形状记忆材料的特性和应用

所有材料都能通过相应地改变其化学或物理性质来对特定的刺激作出反应，有时相应的反应以形状变化的方式出现。图152.2列举了形状记忆材料的应用。应力作用下的弹性变形是一个典型的例子，其中反应是自发的和瞬时的，在一些黏性材料中，预计会出现时间延迟，因此，这种现象可称为形状改变效应；另一方面，在某些情况下，变形的形状（或临时形状）可以几乎永远保持，并且仅在施加正确的刺激时才（完全或部分）恢复原始形状，这可以称为形状记忆效应。从能量的角度来看，这两种效应之间的差异是由于原始形状和临时形状之间能量屏障的差异，而形状改变效应已广泛应用于许多方面，包括生物医学应用中的药物输送。形状记忆技术利用迷人而强大的形状记忆效应，可以为许多实际问题提供方便的解决方案，包括整形组织，包括重新配置和形状/位置维护等。

图152.1　智能材料的类型和应用领域

图152.2　形状记忆材料的应用

相应地，我们可以将具有形状改变效应或形状记忆效应的材料分别命名为形状改变材料或形状记忆材料。然而，应该指出的是，这取决于环境条件和确切的应用，形状记忆合金具有形状记忆效应，而在高温下，它是超弹性的，基本上呈现出形状改变效应。

20年前引入了形状记忆和超弹性技术（SMST）这一术语（自1994年至今，SMST会议系列证明了这一点），然而，最初的术语主要是针对NiTi在医疗器械中的应用。形状记忆技术的当前扩展，无论是本质上还是外在上都涵盖了具有形状记忆效应的所有类型的材料。NiTi形状记忆合金的驱动应力可高达500 MPa，这就是20世纪70年代以来NiTi线材用于口腔正畸的原因。

微创手术是现代医学最重要的成就之一。腹腔镜胆囊切除术是第一个开发并被广泛接受的微创手术。从那时起，这些技术在各种外科专业中获得了广泛的应用。许多手术现已成为常规做法，包括用于胃食管反流病的Nissen胃底折叠术、阑尾切除术、肾上腺切除术、脾切除术和许多其他高级手术。(www.xing528.com)

与传统的开放手术相比，微创手术有巨大的优势。其主要益处包括减少手术创伤，减少伤口并发症，缩短住院时间并加速康复。然而，与传统手术相比，微创手术在技术上的要求更高，因为手术干预在受限空间内并且通过手术区域的二维成像进行远程控制，失去了触觉反馈，限制了可操作性，对大出血的控制效率较低。在当前机器人手术的发展中，重要的挑战之一是如何在非常有限的空间内有效地塑造组织。

形状记忆材料中显著的形状记忆效应特征为许多应用提供了替代解决方案，其中，传统材料和机构在满足要求方面出现困难。形状记忆效应在生物医学工程的组织形成中特别有用，特别是对于微创手术而言，而微创手术已经成为当前手术实践的主要趋势之一。

例如，除了在常规形状记忆材料（即形状记忆合金和形状记忆聚合物）中进行选择之外，还可以基于各种潜在的形状记忆效应设计我们自己的形状记忆混合物和/或在现有生物医学材料中实现形状记忆效应。各种新的形状记忆技术（包括冷却响应形状记忆效应、多形状记忆效应等）进一步带来了“材料是机器”的概念，这更接近于工程实践。正如我们所说，最近在形状记忆材料塑造方面的发展，很大程度上依赖于这些新出现的技术，这些技术为组织成形带来了许多新的想法。其中，可伸缩支架、自紧生物可降解钉和冷却响应支架是一些典型的例子。

至于前景，除了对现有形状记忆材料的进一步研究外，另一个当务之急可能是在现有的生物医学装置中开发新的功能。例如，现有支架/钉书针中的即时缩回/自紧功能。由于它们只是现有设备中开发的附加功能，已被批准用于生物医学应用，因此，在较短时间内成功的机会远远高于从新材料开发的机会。正如我们所希望的那样，在这些情况下的成功可以进一步推动形状记忆技术的概念，以得到更广泛的应用，包括整形组织。蛋白质/DNA中的形状记忆效应刚开始引起了我们的注意，其潜在应用可能很多。那些通过我们自己的蛋白质/DNA制成的装置具有更少的免疫力问题。形状记忆技术的进步为我们提供了大量开发简化的且不太痛苦的外科手术的机会，外科医生和患者将继续受益于它们的进一步发展。