بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ساخت و کاربرد بستهای حافظه دار نایتینول برای اتصال استخوان مج و قوزکت پا
چکیده بستهای لا شکل ساخته شده از آلیاژ حافظه دار نایتینول، میتوانند در جراحی استخوانهای ظریف مانند استخوان مچ، قوزک پا و فک مورد استفاده قرار گرفته و باعث سادگی عمل جراحی و کوتاه شدن زمان مداوا شوند. افزایش دمای بست از طریق الکتریکی و یا گرم کردن توسط آب گرم، پس از نصب در محل شکستگی، سبب تغییر حالت آلیاژ از مارتنزیت به آستنیت و آزاد شدن کرنش باقیمانده شده و نزدیک شدن دو قطعه شکسته را سبب می شود. بسته شدن شیار شکستگی، در اثر اعمال نیروی فشاری بست، جلوی عوارضی همچون نقص جوش خوردگی را گرفته و سرعت ترمیم را افزایش میدهد. بدین ترتیب زمان تثبیت با گچ کاهش یافته، حرکت عضو شکسته تسهیل گردیده و عملیات جراحی آسان می شود. در این مقاله، تحقیقات انجام شده برای ساخت و بکارگیری بستهای حافظه دار نایتینول گزارش شده و خواص حرارتی، مکانیکی و بیولوژیکی آنها مورد بررسی قرار گرفته اند. تحقیقات انجام شده نشان میدهد که تنظیم دمای تغییر حالت آلیاژ و میزان نیروی فشاری بدست آمده، تابع ترکیب شیمیایی و زمان و دمای آنیل بعد از عملیات تک فاز سازی است.
مقدمه
آلیاژ حافظه دار نایتینول، به لحاظ خواص مطلوب مکانیکی، زیست سازگاری، خوردگی، سوپرالاستیسیته و استحکام، بعنوان مادهای ایده آل برای جراحی قطعات شکسته قوزک پا و مچ دست افرادی که دچار سانحه رانندگی، سیل، زلزله و ... شدهاند، کاربرد دارد {۲،۱]. بستهای حافظه دار از جنس ل و دارای شکل U بوده و برای حذف فاصله بین قطعات شکسته استخوان به منظور ترمیم شگستگیهای حاد از طریق تغییر شکل همراه با کاهش طول در اثر گرم کردن، مورد استفاده قرار میگیرند [۳]، از جمله مزایای بکارگیری ایگونه بستها، تسریع در التیام و ایجاد امکان حذف گچ گیری است. ویژگیهای مطلوب یک ایمپلنت جراحی استخوان، قابلیت انعطاف و نرمی در هنگام کار، خم نشدن و نشکستن پس از جراحی و توانایی ایجاد تنش فشاری فیزیولوژیکی برای متحد سازی قسمتهای شکسته استخوان است. ایمپلانتهای یکطرفه نایتینول، از جالبترین مواد زیستی فلزی برای ارتوپدی و ترمیم شکستگیها هستند [۴]. این آلیاژها براحتی می توانند تغییر شکل یافته و سپس با حرارت دیدن به شکل قبلی خود بازگردند. به این پدیده، اثر بخاطرسپاری شکل 2گفته میشود. ترکیبهایی از آلیاژها که برای کاشت در بدن مطرح شدهاند دارای مقادیر مشابه نیکل و تیتانیوم بوده و هم اتمی خوانده می شوند. برای بیحرکت نگاه داشتن شکستگی و جاندازی استخوان، از بست حافظه دار استفاده می شود. دو قطعه شکسته شده به میزان لازم بهم فشرده شده و شیار مابین حذف می شود؛ زیرا حذف نشدن شیار، میتواند باعث بدجوش خوردن قطعات، تمرکز تنش و شکستگیهای بعدی شود. موارد زیادی از شکستگیهای کشکک پا، قوزک داخلی و جانبی ،زند اسفل ، زنداعلی، مچ پا، مچ دست و بند انگشت تاکنون توسط بست حافظه دار در خارج از ایران مداوا شده و بهبود یافته اند [۳]. اما اطلاعات ما درباره خصوصیات این نوع قطعات و روش ساخت و بکارگیری آنها بسیار ناچیز بوده و در حد قابل صرفنظر است. در این مقاله، آخرین دستاوردهای تحقیقاتی در باره شیوه ساخت، بررسی خواص و نتیجه بکارگیری بستهای حافظه دار در داخل کشور ارائه شده است.
