CC BY
31
PREGLEDNI CLANCI REVIEW PAPERS
LEGURE KOJE PAMTE OBLIK I NJIHOVA UPOTREBA U MEDICINI
Sazetak:
imaju sposobnost da promene svoj oblik i vrate se u neko zapamceno stanje izazvano promenom temperature na kojoj se nalaze. Zbog svo-jih specificnosti i neuobicajenih karakteristika, veliki je i raznovrstan spektar oblasti primene ovih materijala. Pored toga, ovi materijali na-jcesce su i biokompatibilni, sto omogucava i njihovu primenu u medi-cini. U ovom radu bice predstavljene osnovne karakteristike legura koje pamte oblik, razlicite vrste mogucih transformacija ovih materijala, kao i neke od mogucnosti njihove primene u oblasti medicine.
Kljucne reci: efekat pamcenja oblika, legura koja pamti oblik.
t~~ i
CD LO
!± Cp
O T3
<u E
ro
.Q
<D
O CP
Dejan I. Tanikic a, Miodrag T. Manic b, Sasa S. Randelovic b, Darko M. Brodic a 0
a Univerzitet u Beogradu, Tehnicki fakultet u Boru b Univerzitet u Nisu, Masinski fakultet
DOI: 10.5937/vojtehg62-5598 °
OBLAST: materijali |
VRSTA CLANKA: pregledni clanak ro
JEZIK CLANKA: srpski ~
p
Legure koje pamte oblik predstavljaju specificne materijale koji &
e
■o
ki
Uvod
Osnovna karakteristika legura koje pamte oblik (engl. Shape Memory Alloys - SMA) jeste njihovo samostalno vracanje u neki svoj zapam-ceni oblik prilikom promene temperature. Ova pojava primecena je jos 30-ih godina proslog veka na legurama na bazi bakra Cu-Zn i Cu-Sn (Mantovani, 2000). Medutim, jedna od najcesce koriscenih legura koje pamte oblik, pozna-ta kao nitinol (legura na bazi nikla i titanijuma), otkrivena je tek krajem 60-ih godina proslog veka, u Naval Ordnance Laboratory u USA, sto se smatra i ot-kricem i zacetkom istrazivanja na polju legura koje pamte svoj oblik.
* NAPOMENA: Ovaj rad je finansijski podrzan od Ministarstva prosvete i nauke Republike Srbije u okviru projekta III41017 i TR34005.
Prva dokumentovana masovnija upotreba legura koje pamte oblik za-belezena je 1971. godine, za izradu spojnica koje povezuju titanijumske cevne instalacije Grumman F-14 aviona (Melton, 1998). Glavni problem koji je na ovaj nacin resen je spajanje titanijumskih cevi, koje se koriste radi smanjenja ukupne tezine aviona, sto predstavlja tipicni primer primene naucnih saznanja za resavanje konkretnih industrijskih problema. Pocet-kom 80-ih godina proslog veka zabelezena je znacajnija primena legura koje pamte oblik u Japanu za izradu ventila za klima-uredaje. U isto vreme pocinje sve masovnija primena ovih materijala, prvenstveno za stomatolo-ske, a zatim i za druge medicinske aplikacije. Postoji stalna teznja da se novi materijali, razvijeni uglavnom za potrebe vojne i aero-industrije, iskori-ste i u medicini, za izradu kompatibilnih i funkcionalnih implantata, radi po-boljsanja kvaliteta zivota pacijenata, kojima je to neophodno.
Principi funkcionisanja legura koje pamte oblik
U osnovi funkcionisanja legura koje pamte oblik nalazi se fazna transfor-macija u cvrstom obliku (slika 1), koja se naziva martenzitna termoelasticna transformacija iz martenzita u austenit i obrnuto (Ochonski, 2010). Ove tran-sformacije odvijaju se na odredenim temperaturama, pa su za razumevanje principa funkcionisanja legura koje pamte oblik karakteristicne cetiri temperature: Ms - pocetak formiranja martenzitne faze, Mf - zavrsetak formiranja martenzitne faze, As - pocetak formiranja austenitne faze, Af - zavrsetak formiranja austenitne faze.
austenit
CD ü E
CD
dvojnikovani martenzit
martenzit
Opterecenje Slika 1 - Austenitno-martenzitna transformacija Figure 1 - Austenite-martensite transformation
Efekat jednosmemog pamcenja oblika
U slucaju efekta jednosmernog pamcenja oblika materijal se vraca u svoje prvobitno stanje jednostavnim zagrevanjem. Ovaj efekat ilustrovan je na slici 2.
