首页〈中信娱乐平台本文介绍了镍钛形状记忆合金--镍钛合金作为医疗植入物和设备的智能材料。描述了镍钛诺的形状记忆和超弹性的原子性质以及相关的机械性能的独特变化。 该材料的智能性体现在其用于自扩张支架上。 由于超弹性镍钛合金的应力滞后作用，这些设备表现出偏向刚度行为，即它们对血管壁施加较低的慢性向外力，但会以更高的力抵抗外部变形。本文还讨论了薄膜镍钛合金支架和过滤器的一些最新发展。

　　根据一个定义，智能材料对外部刺激的反应是改变材料的关键属性，根据另一个定义，智能材料通常表现出在某种程度上是出乎意料或新颖的属性。与压电陶瓷、磁致伸缩材料和电流变液体一起，形状记忆材料早已被归类为智能材料或智能系统的组成部分。这要归功于它们在加热和冷却时改变形状的能力，这似乎使它们非常适合于先进的执行器应用。然而，尽管人们知道这一点已经有四十年了，并且已经提出了许多应用，但市场上只出现了数量有限的包含有 智能 形状记忆执行器的工业产品。同时，最受欢迎的金属形状记忆材料（SMA--形状记忆合金）--镍钛合金已经成为医疗设备行业许多应用的首选材料，虽然这些应用中很少有 智能系统，但根据上述定义，它们还是符合条件的。

　　镍诺尔是一种镍和钛的等离子或近等离子金属间化合物，在-100°C至+100°C的温度范围内发生固态转变，取决于成分和/或加工历史。与这种相变相关的是材料性能的重大变化。其最显著的表现是，材料在明显的塑性变形后，加热后能恢复到原来的形状（热记忆）。另一个相关效应是所谓的超弹性，即材料在受到显着应变后卸载时恢复其原始形状的能力（弹性记忆）。 除了这些惊人的效果，形状记忆合金，尤其是镍钛诺，还表现出一些不寻常但有用的特性，使这种材料真正“智能”。

　　在本文中，我们将简要描述形状记忆效应的性质以及相关的机械性能变化。 然后，我们将讨论镍钛诺最成功的医疗应用，即自扩张支架，这是镍钛诺在医疗设备中的智能行为的一个令人印象深刻的例子。 最后，我们将了解薄膜镍钛合金支架和过滤器的一些最新进展。

　　形状记忆和超弹性是热弹性马氏体转变的结果。 在转变温度以上，镍钛合金（一种含大约 50 at.% 钛的镍钛合金）是奥氏体。 奥氏体的晶体结构为立方B2或氯化铯结构。 冷却到转变温度以下会将 B2 结构转变为孪晶单斜结构，称为马氏体。 这种转变不会发生宏观形状变化。 然而，孪晶马氏体可以很容易地通过非常规的去孪晶机制变形高达大约 8% 的应变。 这种变形可以通过将材料加热到高于转变温度的温度来恢复，从而完成形状记忆循环。 如上所述，材料特性的显着变化伴随着这种相变。 图 1 显示了特性随温度变化的典型图，描绘了具有相关定义温度 As（奥氏体开始）、Af（奥氏体结束）、Ms（马氏体开始）和 Mf（马氏体结束）的特征滞后曲线（左）镍钛合金的温度滞后（原理图）

　　在高于Af的温度下，马氏体可以被应力诱导，即通过将奥氏体转化为马氏体并立即通过脱温使其变形，使材料受到变形应力，产生高达8%的可恢复应变，这就是所谓的超弹性或弹性记忆。由于其基本机制与热记忆相同，在绘制应力与应变图时，可以发现明显的滞后现象。图2示意性地显示了温度高于Af约30度时镍钛合金线的应力-应变曲线。加载时，应力首先随应变线%的应变。在第一个 屈服点 之后，可以积累几个百分点的应变，而只增加一点应力。这个平台的终点（加载平台）是在大约8%的应变下达到的。在这之后，又出现了应力与应变的线性增长。从高原区域的末端卸载，导致应力迅速下降，直到达到一个较低的高原（卸载高原）。应变在这个区域被恢复，而应力只减少了一点。变形应变的最后部分最终再次以线性方式恢复。基于应力滞后，一个设备可以表现出所谓的偏向刚度，即在加载期间的高刚度和卸载期间的低刚度。正如后面所显示的，这是用于治疗病变血管的自膨式支架性能的一个主要方面。

