آلیاژهای حافظه دار و کاربرد آن در پزشکی

مقدمه
آلیاژهای حافظه دار دارای رفتار ویژه ایی هستند به این صورت که بعد از این که تغییر شکل معینی به آنها داده شد، تحت تأثیر فرآیند ترمومکانیکی خاصی به شکل اصلی خود باز میگردند. این اثر بر اساس استحاله فازی برگشت پذیر از فاز اولیه (α) به فاز مارتنزیت (β) در دماهای مختلف است. اولین گزارشها از اثر حافظه داری مربوط به دهه ۱۹۳۰ است. در سال ۱۹۶۰، اثر حافظه داری آلیاژ تیتانیوم- نیکل به وسیله بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده مشاهده شد و از آن زمان آلیاژهای تیتانیوم- نیکل معمولاً با نام نایتینول شناخته میشوند. ارتباط بین اثر حافظه داری و استحاله مارتنزیتی هم در همین دهه شناخته و تبیین شد. از آن زمان تاکنون، اثر حافظه داری در بسیاری از سیستم های آلیاژی و نیز سرامیک ها و پلیمرها دیده شده است که البته مکانیزم های استحاله در آنها متفاوت است.

نیکل- تیتانیوم (Ni-Ti)
آلیاژهای مبتنی بر NiTi اثر حافظه داری و شبه لاستیکی، با قابلیت کارشدگی خوب در فاز مارتنزیت و مقاومت خوب در برابر خستگی و خوردگی دارند.
یکی از عناصری که بسیار در پزشکی استفاده میشود، “نایتینول” است. نایتینول، آلیاژی است که از 50% نیکل و 50% تیتانیوم تشکیل شده است. نایتینول یک آلیاژ حافظه دار شکلی (Shape Memory Alloy SMA) است که کاربردهای فراوانی را در زمینه پزشکی از جمله نورولوژی، ارتوپدی، مداخلات رادیولوژی و قلب و عروق پیدا کرده است. اثر حافظه داری شکلی، خستگی و مقاومت در برابر خراش، خواص رطوبتی خوب و سوپرالاستیسیته باعث افزایش کاربرد در جراحی میشود.
نایتینول بسیار زیست سازگار است و خواص دیگری نیز دارد که آن را برای ایمپلنت های ارتوپدی مناسب میکند.
زیست سازگاری، توانایی یک ماده برای حفظ بیولوژیکی بیضرر در طول دوره عملکردی آن در داخل بدن یک موجود زنده است که این یک فاکتور حیاتی برای استفاده از وسایل SMA در داخل بدن انسان است. یک ماده زیست سازگار در داخل بدن میزبان واکنشهای آلرژیک ایجاد نمیکند و همچنین یونها را در داخل جریان خونی آزاد نمیکند. دوره زمانی که بیومتریال داخل بدن میزبان باقی میماند، برای استفاده از آنها جنبه مهمی به شمار میرود. تحقیقات نشان میدهد زیست سازگاری آن از فولادهای زنگ نزن و Ti-6Al-4V بیشتر است.
واکنش اکسیداسیون تیتانیوم یک لایه بیخطر TiO2 تولید میکند که نمونه را احاطه کرده است.
این لایه مسئول مقاومت بالا در برابر خوردگی آلیاژهای تیتانیوم است. این لایه برای بدن انسان بیضرر است. خواص منحصر به فردش باعث تقاضای زیاد آن در وسایل تهاجمی پزشکی شده است. از تیوب های نایتینول معمولاً در کاتترها، استنت ها و سوزنهای سوپر الاستیکی استفاده میشود. Ni-Ti یک آلیاژ غیرمغناطیسی است، لذا عکس برداری MRI را ممکن میکند.
نایتینول یک تصویر واضح، با آرتیفکت های کمتر از فولاد زنگ نزن در تصویربرداری مغناطیسی ایجاد میکند. مدول الاستیک Ni-Ti بسیار پایین و نزدیک به استخوان طبیعی است. آلیاژ Ni-Ti با ترکیبی از استحکام بالا و مدول پایین، به ساختار استخوان نزدیک است و به عنوان ایمپلنت در بدن بسیار مناسب است. ویژگی مهم نایتینول سوپرالاستیک این است که انعطاف پذیری آن 10-20 بار بیشتر از فولاد زنگ نزن است. همانطور که در شکل نشان داده شده است، رفتار تنش-کرنش نایتینول شباهت نزدیک به استخوان و تاندون دارد که به منظور منجرشدن به زمان بهبودی سریع و کم شدن آسیب به بافت های اطراف استفاده میشود.