ساخت آلیاژ
برای ساخت آلیاژ از شمش تیتانیوم، تیتانیوم اسفنجی و شمش نیکل کاتدی استفاده شد. عناصر دیگر همچون کبالت، مس و آهن، عموماً به شکل پودر مورد استفاده قرار گرفتند. آلیاژسازی در بوته گرافیتی انجام شد زیرا تهیه و بکارگیری بوته گرافیتی سهل تر بود. به علت اختلاف چگالی و دمای ذوب تیتانیوم و نیکل، هنگام آلیاژسازی، فاز مذاب می بایست بشدت بهم زده میشد [۵ ] به همین دلیل ذوب در کوره القائی تحت خلا(6) انجام شد.|- عملیات یکنواخت سازی نیز تحت خلاً به مدت ۱۰ ساعت در دمای C ه ه ۱۰ انجام شد و نمونه ها برای عملیات ترمو مکانیکی، به قطعات کوچکتر تقسیم شدند. شکل دهی نمونه ها از طریق برشکاری، آهنگری، نورد گرم و نورد سرد انجام شد و سپس توسط محلول آب /اسید نیتریک / اسید فلورید یک با نسبت به ترتیب ۵ /۱/۴ اکسید زدایی شد. نمونه ها به مدت ۱ ساعت در دمای 1000 به ۱۰ درجه سانتیگراد و خلا تور تحت عملیات محلولی قرار گرفته و سپس در آب سرد کوئنچ شدند.
نمونه ها را بوسیله محلول آب /اسید نیتریک / اسید فلوریدیک با نسبت به ترتیب ۵/۱۵/۸۵، حکاکی کرده و سپس سطح مقطع آنها متالوگرافی و تصویر برداری شد. آزمایش کشش با دستگاه اینستران مدل ۱۱۱۵ و با سرعت کشش ۰/۰۲ سانتیمتر بر دقیقه انجام گردید و دماهای تغییر حالت با استفاده از دستگاه دست ساز سنجش مقاومت الکتریکی تعیین شد. خصوصیات حافطه داری از طریق اندازه گیری زاویه برگشت آلیاژ به شکل قبلی معین شد. خواص نمونه ای از آلیاژ 55Ni45Ti در جدول ۱ نوشته شده است [۸].
یکی از فعالیتهای اصلی در ساخت آلیاژ، تنظیم دماهای تغییر حالت در محدوده قابل قبول برای استفاده در جراحی استخوان و تثبیت این دماها در محدوده مورد نیاز بود. برای دستیابی به این مقصود، لازم بود نقش متغیرهای قابل کنترل در طراحی و ساخت آلیاژ را تعیین و مورد بهرهبرداری قرار میدادیم. ترکیب شیمیایی آلیاژ، عناصر ناخالصی، عملیات پیرسازی و چرخه های حرارتی از جمله مهمترین این عوامل بودند که نحوه و میزان تأثیرشان بر خواص حرارتی و مکانیکی آلیاژ، مفصلا مورد تحقیق و بررسی قرار گرفت.
نتایج
گرچه آلیاژ قابل کاشت در بدن، مقادیر تقریباً مساوی نیکل و تیتانیوم دارد، اما به لحاظ حساسیت شدید خواص نسبت به ترکیب شیمیایی و وجود عناصر ناخالصی - حتی به میزان بسیار جزیی - امکان ساخت دو نمونه مجزا با خصوصیات کاملاً یکسان تقریباً وجود نداشت و هر آلیاژ ساخته شده دارای خصوصیات منحصر به خود بود. در عین حال به علت تساوی تقریبی دو جزء اصلی سازنده، آلیاژ ساخته شده از نوع هم اتمی [۹] بوده و حافظه شکلی را همراه شکل پذیری در دمای پائین دارا بود.
