[发明专利]快速凝固制备人工括约肌用双向记忆镍钛合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双向记忆镍钛合金材料，特别是涉及一种快速凝固制备窄温区响应人工括约肌用双向记忆镍钛合金的方法，属于生物医学应用领域形状记忆材料。 

背景技术

形状记忆合金自被发现已有半个世纪之久；迄今为止，具有形状记忆效应的合金达50种之多，但是真正具有使用价值并获得实际工程应用的主要有NiTi基和Cu基、Fe基合金。NiTi形状记忆合金具有优异的形状记忆效应和超弹性行为，以及良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性，因而它是所有形状记忆合金中应用最广泛的一种记忆金属。Cu基形状记忆合金相对于NiTi基合金价格较低廉，而且其导电、导热性能也要优于NiTi基合金，其中Cu-Zn-Al，Cu-Al-Ni合金已表现出良好的应用前景。Fe-Mn-Si合金价格低廉，因形状记忆效应小，适用于做管接头。在某些应用上，Cu基、Fe基合金可以替代NiTi合金，但是在人体应用方面，却没有哪类形状记忆合金能替代NiTi合金。这主要是由于NiTi合金的生物相容性是其它形状记忆合金所不具备的，它可以安全地植入人体。 

NiTi合金在生物医学领域的应用已有相当多的例子，据现有报道，其应用包括NiTi合金内支架、微创医疗器械、矫形外科和脑外科和口腔医学领域等。NiTi合金的医学应用在美国、日本和欧洲已形成一批有相当规模的高科技产业，每年的产值达40亿美元。也有的学者将NiTi合金用做人工器官核心材料，本发明即涉及NiTi替代人体器官的一个应用实例——人工肛门括约肌，以期治疗患者肛门功能失禁问题。 

肛门失禁是肛门括约肌先天性功能不全或坏死而引起的节制排便缺陷性疾病，它虽然不会直接威胁生命，但是给患者带来诸多不便和困扰，对身体和精神造成双重痛苦。为治疗肛门失禁，普遍使用的方法是括约肌成形术和结肠造口，但是会出现“漏粪”现象和移植肌疲劳。因此，实施外科手术的方法并不能起到很好的治疗效果，人们就想到在人体植入人工括约肌的方法。Christiansen J等发明了一种人工括约肌（AMS800）使许多患者受益，但是其结构复杂并且使用寿命较短。Amae S等曾提出利用形状记忆合金的双向形状记忆效应设计人工括约肌；其原理是由两片具有双向记忆效应的合金片两端铰接构成功能框架， 将直肠夹住，形成类似“三明治”结构。镍钛合金的双向记忆效应指的是镍钛合金能分别“记住”高温与低温时的形状，在升温和降温过程中可在两形状间发生可逆变化。根据形状记忆合金的特性，当患者无排便意识时，两合金片处于近乎平直状态，从而起到关闭直肠的作用；当患者开始排便时，两合金片由于外部加热元件的加热作用而迅速弯曲形成圆弧状，形成具有一定宽度的内腔，供肠道活动并进行排便；当排便结束，待两合金片自然降至体温，合金片亦恢复到原来的平直状态，使直肠闭合。 

现有的制备双程形状记忆镍钛合金的技术流程通常为：原料→熔炼合金锭→铸造→锻造→反复冷轧/热轧→退火→形状记忆处理。这些方法往往需要对材料进行大应变量的塑性变形并引入高密度的位错，而且晶粒的大小、形状和分布等呈较明显的方向性（例如晶粒沿轧制方向被拉长而沿轧制法线方向被压扁）从而导致性能上的各向异性；尤其是通过位错机制主导方法所训练获得的双程形状记忆效应主要是由马氏体相变及其逆相变产生的，发生正逆马氏体相变的温度较低（通常在零度以下），而且其伴随的双程形状记忆行为的相变滞后区间较大（50～60℃），双程形状记忆效应亦容易衰退。本发明采用快速凝固技术首先在镍钛母材中获得细小且均匀分布的晶粒，具有这种特征的晶粒在约束时效过程中有利于Ni₄Ti₃沉淀相的大量析出，并诱发相变温度滞后区间较小（5～10℃）的R相变及其逆相变产生；在合适的时效约束工艺处理下，R相变的相变温度可被调节并被稳定控制在人体体温附近与人体所能耐受的温度范围内，非常适合作为植入人体的生物医学智能金属材料，尤其适合用于制备本发明所提出的窄温区响应人工括约肌核心材料。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速凝固制备窄温区响应人工括约肌用镍钛合金的方法，为人工括约肌的应用做材料准备。 

人工括约肌用双向记忆NiTi合金应满足以下要求： 

（1）NiTi合金相变温度滞后要小，具有足够高的稳定性和持久可靠性。 

（2）相变温度区间尽可能小，形状变化快。相变温度区间小可以缩短热积累过程，减少加热时间，并能发挥快速“开-关”功能。