شکل ۱

کاربردهای پزشکی
SMAها در بسیاری از تجهیزات و دستگاههای پزشکی در زمینه های ارتوپدی، مغز و اعصاب، قلب و عروق و رادیولوژی و بسیاری از وسایل پزشکی شامل وسایل دندانی (Endodontics)، استنت ها، انبرکهای پزشکی، سیم های بخیه زنی، لنگر (Anchor) برای اتصال تاندون به استخوان، ایمپلنت ها، درمانهای آنوریسم (برآمدگی رگ)، قاب عینک، سیم راهنما استفاده میشوند.
پس از کشف اثر حافظه داری شکلی در نیتینول توسط بوهلر، آنها پیشنهاد کردند که از این ماده به عنوان کاشتنی در دندانپزشکی استفاده شود.
چند سال بعد در سال 1971 اولین بریس های سوپر الاستیک ساخته شده از آلیاژ NiTi توسط آندرسن معرفی شد.SMA بعد از آن در جراحی حداقل تهاجمی در زمینه پزشکی پیشرفت قابل ملاحظه ای به وجود آورد. امروزه جراحی های برپایه کاتتر به دلیل حداقل تهاجمی بودن بسیار محبوب شده هستند و ترومای عملیاتی را به حداقل میرسانند. سیم راهنمای نایتینول استفاده گسترده ایی در آنژیوگرافی دارد. بیشتر سیم راهنماها از هسته فولاد زنگ نزن، با سر هسته انعطاف پذیر برای جلوگیری از آسیب به دیواره رگ های خونی ساخته شده اند.

شکل۲ -سیم راهنمای کاتتر

کاربرد دیگر آلیاژهای حافظه دار، استنت است. استنت ها، توریهای فنری کوچکی هستند که مانند یک ستون در رگ ها کار گذاشته میشوند تا مانع برگشت دیواره رگ و انسداد مجدد آن شوند و بدین ترتیب احتمال تنگی مجدد در آینده کمتر میشود. اولین استنت SMA توسط گروه Dotter در سال 1983 ساخته شده بود و از آن پس به طور قابل ملاحظه ای تکامل یافته و در بازار جهانی رشد کرده است. اکثر استنت ها به روش برش لیزری لوله ای ساخته میشوند. در سال 2000، استنت های رها کننده دارو توسعه یافتند. استنت های کرونری با قابلیت رهایش دارو شامل درمانی ترکیبی است. به این صورت که از یک استنت فلزی به همراه دارو تراپی پیشرفته استفاده میشود. این استنت ها با نام «استنت های رهاکننده دارو» شناخته میشوند.

شکل۳- استنت ساخته شده از نیکل-تیتانیوم

شکل۴ استنت-گرفت داخل عروقی

یک کاربرد موفق دیگر از آلیاژهای نیکل-تیتانیوم، استفاده از آنها در استنت های گرفت (Stent-Graft) برای درمان آنوریسم آئورت شکمی است. آنوریسم اتساع دائمی بخشی از رگ شریانی به دلیل تغییرات دیواره عروق است. عملکرد مطلوب استنت گرفت به دلیل خاصیت سوپر الاستیک آلیاژ نیکل- تیتانیوم است که با توجه به آن پروتزهای متعددی ساخته شده و در حال حاضر در بازار موجود است. یکی دیگر از کاربردهای جالب آلیاژهای حافظه دار شکلی، طراحی و ساخت میوکارد مصنوعی است که توسط Shirashi و همکاران ارائه شد که از فیبرهای بسیار نازک SMA که به صورت موازی به دستگاه کمک کننده میوکارد وصل شده اند، تشکیل شده است. محققان نتیجه گرفتند که سیستم آنها میتواند در بیماران مبتلا به سکته مغزی شدید و همچنین نیازمند ماساژ قلبی مداوم، برای بهبود فیبریلاسیون بطنی استفاده شود. اخیراً محققان دستگاه پشتیبانی گردش خون مصنوعی دیگری با استفاده از فیبرهای SMA توسعه داده اند که در بیماران مبتلا به بیماری قلبی مادرزادی به گردش خون ریوی کمک کند. یکی از وسایل استفاده شده، برای جلوگیری از انسداد جریان خون سیاهرگی، فیلتر سیمون است. افرادی که قادر به استفاده از داروهای ضد انعقاد خون نیستند، استفاده کننده های اصلی این فیلترند. هدف استفاده از این وسیله، تصفیه خون داخل رگ است. فیلتر سیمون کمک میکند لخته های موجود در خون حل شوند.

