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形狀記憶合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

發(fā)布人:上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn 更新時(shí)間:2015-06-23
Ti-Ni\Ti-Nb\Ti-Ni-X(Fe、Cu、Au、Pt、Pd); Au-Cd\Au-Cu-Zn; Cu-Zn\Cu-Zn-Al\Cu-Zn-Sn\Cu-Zn-Ni\Cu-Zn-Si\Cu-Zn-Ga\Cu-Al-Ni\Cu-Al-Mn\Cu-Al-Si; Ag-Cd\Ag-Zn\Ag-Zn-Cd; Ni-Al\Ni-Al-Co\Ni-Al-Ti; Co-Ni; Fe-Ni\Fe-Ni-Co-Ti\Fe-Mn\Fe-Mn-C\Fe-Mn-Si\Fe-Mn-Si-Ni(Cr)\304不銹鋼和Fe-Pt
形狀記憶合金具有獨(dú)特而優(yōu)異的功能特性,比如超彈性、記憶性和阻尼性能,同時(shí)還具有優(yōu)異的生物相容性、耐腐蝕性、耐磨性和綜合力學(xué)性能。因此,形狀記憶合金制品在航空、航天、艦船和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景。形狀記憶合金所具有的3大功能特性來(lái)源于其內(nèi)部特殊的相變機(jī)制,即低溫馬氏體相和高溫母相(奧氏體相)之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程,而這種由熱激發(fā)或應(yīng)力激發(fā)的具有逆轉(zhuǎn)變特性的相轉(zhuǎn)變過(guò)程賦予了形狀記憶合金“智能材料”稱號(hào)。同時(shí),由形狀記憶合金材料開發(fā)和加工成的功能元件和結(jié)構(gòu),被稱為智能產(chǎn)品或智能機(jī)構(gòu),并被廣泛用于航空航天飛行器和艦船航行器的智能驅(qū)動(dòng)和智能解鎖、智能建筑、智能家居和醫(yī)療等領(lǐng)域。

形狀記憶合金的發(fā)展歷史

1932年,瑞典人?lander首先發(fā)現(xiàn)了金鎘(Au-Cd)合金中的一種固態(tài)相變過(guò)程,該合金在低溫狀態(tài)時(shí)經(jīng)過(guò)塑性變形改變了形狀,在遇熱時(shí)又恢復(fù)了其原始形狀,稱其為形狀記憶。隨后,在銅鋅(Cu-Zn)合金、Cu-錫(Sn)合金和Cu-鋁(Al)-鎳(Ni)合金中也觀察到了形狀記憶效應(yīng)。1959年Willian Buehler發(fā)現(xiàn)了Ni-鈦(Ti)合金,在和Frederick Wang深入研究和揭示其形狀記憶機(jī)制后將其發(fā)展成為一種極具商業(yè)化應(yīng)用潛力的形狀記憶合金。Ni-Ti形狀記憶合金的加工性、加工成本和機(jī)械力學(xué)性能都顯著優(yōu)于銅基記憶合金。1969年在航空領(lǐng)域Ni-Ti形狀記憶合金首先成功應(yīng)用于美國(guó)F14噴氣式戰(zhàn)機(jī)的受油管接頭。1971年George B. Andreasen將Ni-Ti合金用于醫(yī)療器械領(lǐng)域用作口腔正畸絲材。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,形狀記憶合金的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大,在醫(yī)療、航天、航空和汽車行業(yè)開發(fā)應(yīng)用的形狀記憶合金專利和產(chǎn)品顯著增加,形狀記憶合金相關(guān)制品的市場(chǎng)規(guī)模也在逐年擴(kuò)大。

形狀記憶合金的定義及分類

形狀記憶合金是一種特殊的功能材料,這種金屬在低溫馬氏體相發(fā)生塑性變形后,經(jīng)過(guò)相變溫度范圍加熱時(shí),馬氏體晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熱彈性改變,回復(fù)到初始形狀。這種溫度或應(yīng)變可逆的無(wú)擴(kuò)散型相變使形狀記憶合金具有3種形狀記憶效應(yīng),即單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)和偽彈性或超彈性。利用這3種形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生較大的回復(fù)位移和回復(fù)應(yīng)力,形狀記憶合金被制成了各種航天驅(qū)動(dòng)器、分離裝置和記憶環(huán)及管接頭等制品。