F,
>
L, £
I
CD LO
!±
O T3 <U
E
ro
.Q (D
O
<0 >
O
.Q O <1J
E ro
Slika 2 - Efekat jednosmernog pamcenja oblika Figure 2 - One-way shape memory effect
Uzorak se u pocetnom trenutku nalazi na sobnoj temperaturi (tacka 1) u stanju austenita. U prvoj fazi uzorak se hladi, bez dejstva spoljnih si-la, sto je praceno formiranjem martenzita (tacka 2). Zatim se, na snizenoj temperaturi, vrsi deformisanje uzorka primenom spoljne sile - F, koja do-vodi do promene dimenzija pripremka - L (tacka 3). Nakon rasterecenja, uzorak ostaje u deformisanom stanju (tacka 4). Zagrevanjem uzorka, on se vraca u prvobitni, nedeformisani oblik, sto je praceno ponovnom tran-sformacijom iz martenzita u austenit (tacka 5).
g e
ci ki
Efekat dvosmernog pamcenja oblika
Osnovna odlika ovog efekta jeste promena oblika predmeta naizme-nicnim zagrevanjem i hladenjem, bez dejstva spoljasnjih sila (Slika 3). Uzorak se na pocetku nalazi u stanju austenita na sobnoj temperaturi (tacka 1). Hladenjem se, bez primene spoljasnjeg opterecenja, vrsi transfor-macija austenita u martenzit (tacka 2). Na snizenoj temperaturi uzorak se visestruko opterecuje i rasterecuje spoljasnjom silom - F, kako bi „zapam-tio" deformisani oblik (tacka 3). Nakon prestanka dejstva spoljasnje sile uzorak ostaje u deformisanom obliku, sa promenjenom dimenzijom - L (tacka 4). Zagrevanjem se vrsi transformacija martenzita u austenit, i na taj nacin uzorak vraca pocetno, nedeformisano stanje (tacka 5). Medutim, za razliku od prethodnog slucaja, ponovnim hladenjem (tacka 6) predmet se,
bez dejstva spoljasnjeg opterecenja, deformise i dobija svoj „zapamceni" oblik (tacka 4). Na ovaj nacin dimenzije uzorka se menjaju bez dejstva ika-kve spoljasnje sile, njegovim jednostavnim hladenjem i zagrevanjem.
Slika 3 - Efekat dvosmernog pamcenja oblika Figure 3 - Two-way shape memory effect
Supertermoelasticni efekat
Prilikom dejstva spoljasnjih sila na neki materijal on se deformise. Spo-sobnost materijala da se nakon prestanka dejstva spoljasnjeg opterecenja vrati u prvobitno stanje naziva se elasticnost i ovo svojstvo imaju gotovo svi materijali. Medutim, samo neki materijali imaju sposobnost da prihvate mnogostruko vece opterecenje i da se, nakon rasterecenja, vrate u prvobitni oblik. Ova osobina naziva se superelasticnost ili pseudoelasticnost. Supertermoelasticni efekat podrazumeva superelasticni i supertermicki efekat.
