دانلود تحقیق آلیاژهای حافظه دار

بیومتریال‏ها

بیومتریال یک ماده مصنوعی است که برای جایگزین سازی یا تعویض بخش از بدن انسان یا موجود زنده یا به منظور کارکردن در تماس نزدیک با بافت زنده استفاده می شود. بیومتریال باید در بدن خنثی باشد.

بیومتریال ها برای التیام اعضاء و اصلاح کاربری و عمل آنها و همچنین اصلاح ناهنجاری‏ها یا وضعیت غیر طبیعی به کار می رود.

یک نوع تقسیم بندی مواد بر حسب جنس آنها می باشد که به گروههای فلزی، پلیمری، سرامیکی و مواد مرکب (Composites) دسته بندی می شود.

مواد فلزی از نظر اهمیتی که در صنعت دارد به دو گروه فلزات آهنی و آلیاژهای آن و فلزات غیر آهنی و آلیاژهای آن تقسیم می شود.

مواد فلزی عمدتاً هادی (رسانای) خوبی برای حرارت و الکتریسته هستند اغلب فلزات در درجه حرارت های معمولی محیط شکل پذیر بوده و درمقابل واکنش‏های شیمیایی پایداری بسیار بالایی ندارد. فلزات در شرایط معمولی دارای ساختار کریستالی اند.

فلزات به صورت خالص به ندرت به کار می روند واغلب از آلیاژهای آنها در صنعت استفاده می شود.(1)

بیومتریالهای فلزی در کاربردهای ارتوپدی

Metallic Biomaterials In Orthopaedic Application

اولین فلز به کاررفته دربدن انسان فولاد و انادیم دارشرمن بود که برای ساخت صفحه‏ها و پیچ‏های شکسته بندی استخوان به کار رفت. و سپس فولاد ضد زنگ L316 و آلیاژهای کبالت- کروم به کاررفتند زیرا مقاومت خوب خوردگی و عمر خستگی مناسب و همچنین سختی، سفتی و استحکام مورد قبول داشت. فلزات نباید دارای خاصیت سمی بودن و متاسیون زائی یا سرطان زایی در داخل بدن باشند.

آلیاژهای حافظه دار

Shape Memory Alloys

حافظه داری یعنی نگاه داشتن یکسری اطلاعات و بازگو کردن این اطلاعات در مواقع ضروری، که این اطلاعات همیشه محفوظ است و از بین نخواهد رفت.

منظور از حافظه داری فلز این است که فلز یک حالتی را حفظ می کند و این حالت را همیشه درخود نگهداری کرده و به همراه دارد و اگر در اثر نیرویی تغییر شکل یابد با دیدن حرارت، دوباره به حالت اولیه باز می گردد، که حرارت رکن اساسی است.

اثر حافظه داری در سال 1938 توسط آلدن گرنینجر و گ. موردیان در دانشگاه های هاروارد و MIT مشاهده شده و آنها ثابت کردند که با تغییر درجه حرارت، فاز مارتنزیتی در نمونه برنجی، شکل گرفته و یا ناپدید می شود.

فلزات آهن –پلاتین، آهن – نیکل، نیکل- آلومینیوم و فولاد ضد زنگ و نیکل – تیتانیم دارای این اثر هستند.

دانش هوانبردی، مکانیک، الکترونیک، مهندسی پزشکی و مهندسی بیولوژیکی از جمله علوم در ارتباط با این آلیاژها می باشند.

آلیاژهای حافظه دار به صورت یک طرفه Oneway و دو طرفه (Two Way) ساخته می شوند. در ارتوپدی از فلزات یک طرفه استفاده می شود زیرا برگشت پذیری احتیاج نیست. به عنوان مثال اگر آلیاژی با طول L0 موجود باشد و با کاهش درجه حرارت، طول آن به L رسانده شود. با افزایش درجه حرارت آلیاژ به شکل و اندازه اولیه خود (L0) می گردد. حال اگر با کاهش مجدد درجه حرارت، طول آن تغییر نکند، آن آلیاژ یک طرفه و اگر به مقدار L برگردد، آلیاژی دو طرفه خواهد بود.

تئوری اثر حافظه دارای Theory of the Shape Memory Effed

آلیاژ زیر دامنه دمای تبدیل (Transition Temperature Range)[TTR] خود سرد شده و به سمت شکل مارتنزیتی می رود و تغییر شکل می دهد. افزایش دما سبب می شود که ساختمان کریستالی به حالت اول خود یا همان ساختمان آستنیتی و تهایتاً به شکل اولیه خود برمی گردد. با بازیابی شکل اولیه، نیروی نسبتاً زیادی از خود خارج می کند که نیرو بزرگتر از نیروی ابتدایی مورد احتیاج برای پیوندآلیاژ است. (شکل 1-2). سرد کردن باید در زیر دمای تبدیل باشد زیرا در این ها پیوندها ضعیف می باشد. در دماهای پایین تر، ساختمان کریستالی به سمت ابر شبکه یا ساختمان مارتنزیتی با نظم کمتر مثل تتراگونال تغییر شکل می دهد. و در دمای بالاتر از TTR شبکه کریستالی BCC دیده می شود.

