鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀恢復能力測試方法的研究

閆鵬偉 宋可婧 陳大雷 宋麗霞 樊立陽 鄭亞亞高海艷 唐琰 方延學 繆祥文 湯京龍

基金項目：國家重點研發(fā)計劃(2018YFC1106700)資助

作者單位：1 蘭州西脈記憶合金股份有限公司(蘭州 730000) 2 中國食品藥品檢定研究院(北京 100050) 3 甘肅省醫(yī)療器械檢驗檢測所(蘭州 730000) 4 甘肅省藥品監(jiān)督管理局審核查驗中心(蘭州 730000)

通信作者：宋麗霞，助理工程師，E-mail：1102168142@qq.com；湯京龍，正高級工程師，E-mail：wys-xbs@nifdc.org.cn

0 引言

鎳鈦形狀記憶合金[1](nickel-titanium shape memory alloys)，是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變形，恢復其低溫變形前原始形狀的合金材料[2]。近等原子比成分的鎳鈦形狀記憶合金(以下簡稱鎳鈦合金)具有優(yōu)良的形狀記憶效應[3]，是數(shù)十種已知形狀記憶合金中性能最好、醫(yī)學領域應用最廣泛的一種[4]。

鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶效應等特殊功能性，廣泛應用于生物醫(yī)用領域如口腔[5]、心腦血管[6]、肝膽胸外[7]、骨科[8]等醫(yī)療器械產品，由于長期植入體內，其產品質量直接影響患者的安全。目前鎳鈦合金骨板生產企業(yè)自行控制出廠質量，監(jiān)管部門審評后才能上市銷售，所以鎳鈦合金骨板形狀恢復能力標準作為企業(yè)質量控制依據(jù)、監(jiān)管部門的監(jiān)管依據(jù)顯得尤為重要。

查詢國內外相關測試方法和鎳鈦形狀記憶合金骨板臨床使用[9]方法的基礎上，結合臨床使用情況確定鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀恢復能力標準評價體系需要測試相變溫度、形狀恢復力、形狀恢復率[10]。其中鎳鈦合金骨板的相變溫度是指鎳鈦合金骨板形狀恢復原始形狀時的溫度，也是鎳鈦合金骨板有效工作時的溫度，相變溫度測試依據(jù)ASTM F2082標準[11]，將鎳鈦形狀記憶合金在低溫下變形，加熱后恢復至原始形狀，恢復至完全奧氏體相狀態(tài)相對應的溫度即為鎳鈦形狀記憶合金的Af點，并與YS/T 970標準[12]中的實驗方法比較以驗證本文中測試方法的科學準確性；形狀恢復力是當鎳鈦形狀記憶合金產品低溫馬氏體相變形后，在約束條件下加熱至Af點溫度以上，產品趨向于恢復原來的形狀，但因被約束而不能恢復，由此產生的力的峰值，是鎳鈦合金骨板工作時安全固定的評價指標；形狀恢復率一般以η來表示，以模擬試樣1為例，產品在完全奧氏體相時的原始形狀(開口或內徑表示)為Φ0，在完全馬氏體相時變形(若撐開，根據(jù)ASTM F2516—18，其對應的拉伸應變適宜在2.0%～2.5%)[13]，經高溫逆相變恢復后尺寸為Φ1，產品恢復的量，是鎳鈦合金骨板工作時產品固定恢復到位的評價指標。形狀恢復力、形狀恢復率測試結果和方法與蘭州西脈記憶合金股份有限公司等其他醫(yī)療器械生產企業(yè)提交至國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術審評中心的產品技術文件比較，以驗證該測試方法的科學準確性。

通過對國內外相關標準的研究，國內外無鎳鈦合金骨板相變溫度、形狀恢復能力、形狀恢復率的測試標準方法。相關相變溫度的測試方法都是對鎳鈦合金材料的測試，不適用鎳鈦合金骨板，所以本文對鎳鈦合金骨板形狀恢復能力測試方法進行研究，規(guī)范鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀恢復能力(相變溫度、形狀恢復力、形狀恢復率)的測試標準方法，確保提供的測試方法科學有效，為患者提供安全的醫(yī)療器械[14]。

1 測試方法研究

1.1 實驗材料

因各企業(yè)生產的鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀結構不同，測試結果會有差異性，為保證測試方法的統(tǒng)一性，本次測試采用標準試樣代替，試樣使用原材料與被替代產品的原材料為同一批次，機械加工處理工藝保持一致。試樣由蘭州西脈記憶合金股份有限公司制備，相變溫度為34℃±3℃，原料板材由蘭州國嘉記憶合金有限公司提供。

圖1、圖2 是模擬試樣1、模擬試樣2，模擬試樣2只測試形狀恢復率，試樣形狀及尺寸參考目前已上市的鎳鈦合金骨板形狀設置。

厚度D=0.20～2.50 mm，寬度(A)是厚度(D)的5～10倍，長度(L)為不小于測試標準芯棒(具體使用情況見圖3)周長的1.5倍，公差等級按照GB/T 1804-2000《一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差》中精密f等級。圖2 模擬試樣2Figure 2 Mock sample 2

模擬試樣1內徑為16 mm，開口為4 mm。圖1 模擬試樣1 Figure 1 Mock sample 1

1.2 實驗設備

恒溫水浴箱(型號：HW1000)，由蘭州西脈記憶合金股份有限公司制備，控制溫度偏差為0.5 ℃，水浴箱水溫校準設備精度為0.5 ℃。

本次實驗采用的測量工具，如：游標卡尺等，精度為0.02 mm。

鎳鈦合金骨板形狀恢復力測試儀精度為0.01 N。

1—熱電偶；2—恒溫水浴箱體；3—加熱器；4—溫度控制儀；5—循環(huán)泵(攪拌器)；6—溫度計。圖3 恒溫水浴箱Figure 3 Constant temperature water bath