　　镍钛诺合金的应力-应变行为与温度密切相关。 迟滞随着 Af 和工作温度之间的差异增加而向上移动，即具有给定 Af 的设备随着温度升高而变得更硬。 另一方面，降低温度会使滞后现象下移。 当工作温度低于 Af，更具体地说低于 Mf 时，变形将不再弹性恢复。 然而，它可以热恢复（热记忆）。图 3 显示了 Af -10°C 的超弹性合金在不同温度下的拉伸曲线。

　　毋庸置疑，镍钛合金在医疗设备中最著名的应用是用于自膨式支架。支架是一种支架管状结构，在球囊扩张、肿瘤生长或其他阻塞性影响后防止血管重新闭合。虽然大多数用于冠状动脉的支架仍然是球囊扩张的，但大多数用于非血管或外周血管的支架是自膨式的。自膨式支架的直径大于目标血管的直径，卷曲并约束在基于导管的输送系统中。它们通常在透视或内窥镜引导下通过小切口或自然的身体开口插入体内。在目标部位，支架从输送系统中释放出来，并弹性地膨胀，直到碰到血管壁（图4）。因此，自膨胀支架的性能取决于材料在输送系统中受到限制时储存弹性能量的能力，这使得镍钛合金成为理想的选择。

　　当检查支架血管中的力平衡时，镍钛合金支架的智能特性变得尤为明显。 如上所述，镍钛合金的应力滞后或路径依赖性会导致称为偏刚度的特征。 图 5 说明了这一概念，该图显示了镍钛合金的典型超弹性应力-应变曲线示意图，说明了非线性响应和滞后现象。 使用此图，我们将遵循将支架压入输送系统、部署支架并使其扩张并与血管相互作用的循环。 为此，轴已从应力-应变更改为环向力-支架直径。 将比血管（图 5 中的“a”点）大的给定尺寸的支架卷曲到输送系统（“b”点）中，然后包装、消毒和运输。 插入目标部位后，将支架释放到血管中，从“b”开始扩张，直到运动因与血管碰撞而停止（点“c”）。 此时，支架的进一步扩张被阻止。 由于支架没有扩张到其预设形状，它会继续施加较低的向外力，称为慢性向外力或 COF。 然而，它将抵抗反冲压力或任何其他外部压缩力，这些力由从点“c”到“d”的加载曲线决定，这比卸载线（朝向“e”）要陡峭（更硬）。 这些力称为径向阻力或 RRF。

　　支架智能吗？ 它当然符合定义的要求。 镍钛诺不寻常的弹性滞后作用允许作用在血管壁上的支架的持续打开力，即慢性向外力 (COF)，即使在支架发生大变形和超大尺寸时也能保持非常低。 同时，支架产生的抵抗压缩的力，即径向阻力 (RRF)，随着偏转而迅速增加，直到达到平台应力。 一般而言，支架设计师力求尽可能高的 RRF 和尽可能低的 COF。

　　图6显示了一个市售的10毫米镍钛合金支架（标称直径。该装置被卷曲到2毫米，并被部署到模拟的8.5毫米的血管直径（直径小于4毫米的数据没有被记录）。在8.5毫米处，通过将支架压接回7.5毫米来记录RRF，然后将支架完全卸载到其原始直径。我们可以看到，在整个指定的直径范围内（8到9毫米），COF相当稳定，为0.035 N/mm。当支架从平衡直径变形时，RRF急剧增加，在变形一毫米后达到0.22 N/mm。继续变形将表明在大约0.24 N/mm处出现一个高原。

