constrained by friction between the drill head and the bone material. In addition, friction between the wire and a NiTi guiding tube results in wear and this may well promote fatigue crack nucleation. In this paper, we explain the function of the medical drill. We then report results on the effect of the additional parameters (1) twist and (2) wear on the fatigue life of thin pseudoelastic NiTi wires. We finally discuss the implications of our experimental results for the design process of the medical drilling device.     

Force‐deflection behaviour of NiTi archwires in a polytetrafluoroethylene (Teflon) bracket system

In orthodontic treatment, archwire forces for tooth movement is influenced by the magnitude of friction encountered during the sliding motion of archwire along the bracket slot. Friction will reduce the archwire force, and subsequently modify the constant force delivery trend into a slope. The aim of this work is to investigate the force‐deflection behaviour of nickel‐titanium (NiTi) shape memory alloy archwire on polytetrafluoroethylene (Teflon) as the bracket. Sliding tests was performed to determine the coefficient of friction of polytetrafluoroethylene‐NiTi material combinations. The force‐deflection behaviour was evaluated from a modified bending tests, at two different configurations; commercial stainless‐steel bracket and hand‐made polytetrafluoroethylene bracket. During test, wires were deflected into different deflections (2 mm, 3 mm and 4 mm) by using four commercial NiTi archwires at different sizes and geometry. From the test; coefficient of friction for polytetrafluoroethylene‐NiTi wire was recorded as small as 0.07. On force‐deflection graphs, bending load on 3 mm and 4 mm deflection were observed higher on stainless steel (SS) bracket compared with polytetrafluoroethylene bracket. Due to small coefficient of friction on polytetrafluoroethylene‐NiTi configuration, the NiTi archwire exhibited the activation and deactivation force within the plateau limit. Greater friction on stainless steel‐nickel‐titanium bracket configuration causes wire to release force in a slope trend. This finding highlights the potential of polytetrafluoroethylene as a material in the bracket slot to minimize friction during orthodontic treatment.