شکل۵ فیلتر سیمون

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (Magnetic Resonance Imaging (MRI یک روش تشخیصی است که تصاویری باکیفیت از مقطع عرضی بدن ارائه میدهد. نایتینول نسبت به فولاد زنگ نزن نسبت به رزونانس مغناطیسی، حساسیت کمتری دارد و بنابراین تصاویر واضحتری از فولاد زنگ نزن فراهم میکند. MRI یک روش معمول و سازگار استفاده از نایتینول است که به طور بالقوه یک عامل مهم در اثرگذاری استنت ها و سایر روش های مداخلهای است. SMA ها کاربردهای ارتوپدی بسیار زیادی دارند. یکی از این کاربردها در فاصله گذار ستون فقرات مهرهایی (Spinal Vertebra Spacer) است. جای گذاری این فاصله گذار بین دو مهره، نیرورسانی موضعی ستون فقرات را تضمین میکند و از هر ترومای حرکتی در طول فرآیند درمان جلوگیری میکند.
از این وسیله برای درمان اسکولیوزیس استفاده میشود.

شکل ۶ فاصله گذار ستون فقرات

کاربرد دیگر ارتوپدی که به فرآیند درمان شکستگی استخوان مرتبط است، استاپلر یا منگنه است. منگنه های ارتوپدی با اثر حافظه داری شکلی، روند درمان شکستگی استخوان را تسریع میکنند.
SMA ها همچنین در دندانپزشکی هم کاربرد دارند.
اولین بار دکتر آندرسن اولین کاشتنی وسایل ارتودنسی را با بهره گیری از خاصیت شبه الاستیسیته آلیاژها ساخت. سیم های نایتینول، سالها به طور موفقیت آمیزی برای فیکس کردن ارتودنسی و براکت ها به کار برده شد. خاصیت شبه الاستیسیته برای تولید نیروی ثابت، بعد از قرار دادن سیم در براکت برای حرکات گسترده دندانی استفاده میشود

شکل ۷ سیم های ارتودنسی

یکی از کاربردهایی که اخیراً بسیار در حال رشد است، استقاده از خاصیت خستگی تنش کنترل شده خوب نایتینول در مته (دریل) دندانی برای فرآیند کانال های ریشه ای است. در گذشته مته های معمولی از بین اعصاب دندان میگذشتند که منجر به کرنش های خمشی بزرگ و اغلب شکست در دندان میشد. مزیت این مته های نایتینول این است که می تواند در کرنش های بزرگ خم شوند و با چرخش های سیکلی بالا سازگار شوند.
این آلیاژها همچنین در ایمپلنت های دندانی هم استفاده میشوند. یک ایمپلنت به عنوان ریشه دندان مصنوعی، بعد از کاربرد، تغییر شکل داده و پس از رسیدن به دمای بدن میتواند به شکل خواسته شده برسد و در مندیبل (فک پایین) سفت شود. مزایای ایمپلنت های حافظه دار شکلی این است که فیکس شدن اولیه خوبی در استخوان فک دارند و به راحتی در طی یک عمل جراحی ساده جای گذاری میشوند. همچنین توزیع تنش خوبی در محیط استخوان های اطراف در مقایسه با بقیه ایمپلنت ها دارند.

شکل ۸ ایمپلنت دندانی

از خاصیت سوپرالاستیسیتی این آلیاژها در فریم های عینک هم استفاده میشود. این فریم ها در حال حاضر در دسترس هستند و در آمریکا و اروپا بسیار محبوب هستند. این فریم ها میتوانند بدون هیچگونه تغییر شکل دایمی تا ۱۸۰ درجه، پیچیده شوند.

شکل۹ فریم سوپرالاستیک