Wpływ wyżarzania po przeróbce plastycznej na zimno na przemiany fazowe i właściwości drutów TiNiCo przeznaczonych na implanty medyczne

• Autorzy: Lekston Z. , Stróż D. , Bierska-Piech B. , Jędrusik-Pawłowska M. , Żaworonkow D.

Warianty tytułu

EN

Annealing influence after cold working on phase transformations and properties of TiNiCo wires designed for medical implants

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Stopy Ti-Ni wykazujące jedno- i dwukierunkową pamięć kształtu oraz supersprężystość są z powodzeniem wykorzystywane w różnych zastosowaniach medycznych. Rodzaj i kinetyka przemian fazowych oraz właściwości funkcjonalne tych stopów modyfikuje się przez dobór składu chemicznego i zastosowanie odpowiedniej technologii przeróbki plastycznej oraz obróbki cieplnej. Wprowadzenie kobaltu zamiast niklu (ok. 3% at.) poprawia właściwości plastyczne stopów i ułatwia ich przeróbkę plastyczną na zimno. W pracy określono wpływ temperatury wyżarzania przez 15 minut w zakresie temperatury 300÷700°C na przemiany fazowe i efekty pamięci kształtu drutów Ti50Ni48,7Co1,3 przeciąganych na zimno. Metodą rentgenografii temperaturowej i DSC stwierdzono, że przemiany fazowe w badanym stopie zachodzą odwracalnie z udziałem pośredniej fazy romboedrycznej R. Obecność fazy R potwierdzono metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Wyniki prób zginania drutów i swobodnego odzysku kształtu prowadzone zgodnie z normą ASTM F 2082-06 pozwoliły stwierdzić, że podczas nagrzewania druty całkowicie odzyskują kształt w temperaturze poniżej 40°C. Duże odkształcenie na zimno i wyżarzanie w temperaturze 450 i 500°C pozwoliło uzyskać dobre właściwości supersprężyste drutów. W próbie rozciągania cyklicznego i trójpunktowego zginania w zakresie odkształcania drutu do ok. 8% obserwowano wyraźne pętle supersprężystości. Z tych drutów przygotowano klamry do zespoleń złamań kostnych oraz spinki do anastomozy jelit dla sprawdzenia ich funkcjonalności w badaniach eksperymentalnych.

EN

Titanium-nickel alloys with one- and two-way shape memory and superelasticity effects have been successfully used in various medical applications. The course of phase transformations and functional properties can be modified by selection of the chemical composition and application of plastic working technology and heat treatment. The addition of cobalt for nickel in amounts up to about 3 at. % improves the plastic properties of alloys and facilitates the cold plastic working of alloys. In this work, the influence of the annealing temperature for 15 minutes in the temperature range 300÷700°C on the phase transformations and shape memory effects of cold drawn Ti50Ni48.7Co1.3 wires was studied. By X-temperature diffraction and the DSC method it was found that the phase transitions in the examined wires proceeded in a reversible manner and are accompanied by the precipitation of a rhombohedral R phase. The presence of the R-phase in selected samples was confirmed by transmission electron microscopy. In the tests of wires bending and free shape recovery carried out according to standard ASTM F 2082-06, it was found that during the heating wires fully recovered the shape at temperature below 40°C. After a strong cold deformation and annealing at 450 and 500°C, very good superelastic properties were induced in the wires. In the cyclic tensile and three-point bending tests in the deformation range up to about 8%, explicit superelastic loops were observed. From the wires after selected treatment, staples for joining bone fractures and clips for bowel anastomosis clips were prepared to verify their functionality in experimental studies.

Słowa kluczowe

PL

stop TiNiCo z pamięcią kształtu; supersprężystość; klamry do osteosyntezy; kompresyjne klipsy do anastomozy

EN

TiNiCo shape memory alloy; superelasticity; osteosythesis staples; compression anastomosis clips

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 3
• Strony: 206--209
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Lekston Z.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Stróż D.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Bierska-Piech B.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice

autor

Jędrusik-Pawłowska M.

• Klinika Chirurgii Czaszkowo-Szczękowo-Twarzowej, Śląski Uniwersytet Medyczny, Katowice

autor

Żaworonkow D.