L, e
a)
b)
Slika 4 - a) Superelasticni efekat, b) supertermicki efekat Figure 4 - a) Superelastic effect, b) Superthermic effect
e
<6D
Superelasticni efekat
Superelasticni efekat odvija se pri konstantnoj temperaturi (slika 4 a). Na pocetku se uzorak nalazi u austenitnoj fazi (tacka 1), a zatim se vrsi kla-sicno opterecivanje spoljasnjom silom - F, pri cemu se menjaju dimenzije pripremka - L. Sa povecanjem spoljasnjeg opterecenja dolazi do velike de-formacije uzorka, koja se objasnjava formiranjem martenzita u unutrasnjosti austenitne faze pripremka. Nakon toga, dolazi do dodatne elasticne defor-macije martenzitne faze akumuliranom silom - F, sto dovodi do maksimal-nog deformisanja uzorka (tacka 3). Konacno, sa prestankom dejstva spolja-snje sile, uzorak se rasterecuje i vraca u prvobitni oblik (tacke 4 i 1). Ova po-java slicna je klasicnoj elasticnosti materijala, ali su deformacije materijala koji poseduju superelasticnost visestruko vece od deformacija koje se javlja-ju kod materijala koji nemaju ovu karakteristiku.
Supertermicki efekat
Za razliku od superelasticnog efekta, supertermicki efekat (slika 4 b) odvija se pri nekoj konstantnoj spoljasnjoj sili F, pri cemu je i u ovom slucaju na pocetku procesa uzorak u austenitnoj fazi (tacka 1). Smanjenje temperature praceno je odgovarajucom kontrakcijom, odnosno promenom dimenzija pripremka - L. Daljim smanjenjem temperature dolazi do formiranja martenzita unutar austenitne faze uzorka, sto ima za posledicu vrlo velike promene dimenzije uzorka. Nakon toga sledi i dodatno skupljanje martenzita, koja je re-zultat daljeg smanjenja temperature i koja dovodi do maksimalnog deformisanja uzorka (tacke 2 i 3). Proces je reverzibilan, jer se sa povecanjem temperature uzorak vraca u pocetno, nedeformisano stanje (tacka 4). Dakle, promena oblika vrsi se pri stalnoj spoljasnjoj sili, jednostavnom promenom temperature, po cemu je ovaj efekat slican efektu dvosmernog pamcenja oblika.
Biokompatibilnost i biofunkcionalnost
Zbog svojih specificnih osobina materijali koji pamte oblik vec su na-sli mnogobrojne primene u najrazlicitijim oblastima, a svoju sve siru pri-menu nalaze i u medicini. Vec duze vreme koriste se za izradu medicin-skih implantata. Dve su osnovne karakteristike koje implantati moraju da poseduju: biokompatibilnost i biofunkcionalnost. Biokompatibilnost podra-zumeva da se implantat od nekog materijala moze koristiti u ljudskom te-lu (kratkorocno ili dugorocno) bez ikakvih negativnih posledica po ljudski organizam, odnosno da nije toksican po organizam u predvidenom roku. Materijali koji su biokompatibilni nazivaju se biomaterijali, a biokompatibilnost je opisni izraz kojim se oznacava sposobnost materijala da se pona-
C23}
sa na odgovarajuci nacin u organizmu u koji se aplicira. Takode, postoji razlika izmedu povrsinske i strukturalne kompatibilnosti (Tanikic, et al., 2012). Povrsinska kompatibilnost oznacava hemijsku, biolosku i fizicku (ukljucujuci povrsinsku morfologiju) pogodnost povrsine implantata za pri-menu kod tkiva domacina. Strukturalna kompatibilnost predstavlja opti-malnu adaptaciju implantata mehanickom ponasanju tkiva domacina. Bi-ofunkcionalnost, sa druge strane, obezbeduje neometano izvrsavanje svih potrebnih funkcija implantata, bez ikakvih ogranicenja i ometanja funkcionisanja drugih delova organizma u predvidenom intervalu. Neop-hodno je da svaki potencijalni materijal za izradu implantata uspesno pro-de tri testa: in vitro, in vivo i klinicku studiju. Kada se sve to ima u vidu, zakljucuje se da samo mali broj materijala koji pamte svoj oblik zadovo-ljavaju sve potrebne kriterijume za koriscenje u medicini.
