早在六千多年前,人类就发现并使用了金属铜,公元前五世纪前后又逐渐使用了铁器以及金、银、铁、铝等其他金属。能够像聪明而智慧的生物那样具有记忆能力的金属,人们却闻所未闻,甚至难以想象。如今,这种能够“记忆”住形状的合金,确确实实在我们面前出现了,这真令世人大开眼界,拍手叫绝!
1932年瑞典人奥兰德在金-镉合金中观察到这种“记忆”效应,但当时尚未引起人们的关注。1963年,美国海军军械研究所科学家比勒在一项试验中需要使用镍-钛合金丝,但当时领回来的合金丝都弯弯曲曲,无法使用,便将其一根根拉直。但在随后的试验中,一个神奇的现象出现了:当温度升到某一个值时,这些已经被拉得笔直的合金丝,突然又魔术般地恢复了原形,更令人惊讶的是:形状的恢复竟和原来不差分毫!多次反复试验结果完全一致,被拉直的合金丝只要到达某一个特定温度后,便立即恢复原形。就好像一条被“冻”得失去知觉的蛇,当温度升高到某一个值后,突然“甦醒”过来,重新恢复“记忆”一般。“形状记忆效应”和“形状记忆合金”(ShapeMemory Alloy,SMA)便由此得名。
一根由铜锌铝组成的形状记忆合金(称为CZA合金)弹簧,在其特征温度(Tm)65℃~85℃(温度值由材料配方而定)时预先加工成形状(200cm),当对它进行热处理几分钟至半小时后,便“记忆”住了被加工成的形状。在室温下无论形状怎样变化,例1:镍钛形状记忆合金弹簧压缩成为45cm,一旦将它的温度升至Tm后,便重又恢复成原来被加工成的形状。例2:镍钛形状记忆合金装饰花,在65℃~85℃的特征温度下为开放形式,室温时又令其呈闭合花蕾状,当使用热风等使温度上升至Tm后,金属花则又会自行盛开至美丽的原形,动作转角可达180℃,煞是有趣!
通常,合金材料的高温相母体被称为“奥氏体”,而降温产生相变后的结构被称为“马氏体”。据科学家们推测,这时外表没有变化,但在加热和冷却时结晶状态是各不相同的,在某个特定温度下,金属原子的排列方式会发生突变,晶体结构的这种变化常常是可逆的,被称为“相变”。例如,含Ti和Ni各为50%的记忆合金,即存在着菱形和立方体两种晶体结构,在某个特殊温度时这两种晶体结构能相互转换,形状也就随着结构类型而改变。随后的研究还发现,除镍钛合金外,还先后发现铜-锌、金-镉、镍-铝等约二十余种合金也具有记忆功能,但其中“记忆力”强的当属镍钛合金。
1 前言
形状记忆合金(Shape MemoryAlloys,简称SMA),是一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。镍钛形状记忆合金(以下简称镍钛合金)是在医学领域应用广泛的一种形状记忆合金,除形状记忆能力外,它还具有超弹性效应,表现为在外力作用下,形状记忆合金具有比一般金属大得多的变形恢复能力,即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复[1]。镍钛记忆合金具有的形状记忆功能和超弹性效应,可以有效满足临床需要。目前,医用镍钛合金制造的覆膜血管支架、食道支架、骨固定器、心脏封堵器等植入物已被广泛用于临床[2-8],由于其长期甚至植入患者体内,其产品质量直接关系到人民群众的生命安全,在国内外均被作为植入医疗器械由监管部门审批后才允许上市。而医用镍钛合金材料和植入物的标准作为科学监管的重要技术依据,在监管中发挥了重大作用。本文对国内外医用镍钛合金材料和植入物标准的现状进行分析,以期明确该领域的标准化研究方向。
2 国内现状
目前,国内关于镍钛形状记忆合金材料和植入物的专用标准共有11份,见表1。主要标准发布机构包括国家质检总局(GB标准)、原国家食品药品监督管理总局(YY标准)、有色金属研究院(YS标准)。相关标准已基本覆盖了镍钛合金材料和植入物的术语、规范要求和试验方法。
表 1 镍钛形状记忆合金材料及植入物的国内标准
3 国际现状
目前,国际上关于镍钛形状记忆合金材料及植入物的专用标准共有25份,见表2。主要标准发布机构包括美国材料与试验协会(ASTM标准)、日本工业标准调查会(日本工业标准,又称JIS标准)、韩国工业标准(KS标准)、巴西国家标准(ABNTNBR标准)、法国国家标准(NF标准)。相关的内容主要涉及镍钛合金材料的术语、规范要求和试验方法,特别是反映其形状记忆功能和超弹性效应的方法标准,但不同机构发布的标准内容有一定的重复和交叉。