• Klinika Chirurgii Przewodu Pokarmowego, Śląski Uniwersytet Medyczny, Katowice

Bibliografia

• [1] Yoneyama T., Miyazaki S.: Shape memory alloys for biomedical applications. Woodhead Publishing Limited, Cambridge (2009).
• [2] Wu M. H.: Fabrication of nitinol materials and component. Proc.of the Int. Conf. on Shape Memory and Superelastic Technologies, Kunming, China (2001) 285÷292.
• [3] Morgan N. B.: Medical shape memory alloy applications – the market and its products. Mat. Sci. and Eng. A 378 (2004) 16÷23.
• [4] Mallory D. C., English J. D., Powers J. M., William A. Brantley W. A., Bussa H. I.: Force-deflection comparison of superelastic nickel-titanium archwires. Am. J. Orthod. and Dentofac. Orthopedics 126 (1) (2004) 110÷112.
• [5] Duerig T., Pelton A., Stockel D.: An overview of nitinol medical applications. Mat. Sci. Eng. A273-275 (1999) 149÷160.
• [6] Chu Y., Dai K., Zhu M., Mi X.: Medical application of NiTi shape memory alloy in China. Mat. Sci. Forum 327-328 (2000) 55÷62.
• [7] Machado L. G., Savi M. A.: Medical applications of shape memory alloys. Brazilian Journal of Medical and Biological Research 36 (2003) 683÷691.
• [8] Nudelman I., Fuko V., Waserberg N., Niv J., Rubin M., Szold A., Lelcuk S.: Colonic anastomosis performed with a memory-shaped device. The American Journal of Surgery 190 (2005) 434÷438.
• [9] Yahia L’H.: Shape memory implants. Springer Germany (2000).
• [10] Morawiec H., Lekston Z.: Implanty medyczne z pamięcią kształtu. Wyd. Pol. Śl., Gliwice (2010).
• [11] Pelton A. R., DiCello J., Miyazaki S.: Optimisation of processing and properties of medical grade Nitinol wire. Min Invas Ther & Allied Technol. 9 (1) (2000) 107÷118.
• [12] Yeung K. W. K., Cheung K. M. C., Lu W. W., Chung C. Y.: Optimization of thermal treatment parameters to alter austenitic phase transition temperature of NiTi alloy for medical implant. Materials Science and Engineering A 383 (2004) 213÷218.
• [13] Eckelmeyer K. H.: The effect of alloying on the shape memory phenomenon in Nitinol. Scripta Metallurgica 10 (1976) 667÷672.
• [14] Kolomytsev V. I.: The effect of alloing by 3d, 4d, 5d transition metal elements on martensite transformation temperatures in compound TiNi. Scr. Metallurgica et Materialia 31 (10) (1994) 1415÷1420.
• [15] Jordan L., Chandrasekaran M., Masse M., Bouquet G.: Study of phase transformations in Ni-Ti based shape memory alloys. Journal de Physique IV Coll C2 5 (1995) 489÷494.
• [16] Lekston Z., Stróż D., Jędrusik-Pawłowska M.: Structure and properties of cold-worked and annealed Ti-Ni-Co shape memory wires designed for medical application. Solid State Phenomena 163 (2010) 118÷122.
• [17] Drugacz J., Lekston Z., Januszewski K., Morawiec H.: Use of TiNiCo shape memory clamps in the surgical treatment of mandibular fractures. J. Oral Maxillofac. Surg. 53 (1995) 665÷701.
• [18] Jordan L., Masse M., Villafana A., Bouquet G.: Effects of thermal treatments on the respective behaviour of “R” and martensitic phases in Ni-Ti-Co shape memory alloys. Proc. of the Int. Conf. on Martensitic Transformations. Monterey, California, USA (1992).
• [19] Lekston Z., Łągiewka E.: X-ray diffraction studies of NiTi shape memory alloys. Archives of Materials Science and Engineering 27 (11) (2007) 665÷672.
• [20] Fashing A., Norwich D., Geiser T., Paul G. W.: An evaluation of NiTiCo alloy and its suitability for medical device applications. J. of Mat. Eng. And Performance 3 (2011) DOI: 10.1007/s11665-011-9845-z.