U prirodi postoji veliki broj legura koje pamte oblik, a najveci broj jesu le-gure na bazi gvozda (FePt, FePd, FeMnSi), bakra (CuZn, CuZnAl, CuSn, Cu-AlNi), srebra, zlata, mangana, itd. Ipak, najsiru primenu nasla je legura NiTi (sa 48-52% Ni), poznata pod nazivom nitinol. Pored dobrih mehanickih karak-teristika, nitinol je odlican u pogledu biokompatibilnosti (Thierry, et al., 2002), kao i indiferentnosti u odnosu na magnetnu rezonancu i kompjutersku tomo-grafiju (Holton, et al., 2002). Stavise, ponasanje nitinola u ljudskom organizmu je mnogo povoljnije i prirodnije u poredenju sa klasicnim materijalima, najce-sce koriscenim u medicini, kao sto su celik 316L i legure Co-Cr.
Primena u ortopediji
Opste je poznato i prihvaceno da se plocice od razlicitih materijala ko-riste za fiksiranje polomljenih kostiju sve do njihovog konacnog zarastanja. Medutim, materijali koji pamte oblik pruzaju jednu novu mogucnost koja pozitivno utice na konacno zarastanje prelomljenih delova kostiju. Naime, zarastanje kostiju je mnogo uspesnije i kvalitetnije ukoliko su prelomljeni delovi pritisnuti jedan ka drugom tokom zarastanja. Ova spoljasnja sila mo-ze se obezbediti koriscenjem plocica izradenih od materijala koji pamte oblik, pri cemu se one prevashodno deformisu na nizoj temperaturi, a zatim se, nakon apliciranja na mesto preloma, nakon zagrevanja na telesnu tem-peraturu, one vracaju u svoj zapamceni oblik, tako da obezbeduju stalnu silu kojom su polomljeni delovi kosti pritisnuti jedan na drugi. Primer plocice koja je primenjena za fiksiranje polomljene vilicne kosti prikazan je na slici 5 (Machado, Savi, 2003)._ Za fiksiranje polomljenih delova kostiju uspesno se koriste i SMA zice. Zica se najpre podvrgava niskoj temperaturi i isteze, a zatim se, nakon apliciranja i zagrevanja telesnom temperaturom vraca u prvobitni oblik, obezbedujuci stalnu zatezucu silu. Na taj nacin iz-begava se potreba stalnog pritezanja zice izradene od klasicnog materijala, koja se tokom vremena isteze i opusta.
<E>
Slika 5 - SMA plocica za fiksaciju vilice Figure 5 - SMA plate for mandible fixation
Eksperimentalna primena spojnica izradenih od materijala koji pamte oblik pocela je pocetkom 80-ih godina u Kini. Spojnice su bile izradene od nitinola, a koristile su se za fiksaciju prelomljenih kostiju, obezbedujuci na taj nacin potrebnu pritisnu silu izmedu slomljenih delova. Tokom cetvoro-godisnjeg prisustva u organizmu nisu primecene nikakve negativne posledice koriscenja ovih spojnica. Danas se spojnice od nitinola koriste u goto-vo svim zapadnoevropskim drzavama. Izgled jedne takve spojnice pre i nakon deformacije usled promene temperature prikazan je na slici 6 a.
b)
V , ff.
Slika 6 - a) SMA spojnica pre i nakon deformisanja, b) SMA odbojnik prsljenova pre
i nakon deformisanja
Figure 6 - a) Shape memory staple before and after deformation, b) Shape memory
spacer before and after deformation Jos jedna od mogucnosti primene SMA elemenata u medicini prika-zana je i na slici 6 b (Petrini, Migliavacca, 2011). U ovom slucaju radi se o odbojniku koji sluzi za odrzavanje potrebne razdaljine izmedu dva kic-mena prsljena. Na ovaj nacin postize se potreban efekat dejstva stalne strane sile, kojom se prsljenovi medusobno razdvajaju sa jedne strane, kao i onemogucavanje povreda kicme usled mogucih nepravilnih pokreta pacijenta, bez obzira na to u kojem se polozaju nalazi. Takode, ovaj odbojnik uspesno se koristi i kao pomagalo pri lecenju skolioze kicme.