شکل ۱ منحنی مقاومت الکتریکی برحسب دما را در چهار حالت بدون پیر کردن، ۱ ساعت پیری در C ۳۰۰، ۱ ساعت پیری در C۴۵۰ و ۱۰ ساعت پیری در C ۴۵۰ نشان میدهد. دیده می شود که آلیاژ پیرنشده، تغییر حالت مارتنزیتی را در دمای پائین از سر میگذراند؛ درحالیکه پیر کردن، دمای تبدیل به مارتنزیت را به دمای محیط نزدیک کرده و تغییر حالت ۳ مرحله ای را حین سرد کردن سبب میشود؛ بطوریکه قبل از تولد مارتنزیت از فاز مادر – B2- فاز نیمه پایدار R بوجود خواهد آمد.
شکل ۱ - نمردار مقاومت الکتریکی برحسب دما در آلیاژ حافظه دار TINi
(الف) پس از آنکه بک ساعت در C ۱۰۰۰ تک فاز شده و آنگاه در آب سرد شده،
(ب) پس از مرحله النف، بک ساعت در C۳۰۰ پیر شده سپس در آب سریعاً سرد شده،
(ج) پس از مرحله الف، بک ساعت در C۴۵۰ پیر شده سپس در آب سریعاً سرد شده و
(د) پس از مرحله الف، ۱۰ ساعت در C۴۵۰ پیر شده سپس در آب سریعاً سرد شده است.
رفتار مکانیکی
نمودار تنش - کرنش یک نمونه تک فاز شده و یک نمونه پیر شده به مدت ۲ ساعت در C۴۵۰ در شکل ۲ نشان داده شده است. مشاهده می شود که پیر شدن باعث افزایش استحکام نمونه شده است. علت بروز این پدیده، تشکیل رسوبهایی همچون است که باعث رسوب سخت شدن آلیاژ شده اند [ ۱۰]. اما طول منطقه افقی که تشکیل شده در اثر اعمال تنش است[۱۱ ، در هر دو نمونه یکسان بوده و تحت تأثیر پر کردن قرار نگرفته است. تحقیقات محققین قبلی نشان داده است که در صورتیکه نمونه هایی با شرایط یکسان در دماهای مختلف مورد آزمایش قرارگیرند، تنش لازم برای تشکیل مارتنزیت با افزایش دما افزایش مییابد و رابطه بین دمای آزمایش و تنش لازم برای تشکیل مارتزیت یک رابطه خطی است که از معادله کلازیوس - کلاپیرون تبعیت می کند [۱۲ - ۱۴]. به عبارت دیکر هر چه اختلاف بین دمای آزمایش و Ms بیشتر شود، تنش مورد نیاز برای تشکیل مارتنزیت نیز افزونتر خواهد شد.
سازگاری نسجی
برای بررسی سازگاری نسجی، نمونه ای از آلیاژ ساخته شده به ابعاد 3mm3/ ۰ ×۴/ ۰ × ۲ از طریق برش با دستگاه اسپارک، سنگ زنی، سنباده زنی و پولیش تهیه شد و بصورت ایمپلنت در داخل ماهیچه پای موش صحرایی نر کاشته شد. نمونه دیگری از یک آلیاژ خارجی با همان ابعاد نیز تهیه و در پای دیگر همان موش کاشته شد. برای بررسی تأثیر شرایط آزمایش و محیط کار، در یک گروه مجزا، در یک طرف فقط ماهیچه برش داده شد و بخیه زده شد و طرف مقابل بعنوان شاهد (نسج نرمال) نگه داشته شد
نمونه های نسجی مجاور آلیاژ، نمونه کنترل و شاهد، پس از ۲۱ روز بریده و رنگ آمیزی شدند تا میزان التهاب در آنها مشخص شود. نتیجه پاتولوژی نشان داد که همه نمونه ها دارای مقداری التهاب و واکنش جسم خارجی هستند؛ اما از نظر میزان عروق خونی، تفاوتی بین گروه تست، کنترل و شاهد نیست. از نتایج بدست آمده چنین نتیج که سازگاری نسجی آلیاژ ساخته شده با سازگاری آلیاژ تجارتی برابر بوده و کلا در حد قابل قبول قرار داشت.