由于形狀記憶合金的記憶效應(yīng)和超彈性是基于溫度變化或應(yīng)變(力)變化誘發(fā)相變引起的,并能產(chǎn)生回復(fù)位移和回復(fù)應(yīng)力,因此,形狀記憶合金也被用作溫度傳感和應(yīng)變(應(yīng)力)傳感元件或執(zhí)行元件,從而實(shí)現(xiàn)功能控制,因此被看作是一種智能材料。結(jié)合各個(gè)行業(yè)科技技術(shù)專家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì),形狀記憶合金的記憶效應(yīng)、超彈性和阻尼性能被充分發(fā)揮,形狀記憶合金制品被廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船和醫(yī)療等領(lǐng)域。

盡管鐵基形狀記憶合金和銅基形狀記憶合金具有成本低的商業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢(shì),但其性能不穩(wěn)定,熱機(jī)械性能差,韌性低。如Fe-Mn-Si、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni形狀記憶合金。目前來(lái)看,各種形狀記憶合金商業(yè)化應(yīng)用都面臨著一系列的挑戰(zhàn),如過(guò)熱、過(guò)載、循環(huán)使用(重復(fù))性能衰減、應(yīng)變量小、回復(fù)力小、回復(fù)周期長(zhǎng)、熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、使用溫度范圍窄和精確化控制(不穩(wěn)定應(yīng)變、熱效率和電阻變化)等問(wèn)題。

形狀記憶合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

Ni-Ti形狀記憶合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、生物相容性、無(wú)磁性、低的彈性模量和良好的綜合力學(xué)性能,非常適合于人體硬組織和骨的修復(fù)及替代。自從1971年Andreasen首次將Ni-Ti合金用作超彈正畸器材以來(lái),Ni-Ti形狀記憶合金就以其獨(dú)特的超彈性能和記憶性能展示出了其在醫(yī)療器械領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)食品藥品管理局(FDA)在1989年批準(zhǔn)了Mitek醫(yī)療器械公司的Ni-Ti合金骨科矯形接骨釘。中國(guó)在1982年首次研制出超彈Ni-Ti正畸弓絲。

各類醫(yī)療器械產(chǎn)品也經(jīng)歷了持續(xù)和跨越式發(fā)展。如1983年Dotter's小組首次制作出了形狀記憶合金支架,經(jīng)過(guò)不斷地技術(shù)改進(jìn)和革新,目前已經(jīng)由最初的絲材繞制演變成復(fù)雜的激光切割加工管材制作。在全球市場(chǎng)上幾乎一半的各式支架都是由形狀記憶合金加工而成,到2010年其產(chǎn)值達(dá)到63億美元。1971年George B. Andreasen首先制作加工Ni-Ti合金口腔正畸絲材。目前,利用Ni-Ti形狀記憶合金的超彈性和記憶性制作的各類正畸器材和系統(tǒng),應(yīng)用種類繁多,功能各異,滿足了患者正畸和美容方面的需求。中國(guó)在1988年研制開發(fā)了Ni-Ti方絲弓、搖椅弓、拉推簧系統(tǒng)。2009年研制出了普通記憶Ni-Ti正畸弓絲。2012年,有研億金研制了一種將形狀記憶合金超彈性、記憶性和低阻滯特性結(jié)合在一起的超記憶牙弓絲和推拉簧,是一種具有震蕩吸收功能的新型正畸牙弓絲。該合金很好地滿足了市場(chǎng)對(duì)牙弓絲矯正速度快、簡(jiǎn)單易行和無(wú)痛矯正的需求。