　　镍钛合金支架的另一个显着且可证明的属性是它们的挤压恢复能力。 大多数（如果不是全部的话）镍钛诺支架可以完全压平并仍然弹性恢复其原始形状，而不会出现临床相关的管腔直径损失。这一属性对于容易受到外部挤压的浅表适应症非常重要，例如颈动脉（图 7）。

　　用于外围应用的镍钛诺支架市场规模估计接近 5 亿美元，并且随着新手术的引入和接受而迅速增长。一个特别令人感兴趣的领域是用于颅内植入的新设备，其中需要小的输送尺寸。 目前可用的大多数支架都是通过激光切割镍钛合金管制成的。 然而，神经血管应用所需的壁厚 0.05 毫米的管非常难以生产（图 8）。 生产具有非常薄支柱的支架的另一种方法是气相沉积，特别是镍钛合金的溅射沉积。 为了创建管状薄膜等 3D 形状，镍钛诺被溅射沉积在高度抛光的基板上，经过热处理使材料结晶，然后从基板上去除。 可以控制该过程以创建厚度为 1 至 5 微米的薄膜，这些薄膜表现出与块状镍钛诺基本相同的形状记忆或超弹性。 然后通过光化学蚀刻方法创建支架图案。 这些设备有可能通过微导管输送到大脑中。

　　图 8 从镍钛诺管材中激光切割支架。 左图中最大的管子有一个外径。 2毫米，最小0.4 5毫米

　　为了在神经血管介入手术中捕捉可能导致中风的血块，可以将自膨胀过滤器放在治疗部位的远端。这些过滤器可以防止碎片进入大脑，并允许在手术后将血块和颗粒清除。市场上已经出现了几种不同的镍钛合金过滤器（图9）。由薄膜镍钛合金制成的过滤器可以大大改善手术，因为它允许更小的输送系统，并有可能到达更远的位置。第一批原型已经制作完成，方法是将4微米厚的镍钛合金薄膜溅射到一个圆锥形的基底上，通过光化学蚀刻对薄膜进行透视，然后从基底上取下有图案的薄膜圆锥（图10）。

　　图 9（左）远端保护过滤器的不同设计（从左上顺时针方向：BSC、Cordis、Guidant、MicroVena）

　　医疗设备行业已采用镍钛合金作为多种设备的首选材料。 广泛的产品评论可以在国际形状记忆和超弹性技术会议的会议记录中以及之前的会议记录中找到。 在医疗设备中使用镍钛合金的主要好处是可以简化设计，支持医学微创疗法的总体趋势。 镍钛诺对热或机械刺激的独特响应允许使用更少的部件和更小的尺寸制造设备，同时可能降低成本并具有其他方式无法获得的性能特征。 一个早期的例子是无铰链仪器，它只由一个而不是传统设备的多个复杂、精密加工的部件和连接组成。 此外，镍钛诺的非线性应力/应变特性提供了对大小物体的恒力夹持和内置的过载保护。 镍钛诺的强烈温度依赖性刚度可用于通过在手术过程中局部改变组件的刚度来使导丝和导管更易于操纵。 这可以通过电加热该部分来实现，或者如最近建议的那样，通过在镍钛诺微管内滑动光纤并用激光加热材料来实现。

　　新兴的薄膜技术将进一步扩大镍钛诺在医疗器械方面的应用。 除支架和过滤器外，还建议通过气相沉积和光化学蚀刻生产全金属移植物，以取代传统的聚合物移植物。 包含薄膜镍钛诺致动器的 MEMS 可用于植入式药物泵和阀门。

　　医学中微创手术的趋势允许使用智能形状记忆合金作为关键部件来设计新型植入物和仪器。 在这种需求的推动下，镍钛合金在过去十年中出现了爆炸式增长。 镍钛诺独特的材料特性，特别是热记忆、非线性应力/应变行为、应力滞后和温度相关刚度，使这种材料成为真正的智能材料，并使采用镍钛诺组件的设备成为真正的智能系统。

　　应用产品：封堵器、支架、血管过滤器、移植支架系统、心脏瓣膜框架、闭塞装置、微创介入和内窥镜手术装置邮：

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