سیستم فازهای بین فلزی

ترکیبات بین فلزی یا واسط از ترکیب دو عنصر یا بیشتر تشکیل شده اند. اینها، ترکیباتی هستند با نسبت اجزاء شبکه کریستالی و خواص مربوط به خود، که با شبکه کریستالی و خواص هر یک از عناصر تشکیل دهنده خود تفاوت دارند.

ترکیبات بین فلزی می توانند دارای نسبت‏های کاملاً مشخص نباشد، بلکه در محدوده‏ای قرار گرفته باشد مانند نیکل – تیتانیم (شکل 3-23)

ترکیبات بین فلزی غالباً سخت و ترد بوده، اما دارای نقطه ذوب بالا و مقاومت خوراکی و خزشی خوبی هستند.

آلیاژ نیکل – تیتانیم (نایتنیول)

این آلیاژ در سال 1963 توسط ویلیام بوهلر در آزمایشگاه مهمات سازی نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا مشاهده شد.

این آلیاژ، علاوه بر حافظه داری حرارتی داری سوپر الاستیسیته و خواص میرایی بالایی می باشد. نایتنیون می تواند به تعدادی به مراتب بیشتر از آلیاژهای فلزی معمولی کرنش داده شود بدون آنکه در آن تغییر شکل پلاستیکی رخ دهد، و تغییر شکلی برابر با کرنش 8% می تواند کاملاً باز یافته شود به عبارت دیگر حداکثر بازیافت 8% می باشد.

آلیاژ نایتینول –55 دارای 55% وزنی نیکل می باشد. و تک فاز بوده و حافظه مکانیکی همراه با میرائی صورت، تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی، خواص خستگی جذب و شکل پذیری در دمای پایین را دارد.

آلیاژ نیکل – تیتانیم استفاده شده در دندانپزشکی دارای تقریباً 54% نیکل 44% تیتانیم و معمولاً 2% کبالت می باشد.

بست‏های حافظه دار Shape Memory Alloy Staples

بست ها برای بی حرکت نگاه داشتن شکستگی ها و جا اندازی استخوان به کار می رود. بدست آوردن فشار جا اندازی استخوان مشکل است و نیاز است که فشار مورد نیاز برای اتصال قطعات شکسته شده استخوان تامین شود و شیار شکستگی  از بین رود، بنابراین اینگونه بست ها به بست فشاری معروف هستند. شیارهای بزرگ یا کوچک باقی مانده باعث بد جوش خوردن دو استخوان و تمرکز تنش در آنها می شود و به طبع آن، شکستگی های بعدی صورت می گیرد. که این مشکل با بست ها حل می شود.

در شکستگی های استخوان های کوچک مثل کشکک پا، قوزک داخلی و جانبی استخوانهای مچ پا و دست از بست ‏ها استفاده می شود.

برای نزدیک کردن انتهای دو استخوان از صفحه شکاف دار استخوان و صفحه فشره اتصال درونی استفاده می کنند  که تاثیرات نامطلوبی مثل پوکی استخوان و شکستگی صفحه‏ای استخوان دارد. ولی بست های حافظه دار نایتینول، بدون داشتن معایب فوق، واکنش کمی با بافت تولیدمی کند.

مشخصات فنی

آلیاژ حافظه دار نایتنول از 1980 در ساخت بست ها مورد استفاده قرار گرفت. در ترمیم شکستگی های استخوانهای قوزک پا و مچ دست، دست‏ها دارای قطری برابر با 5/1 میلیمتر با بدنه موج دار و دو بازوی به هم رسیده با زاویه 60درجه نسبت به انتهای بدنه می باشد.

بدنه موج دار می تواند در دامنه حرارتی C5-0 صاف شود. بازوهای بست وارد بافت استخوان شده و توسط درجه حرارت بدن ولایه‏های داغ نمکی، موج دار شده و در نتیجه، نیرویی فشاری به انتهای دو استخوان وارد می کنند.

بست های انواع مختلفی دارند که سطوح مقاطع این بست ها، با توجه به محل و نوع شکستگی اختیاری می باشد. می توان بست ها را به بست سیمی، بست خاردار، بست لچکی، بست زانویی و بست میزی تقسیم بندی کرد.