行研|百亿美元的隐形市场——医疗器械中使用的形状记忆合金大揭秘

原创：谷雨思宇医械观察 2019-04-18

牙齿矫正是现在十分常见的正畸治疗之一，而你知道看似普通的牙齿矫正丝是什么材料制成的吗？它不是简单的不锈钢等金属材料，而是大名鼎鼎的形状记忆合金。

提到金属，想必大家都不陌生，生活中处处都有金属材料的影子。可你有听说过具有“记忆”效应的金属材料——形状记忆合金吗？在人们的印象中，只有生物体才具有记忆的能力，而冷冰冰的金属也会有“记忆”吗？是的，形状记忆合金就是这样一类具有“记忆”效应的智能金属材料。

形状记忆合金丝材记忆效应图（来源：网络）

一、形状记忆合金简介

（一）形状记忆合金的发现和发展

1932年，美国学者奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应；1951年首次发现Cu-Zn和Cu-Sn合金具有形状记忆效应；1963年，美国海军军械研究所Buehler首先发现Ni-Ti形状记忆合金，引起人们的广泛关注；1969年Raychem首次将形状记忆合金应用于工业，制作出在温度变化下一直紧密连接的管道接头；1970年“阿波罗”11号登月舱的天线由形状记忆合金材料制成。

1970年至今，形状记忆合金迅速发展，在Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb等多种合金系中发现了形状记忆效应。广泛应用于医疗器械、航空航天等领域。

形状记忆合金制成的航天器天线示意图

（图片来源：网络）

（二）形状记忆合金原理

形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部产生的热弹性马氏体相变。热弹性马氏体相变产生的低温相（马氏体）在加热时向高温相（奥氏体）进行可逆转变的结果。

形状记忆合金热弹性马氏体相变示意图

（图片来源：smartlab）

（三）形状记忆合金两大独特性质

1.当合金在低于相变温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。而形状记忆效应又可细分为单程记忆效应、双程记忆效应以及全程记忆效应。

单、双程形状记忆效应示意图

（图片来源：wikipedia）

2.当合金在高于相变温度下，受到一有限度的塑性变形后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为伪弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或超弹性（Super Elasticity）。

形状记忆合金所拥有的这两种独特性质是在普通金属或其它合金材料上无法实现的。

在了解了形状记忆合金的原理之后，让我们一起看看这么神奇的材料，究竟在医疗器械领域可以发挥哪些无可替代的妙用呢？

二、形状记忆合金在医疗器械中的应用

（一）牙齿矫正丝

通常牙齿矫形用不锈钢丝 Co-Cr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。

如果用Ti-Ni形状记忆合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变(stress-induced martensite)使弹性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。

牙齿矫正丝示意图（图片来源：网络）

（二）形状记忆合金接骨板

形状记忆环抱接骨板采用接骨板螺钉固定和环抱臂加压固定组合成一体，实现了螺钉、环抱复合固充分发挥了二种内固定的优点，使用形状记忆环抱接骨板，操作简便，抗弯、抗扭、持续加压，解剖复位好，固定可靠，特别对粉碎性骨折提供了全新的内固定方法。

形状记忆合金接骨板图例（图片来源：网络）

（三）形状记忆合金血管支架

Ni-Ti形状记忆合金支架无需球囊扩张，它随体温自行扩张，变形均匀，具有恒定柔和的径向回复力，大大减少血栓形成的机会。且Ni-Ti支架的疲劳寿命长，比不锈钢支架高近67％。此外该支架在人体的体液环境内具有的良好的生物相容性，在人的体液环境内，表现出非常低的金属腐蚀率。

形状记忆合金制作的血管支架

（图片来源: Lakeview Center）

（四）形状记忆合金食道支架

钛镍记忆合金自膨式支架具有优良的生物相容性和耐腐蚀性，同时具有记忆特性和超弹性。在0-10℃（或冰水）环境中支架为软化状态，在一定范围内可改变形状，易于放入置入器中。在人体内（环境温度大于33℃以上）将支架由置入器中放出，可逐步恢复原状。

支架产生持续柔和的径向扩张力，作用在食道内壁上，使狭窄部位逐步扩张并恢复通畅。支架在体温下具有良好的超弹性，能顺从食道的蠕动，从而既保持食道通畅又无太大不适感。

形状记忆合金食道支架示意图

（图片来源：smartlab）

（五）脊柱侧弯矫形

过去治疗脊柱侧弯症疾病采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正力降到初始时的30%时，就需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。

采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热（热生理盐水）形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。

脊柱侧弯矫形CT实例（图片来源：网络）

（六）Ω形脊柱人造关节

采用Ω形脊柱人造关节可在颈椎治疗中替代传统的骨融合。现在低温下将Ω形器具的弓形臂展平，并置于颈椎椎体的中间部位。由于体温的影响，Ω形器具的臂部恢复原状，从而保持了颈椎高度。这种关节成形术提高了病人功能恢复的程度，最大程度上减小了进一步的恶化，减轻了痛苦，同时避免了并发症的发生。

Ω形脊柱人造关节预处理及植入示意图

（图片来源：网络）

(七）人工心脏用人造肌肉

人工心脏传统驱动源主要采用利用气压的隔膜泵和吸入泵，如今将形状记忆合金丝处理成正弦曲线形状，贴在弹性质人工心室外壁上制成人工心脏用收缩型人造肌肉。采用脉冲通电的加热方式，冷却依靠自然降温，利用形状记忆效应，实现收缩。

人工心脏（图片来源：网络）

三、形状记忆合金产业发展

《2018年全球及中国形状记忆合金产业深度研究报告》显示，全球形状记忆合金市场2017年的市场规模为106.2亿美元，预计到2022年将达到189.7亿美元，复合年增长率为12.3％。形状记忆合金（SMA）市场的增长可归因于需求增加全球范围内的生物医学、航空航天、国防以及消费电子和家用电器行业对形状记忆合金的需求显著增长。

（一）我国形状记忆合金主要生产企业

(来源：缪卫东. 我国形状记忆合金应用现状

及发展趋势[J]. 新材料产业, 2008(5):28-31.)

（二）国外形状记忆合金厂商

目前国外形状记忆合金市场中主要的参与者有：ATI特种合金和零部件（美国）、Special Metals（美国）、Boston Scientifics（美国）、SAES（意大利）、Johnson Matthey（英国）、Nippon Steel＆Sumitomo Metals（日本）、Furukawa Electric Company（日本）、Fort Wayne Metals（美国）、日本Seisen（日本）、DYNALLOY、Inc.等。

总结：

形状记忆合金是一个新颖的智能金属材料，近年来才被人们熟知，并实现迅猛发展。形状记忆合金因其无可替代的形状记忆效应和超弹性两大特点成为一类至关重要的金属功能材料。形状记忆合金在生物工程、医疗器械、能源和自动化等方面都有广阔的应用前景。未来的日常生活中会越来越多的出现它“灵活”的身影，为人类的健康生活作出重大的贡献。

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