-
cn
LO
ci p
nii
cii id e m u a b
er
ot p
u a v o h
b o
te mt
a p
je oj
k
Jedan od glavnih problema koji se javlja u ortopedskoj hirurgiji je upravo velika razlika u cvrstoci kostiju, odnosno zivog tkiva i metalnih ili keramickih im-plantata (Ryan, et al., 2006). Prilikom raspodele opterecenja izmedu kosti i im-plantata velicina prouzrokovanog napona u njima direktno je povezana sa nji-hovom cvrstocom. S obzirom na to, ocigledno je da je kost u znatnoj meri ma-nje opterecena od implantata. Sto je veci stepen razmimoilazenja cvrstoca tkiva i implantata to je vece razmimoilazenje u naprezanjima implantata i tkiva. Ovaj fenomen utice na remodeliranje i proces ozdravljenja kostiju i dovodi do pove-cane poroznosti kostiju (poznate i kao atrofija kostiju). U praksi je pokazano da se, upotrebom implantata sa slicnom Cvrstocom koju ima i tkivo-domacin, izbe-gava opasnost od ove pojave i na taj nacin poboljsava proces ozdravljenja kostiju. Imajuci to u vidu, jasno je da je pozeljno koriscenje materijala sa manjom cvrstocom, pa su zbog toga implantati proizvedeni od poroznih NiTi legura predmet interesovanja u nekoliko poslednjih decenija. Poznatim metodama me-talurgije prahova moguce je dobiti porozne NiTi legure sa potrebnim fizickim i mehanickim karakteristikama. Na taj nacin dobijaju se permanentni implantati, koji se tokom duzeg perioda u potpunosti prilagodavaju i asimiliraju u organi-zmu, bez ikakvih nezeljenih posledica (Bansiddhi, et al., 2008).
Primena u stomatologiji
Superelasticnost je efekat koji se najcesce koristi u stomatoloskoj primeni materijala koji pamte oblik. Zubne proteze predstavljaju pomagala koja obez-beduju pravilan rast i korekciju polozaja zuba, primenom sila kojima zica proteze deluje na zube. Sile koje se protezom ostvaruju ne smeju biti prevelike, jer mogu dovesti do deformisanja zuba, ali ni premale, jer se u tom slucaju ne ostvaruje potreban efekat. Ukoliko se proteze izraduju od materijala koji pamte oblik moze se postici efekat konstantne, ravnomerno dejstvujuce sile, koja pra-vilno deluje na korekciju rasta i polozaja zuba tokom duzeg perioda (slika 7). U ovom slucaju period potreban da se ostvari pravilan raspored zuba znatno se smanjuje, pri cemu se smanjuje i broj poseta stomatologu zbog pritezanja zica proteze. SMA implantati takode se uspesno koriste za izradu vestackih zuba, kao i nedostajucih delova zuba, kao i za izradu stomatoloskih alata i pribora.
Slika 7 - Proteze izradene od legura koje pamte oblik Figure 7 - Shape memory alloy dental braces
Kardiovaskularna primena
Materijali koji pamte oblik primenjuju se i u ovoj grani medicine, pri cemu se njihovom upotrebom izbegava potreba za klasicnim operativnim postupkom, koji najcesce zahteva i potpunu anesteziju. Simonov filter predstavlja jednu od prvih primena SMA materijala. Koristi se za preven-ciju plucne embolije, a narocito je koristan kod osoba koje ne smeju da koriste antikoagulante. Prakticna uloga ovog filtera je „hvatanje i zadrza-vanje" krvnih ugrusaka, sve do njihovog ponovnog rastvaranja u krvi. Apliciranje ovog filtera izvodi se primenom efekta pamcenja oblika, a faze aktiviranja filtera prikazane su na slici 8 (Machado, Savi, 2003).