目前,Ni-Ti形狀記憶合金已被廣泛用于醫(yī)療器械領(lǐng)域,包括牙科、胸外科、肝膽科、泌尿外科、婦科、心血管科、腦血管科和骨科矯形外科等。加工成各類醫(yī)療制品,如口腔正畸器材、血管(非血管)支架、手術(shù)縫合線、接骨釘、根管銼和導(dǎo)絲等。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,我國(guó)也發(fā)展起來(lái)了一批具有一定市場(chǎng)規(guī)模的Ni-Ti形狀記憶合金醫(yī)療制品,包括口腔正畸器材、血管支架、非血管支架、手術(shù)縫合線、脊柱矯形棒、接骨板和接骨釘、節(jié)育器、根管銼和導(dǎo)絲等。

我國(guó)形狀記憶合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)

目前我國(guó)生產(chǎn)形狀記憶合金相關(guān)產(chǎn)品的醫(yī)療器械企業(yè)具有一定的規(guī)模,但總體實(shí)力和規(guī)模與外資企業(yè)存在較大的差距。如有研億金新材料有限公司主要醫(yī)療產(chǎn)品為Ni-Ti形狀記憶合金,包括醫(yī)用血管支架和非血管支架、口腔正畸器材、縫合線和漏斗胸矯形器等,大部分產(chǎn)品為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。蘭州西脈記憶合金股份有限公司是國(guó)內(nèi)重要的形狀記憶合金生產(chǎn)基地,Ni-Ti形狀記憶合金人體骨骼內(nèi)固定器械已經(jīng)形成系列化和規(guī)模化。上海形狀記憶合金材料有限公司是專業(yè)從事心血管缺損和畸形封堵器產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)的形狀記憶合金產(chǎn)品仍然面臨著新品開發(fā)和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面的壓力。

目前,我國(guó)各種金屬裸支架包括Ni-Ti形狀記憶合金支架在介入醫(yī)療中占據(jù)絕對(duì)份額,面臨著介入支架更新?lián)Q代的挑戰(zhàn)。由于在治療過(guò)程中易形成管腔再狹窄等并發(fā)癥,因此各種覆膜支架和可降解生物材料支架,已經(jīng)被研制開發(fā)或上市應(yīng)用,尤其是國(guó)外醫(yī)療行業(yè)巨頭開發(fā)的覆膜支架及其放松系統(tǒng)。這在一定程度上推動(dòng)我國(guó)相關(guān)形狀記憶合金支架加速產(chǎn)品升級(jí)換代,淘汰落后產(chǎn)品,抓緊開發(fā)新一代的覆膜支架及其放松系統(tǒng),擴(kuò)展各種金屬支架包括形狀記憶合金支架的產(chǎn)品功能。

新的醫(yī)療體制改革的政策環(huán)境下,國(guó)家部委在資金投入方面加大了對(duì)高端醫(yī)療器械研發(fā)投入。在醫(yī)療器械的采購(gòu)方面,優(yōu)先采購(gòu)國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械。在市場(chǎng)需求方面,受益于新醫(yī)改政策我國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)的剛性需求將得以釋放。這些方面將提升我國(guó)中低端國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展前景。隨著我國(guó)人口老齡化加劇和人民生活及收入水平的提高,外資醫(yī)療器械企業(yè)迅速引入和占據(jù)高端醫(yī)療器械市場(chǎng),這將促進(jìn)我國(guó)醫(yī)療器械企業(yè)加大資金和技術(shù)投入,加快進(jìn)口替代和自助研發(fā)高端產(chǎn)品,迅速壯大我國(guó)的高端醫(yī)療器械市場(chǎng)。隨著我國(guó)植入人體支架等金屬生物材料醫(yī)療器械的生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)量的迅速增加,具有獨(dú)特而優(yōu)異綜合物理性能和使用性能的Ni-Ti形狀記憶合金醫(yī)療制品,尤其是高端血管支架及其放送系統(tǒng)具有更廣闊的市場(chǎng)前景。面對(duì)政策和市場(chǎng)的機(jī)遇,我國(guó)形狀記憶合金醫(yī)療制品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加快產(chǎn)品創(chuàng)新力度,加大資金人才支持力度,加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度,加快新產(chǎn)品注冊(cè)進(jìn)程,豐富產(chǎn)品系列,滿足迅速增長(zhǎng)的醫(yī)療市場(chǎng)需求。
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