بحث
گلد اشتاین [۱۵] افزایش مقاومت الکتریکی را یکی از پدیدههای مرتبط با تغییر حالت میداند بطوریکه با تشکیل فاز R تنشهای موجود در فاز مادر افزایش یافته و در نتیجه مقاومت الکتریکی نمونه بالا میرود. زمانیکه مقدار این تنشها بیشتر از تنش برشی لازم برای تشکیل فاز مارتنزیت شود، مارتنزیت تشکیل شده و تنشها و مقاومت الکتریکی نمونه کاهش مییابند. در صورتیکه عملیات پر کردن تحت بارگذاری انجام شود، رسوبهای نیز تشکیل خواهند شد تبدیل این رسوبها به یکدیگر، دراینصورت، به قرار زیر خواهد بود[۱۹ - ۱۷}
آلیاژ اولیه فوق اشباع از نیکل است، در ترکیب زمینه در تعادل با است و ... تشکیل و پیدایش این رسوبها طی فرآیند پیر کردن موجب تغییر شکل منحنیهای مقاومت الکتریکی، دماهای تغییر حالت، خصوصیات مکانیکی و ... می شود.
بنابراین تغییر دمای استحاله آلیاژ پرنیکل در اثر پیری را می توان به تشکیل رسوبهای شبه پایدار و نیمه پایداری همچون نسبت داد که باعث پایداری فاز رمبوئدرال می شوند. البته با ادامه سرد کردن، فاز رمبوئدرال، مجدداً به مارتنزیت تغییر حالت میدهد. برعکس، به لحاظ عدم وجود رسوبهای بین فلزی پرنیکل در نمونه های با درصد اتمی یکسان، ساختار R بوجود نیامده و تغییر حالت در حین سرد کردن تک مرحله ای و بصورت خواهد بود. نکته دیگری که در منحنیهای مقاومت الکتریکی برحسب دما باید به آن توجه داشت اختلاف زیادی است که بین دامنه پیکهای تشکیل شده در مرحله سرد کردن با مرحله گرم کردن وجود دارد. بعنوان مثال در مرحله سرد کردن ممکن است مقاومت الکتریکی یک آلیاژ حتی تا ۱۵ % نیز افزایش یافته و یک پیک کاملا مشخص تولید نماید؛ در حالیکه در چرخه گرم کردن، ممکن است پیک حاصل از تغییر حالت معکوس حتی به سختی قابل تشخیص باشد [۱۵].
علت بروز چنین اختلافی ناتوانی آستنیت در آزادسازی تنشهای حاصل از تحولات فازی حین سردشدن است که باعث افزایش تدریجی مقاومت الکتریکی و ایجاد پیک می شود. درحالیکه در مرحله گرم کردن، کرنشهای ایجاد شده در اثر تحولات فازی، به علت دریافت پیوسته حرارت، توسط فرآیندهایی از قبیل آرایش مجدد صفحات مارتنزیت و دوقلویی، منجر به کوچک شدن پیکهای بوجود آمده در منحنیهای مقاومت الکتریکی می شود.
مطالعات قبلی در مورد زیست سازگاری و خوردگی آلیاژ نایتینول نتایج مشابهی را نشان داده است ||۴|| در این تحقیقات استوانه هایی از جنس نایتینول درون ماهیچه های اطراف مهره ها در موش کاشته شده و پس از ۳ تا ۱۲۰ روز، مطالعات بافت شناسی هیچگونه علائمی از خوردگی نایتینول را نشان نداده، درحالیکه بافت مردگی ضعیفی در امتداد سطح مشترک غشاء - فلز مشاهده گردیده است [۴]