Slika 8 - Simonov filter i faze kroz koje prolazi prilikom aktiviranja Figure 8 - Simon filter and its activation phases
Filter se u pocetku nalazi u martenzitnoj fazi, i u tom stanju se odrzava pomocu katetera, kroz koji prolazi tecnost kojom se obezbeduje snizena temperatura. Nakon konacnog postavljanja u krvni sud, na telesnoj temperaturi pocinje transformacija martenzitne u austenitnu fazu. Na taj nacin filter se vra-ca u svoj prvobitno zapamceni oblik, pri cemu obezbeduje potrebnu funkciju.
U poslednjih nekoliko decenija veoma je ucestala primena stentova od materijala koji pamte oblik, radi obezbedivanja konstantnog unutrasjeg precni-ka krvnog suda. Stent se, pre upotrebe, nalazi u martenzitnoj fazi, a zatim se pomocu katetera, kojim se odrzava na snizenoj temperaturi, dovodi u zonu apliciranja. Nakon postavljanja stenta u zeljenu poziciju, telesna temperatura utice na njegovo vracanje u prvobitno zapamceni oblik, odnosno transformaci-ju martenzitne u austenitnu fazu, pri cemu stent formira svoj konacni oblik, u kojem omogucava neometani protok krvi (slika 9).
Slika 9 - SMA stent i njegov izgled nakon apliciranja Figure 9 - SMA stent and its shape after appliance
Hirurski instrumenti i pribor
Razvoj savremenih hirurskih instrumenata i pribora omogucava izvo-denje hirurskih zahvata uz minimalno ostecenje okolnih tkiva. U skladu s tim trendom i dimenzije savremenih hirurskih instrumenata su sve manje, uz istovremeno poboljsanje performansi. Zbog toga je upotreba hirurskih instrumenata i pribora izradenih od materijala koji pamte svoj oblik za ovu svrhu u stalnom usponu. Sposobnost instrumenata izradenih od SMA da zapamte veoma komplikovane oblike, kao i superelasticnost, karakteristi-ke su koje su od izuzetne vaznosti za hirurske instrumente.
SMA korpa je hirurski instrument koji se, pored ostalog, moze koristi-ti za uklanjanje kamena iz bubrega, zucne kese itd. (Kourambas, et al., 2000). Ova korpa se aplicira na slican nacin kao i Simonov filter, korisce-njem katetera pomocu kojeg se korpa odrzava na snizenoj temperaturi u „sklopljenom" stanju. Nakon postavljanja u neposrednu blizinu kamena koji treba odstraniti, korpa se oslobada i vraca u zapamceni oblik (pod dejstvom telesne temperature), i na taj nacin obuhvata objekat, odnosno objekat biva „uhvacen" u korpu i moguce ga je odstraniti na brz i efikasan nacin bez dodatnog ostecenja tkiva koje bi moralo biti izazvano klasic-nom hirurskom intervencijom.
Sve vecu primenu SMA hirurski instrumenti nalaze i u laparasko-piji (Duerig, et al., 1999). Pored dobrih osobina u pogledu dimenzija i tezine, SMA instrumente karakterise i mogucnost veoma finog i preci-znog pozicioniranja i funkcionisanja. U slucajevima kada se ovi materi-jali koriste za izradu hirurskih instrumenata za laparaskopiju, funkcije koje omogucava efekat pamcenja oblika uglavnom su prihvatanje, ste-zanje, secenje itd.
Zakljucak
Primena legura koje pamte oblik belezi intenzivni rast. Njihove po-voljne mehanicke i fizicke karakteristike, kao i efekat pamcenja oblika, koriste se u gotovo svim oblastima nauke i tehnike. Stavise, njihova bio-kompatibilnost je jedna od najbitnijih karakteristika koja ih svrstava u prio-ritetnu klasu materijala koji se koriste u medicini.
U ovom radu prikazani su osnovni vidovi funkcionisanja legura koje pamte oblik, kao sto su jednosmerno i dvosmerno pamcenje oblika, superelasticnost i supertermicnost. Takode, prikazane su i neke od moguc-nosti primene legura koje pamte oblik u medicini. Danas su te legure veoma prisutne u medicini, ali se, zahvaljujuci dobrim osobinama, u buduc-nosti moze ocekivati pronalazenje novih materijala, kao i novih vidova aplikacija ovih materijala.
Literatura
Bansiddhi, A., Sargeant, T.D., Stupp, S.I., Dunand, D.C., 2008, Porous NiTi for bone implants: A review, Acta Biomaterialia, 4(4), pp.773-782.
Duerig, T.M., Pelton, A., Stockel, D., 1999, An overview of nitinol medical applications, Materials Science and Engineering A, 273(275), pp.149-160.
Holton, A., Walsh, E., Anayiotos, A., Pohost, G., Venugopalan, R., 2002, Comparative MRI compatibility of 316L stainless steel alloy and nickel-titanium alloy stents, Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance, 4(4), pp.423-430.
Kourambas, J., Delvecchio, F.C., Munver, R., Preminger, G.M., 2000, Nitinol stone retrieval-assisted ureteroscopic management of lower pole renal calculi, Urology, 56(6), pp.935-939.
Machado, L.G., Savi, M.A., 2003, Medical applications of shape memory alloys, Brazilian Journal of Medical and Biological Research 36(6), pp.683-691.
Mantovani, D., 2000, Shape memory alloys: Properties and biomedical applications, JOM, 52(10), pp.36-44.
Melton, K.N., General applications of SMA's and smart materials in: Shape memory materials, [Internet], Dostupno na: <http://catdir.loc.gov/catdir/samples /cam034/97036119.pdf>, Preuzeto: 20.12.2013.
Ochonski, W., 2010, Application of shape memory materials in fluid sealing technology, Industrial Lubrication and Tribology, 62(2), pp.99-110.
Petrini, L., Migliavacca, F., Biomedical Applications of ShapeMemory Alloys, [Internet], Dostupno na: <http://www.hindawi.com/journals/jm/2011/501483/>, Preuzeto: 25.12.2013.
Ryan, G., Pandit, A., Apatsidis, D., 2006, Fabrication methods of porous metals for use in orthopaedic applications, Biomaterials, 27(13), pp.2651-2670.
Tanikic, D., Manic, M., Benadic, D., Randelovic, S., Milovanovic, J., Bekic, P., 2012, Metals and Alloys in the function of biomaterials, Vojnotehnicki glas-nik/The Military Technical Courier, 60(2), pp.202-215.
Thierry, B., Merhi, Y., Bilodeau, L., Tr'epanier, C., Tabrizian, M., 2002, Nitinol versus stainless steel stents: acute thrombogenicity study in an ex vivo porcine model, Biomaterials, 23(14), pp.2997-3005.
SHAPE MEMORY ALLOYS AND THEIR MEDICAL APPLICATION
FIELD: Materials
ARTICLE TYPE: Review Paper
ARTICLE LANGUAGE: Serbian
Summary
Shape memory alloys - SMAs are specific materials which has the ability to change their shape and return to some memorized state, which is caused by the changes in their temperature. Because of their specificity and unusual characteristics, the area of usage of SMAs is very large and heterogeneous. SMAs are mostly biocompatible, which enables their usage in medicine. Some basic characteristics of the shape memory alloys,
i
CD LO
!± p
O TD CD
E
a b
er tr
o
p
CO >
o
15 o
e t
E
a p
e
CD
e
T3
d •o
CO H
o
X
o >
o <N
a: w 0£ ZD O o
-J <
o
X
o
LU
I— >-
CC
£
w <
-j
CD >Q
X LU I—
o
o >
different types of their transformations, as well as some possibilities of their usage in medicine will be presented in this paper.
Introduction
The main characteristic of the shape memory alloys, their possibility to return to some remembered state, has been noticed on copper based alloys in the thirties of the last century. However, nitinol (nickel-titanium alloy), as one of the most used SMAs, was discovered at the end of the sixties of the last century. The first documented large usage of SMAs was in 1971 for a coupling to connect titanium hydraulic tubing in a Grumman F-14 aircraft. The large usage of SMAs for the production of valves in air condition systems was recorded in Japan in the eighties of the last century. The first usage of SMAs in the dental and medical fields was recorded at the same time.
SMA functionality principles
The main functionality principle of SMAs is explained by the solid state phase transition, called marthensitic thermoelastic transformation from the austenitic to the martensitic phase and vice-versa.
One-way shape memory effect: In this case, material is firstly deformed at some lower temperature. Due to the one-way shape memory effect, the material can return to its memorized shape by simple heating.
Two-way shape memory effect: The main characteristic of this effect is changing of the material shape by its alternately heating and cooling, without any external forces.
Superthermoelastic effect: Some materials have the ability to accept extremely large loads and return to its original shape after unloading. This characteristic is known as superelasticity or pseudoelasticity.
Superelastic effect: This effect happens at the constant temperature. This occurrence is similar to the classical elasticity, but the deformations of the superelastic materials are multiple times larger than the deformations of classic materials.
Superthermic effect: Unlike the superelastic effect, this effect happens during loading with the constant external force. The changes in the material shape occur with the changes in the environment temperature, similar as in the case of the two-way shape memory effect.
Biocompatibility and biofunctionality
Two main demands which medical implants must fulfil are biocompatibility and biofunctionality. Biocompatibility means that the used implant material is non toxic, while biofunctionality provides smooth execution of all needed functions of the implant in the required period of time. There are many SMAs in the nature, the basis of most of them are Fe, Cu, Ag, Au, Mn... However, the most popular SMA is NiTi alloy, called nitinol, which shows good mechanical as well as biocompatibile characteristics.
Applications in orthopedic surgery
Metal plates are already widely used in orthopedic surgery. However, metal plates and other orthopedic devices made from shape memory alloys provide some new, quality possibilities. It is a well-known fact that bone healing is much better in cases when broken
parts are pressed towards each other during healing. This external force can be obtained by using SMA plates. In this case, SMA plates are deformed at a lower temperature, and then applied onto the broken bone. After application, the plate is heated at the body temperature, which causes returning to the memorized shape, thus providing necessary force for broken parts to stick together.
Dental applications
Dental braces are medical devices that provide normal teeth growth and correction of the teeth disposition, using external forces obtained from the braces wires made from SMAs. Forces should not be too large because they can deform teeth, also they should not be too small because they will not be able to realize the main purpose. SMAs in braces enable constant and uniform external forces, which affects the teeth during a long period of time, avoiding the need for frequent dentist interventions.
Cardiovascular applications
SMA devices are commonly used in this medical field, resulting in avoiding classic operations which require total anaesthesia. The Simon filter is used for catching and holding clots of the blood stream, preventing the emboli in cases where a patient is unable to use anticoagulants. SMA stents are also very often used devices, the application of which is based on the shape memory effect. Stents enable constant fluid flow inpotentially dangerous zones.
Surgery instruments and tools
The modern surgery requires minimal damage of the tissue, which implies the tendency towards small, extremely precise instruments and tools. The ability of SMA instruments to remember very complicated shapes, as well as the superelastic effect, are very important characteristics that can upgrade surgical instruments. The shape memory basket, the application of which is very similar to the Simon filter, is often used for removing kidney or bladder stones. The other applications of SMA instruments are guidewires, catheters, instruments for laparoscopy, etc.
Conclusion
Good mechanical and physical characteristics of shape memory alloys as well as the ability to remember some previous shapes are widely used in almost all fields of science and engineering. Their biocompatibility is one of the crucial characteristics which classify them into the priority class of materials for biomedical usage. The first part of this work explains the one-way shape memory effect, the two-way shape memory effect, the superelastic effect and the superthermic effect. After that, some examples of the SMA applications in biomedicine are presented.
Key words: shape memory effect, shape-memory alloy.
Datum prijema clanka/Paper received on: 28. 02. 2014.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa/Manuscript corrections submitted on: 18. 03. 2014. Datum konacnog prihvatanja clanka za objavljivanje/ Paper accepted for publishing on: 20. 03. 2014.
i
CD LO
p. p
O TD CD
E
a b
er tr
o p
CO >
o
ki bl
o
e t mt
a p
e
CD
g e
T3
d •o
CO H