1—拉力(壓力)傳感器；2—產品放置夾具；3—產品或試樣；4—測力夾具；5—熱電偶；6—恒溫水浴箱體；7—加熱器；8—溫度控 制儀；9—恢復力顯示器；10—循環(huán)泵；11—溫度計。圖4 形狀恢復力測試儀Figure 4 Shape recovery force tester

1.3 鎳鈦合金骨板相變溫度測試方法

在室溫條件下測量試樣開口尺寸Φ，將測試試樣放置于0～5 ℃冰水混合物中，冷卻至完全馬氏體相狀態(tài)，將試樣變形，即開口尺寸大于產品內徑尺寸10%～30%。將變形后的試樣放入恒溫水浴槽中，逐漸提高溫度，直至產品恢復原始形狀，此時的溫度為產品的馬氏體逆相變終了溫度，即Af點。

在實驗開始期間，水溫29 ℃放入產品，監(jiān)測溫度設置為30 ℃、31 ℃、32 ℃、33 ℃、34 ℃、35 ℃、36 ℃、37 ℃、38 ℃，在溫度點分別檢測產品尺寸，允許尺寸偏差為5%，模擬試樣測試數(shù)量為20件，測3次后取平均值。

對于鎳鈦合金骨板相變溫度測試方法的準確率的科學性評估，采用測試結果進行對比及偏差分析。

其中，Ek為父節(jié)點剩余能量，在本系統(tǒng)中用節(jié)點電壓表示，且其值可以直接由傳感器芯片獲得；RSSIk為節(jié)點到父節(jié)點的接收信號強度；Nk為上一輪該父節(jié)點的子節(jié)數(shù)，初始值設為0；Hk為父節(jié)點跳數(shù)。

1.4 形狀恢復力測試方法

采用相變溫度合格的試樣，將測試試樣冷卻至完全馬氏體相狀態(tài)，產品進行變形，變形后放置實驗夾具(如圖4)上，加熱至完全母相狀態(tài)，在實驗夾具顯示表上讀出恢復力最大數(shù)值即為產品形狀恢復力。

恒溫水浴槽中加入一定量的水(水位沒過產品放置在恢復力測試儀的位置)，打開設備開關，水溫加熱至試樣Af點。試樣放置在0 ℃～5 ℃冰水混合物中充分冷卻，將產品變形即開口尺寸大于產品內徑尺寸10%～30%。試樣裝夾在恢復力測試儀上，將測試儀放入上述狀態(tài)的恒溫水浴槽中，待測試儀顯示基本穩(wěn)定后，在37 ℃水溫中讀出恢復力測試儀上的最大數(shù)值，測量3次取平均值即為產品的形狀恢復力。結果按平均值±標準差表示。

該測試方法的準確率的科學性評估采用測試結果進行對比及偏差分析。

1.5 形狀恢復率測試方法

通過調研各醫(yī)療器械生產企業(yè)鎳鈦合金骨板形狀及收集臨床使用情況，鎳鈦合金骨板大部分為環(huán)抱式或類環(huán)抱式，少部分為直行或非環(huán)抱類，直行或非環(huán)抱類無法根據(jù)方法一測試形狀恢復率，所以形狀恢復率采用兩種方法測試。模擬試樣2可代替直行或非環(huán)抱類產品，按照測試方法二測試。

1.5.1 方法一

采用相變溫度合格的試樣，恒溫水浴槽中加入一定量的水，水溫加熱至產品Af點。

測量模擬試樣1開口尺寸Φ，將試樣1放置在0～5 ℃冰水混合物中充分冷卻。將試樣1變形即開口尺寸大于其原內徑尺寸10%～30%，測量變形后的開口尺寸Φ0。

該測試方法的準確率的科學性評估采用測試結果進行對比及偏差分析。

1.5.2 方法二

采用相變溫度合格的試樣，恒溫水浴槽中加入一定量的水，水溫加熱至產品Af點。

將試樣按照圖5裝夾，測量試樣2與水平面的角度θ0，將試樣2夾持后放置在0～5 ℃冰水混合物中冷卻至完全馬氏體相。將試樣2沿標準芯棒變形。

圖5 彎曲測試形狀恢復率的示意圖Figure 5 Schematic diagram of shape recovery rate of bending test

將變形后的試樣2放入恒溫水浴槽中至完全奧氏體相，測量試樣2恢復后的角度θ2。根據(jù)形狀恢復率公式計算產品的形狀恢復率。

該測試方法的準確率的科學性評估采用測試結果進行對比及偏差分析。

2 結果

2.1 相變溫度測試結果

選擇20件試樣1按照相變溫度測試方法測試相變溫度，為保證數(shù)據(jù)的科學性，水浴箱水溫誤差控制在±0.5 ℃以內，表1是試樣在不同溫度下開口的尺寸恢復情況記錄表，實驗數(shù)據(jù)顯示測量產品原始開口尺寸平均值為4.08 mm，變形后的開口尺寸平均值為20.80 mm，水浴槽水溫為30 ℃時樣品開口尺寸無變化，水溫逐漸升至37 ℃時產品開始恢復原來形狀，測量全部產品后發(fā)現(xiàn)20件樣品全部在37 ℃時恢復至原始形狀，水溫持續(xù)上升時尺寸不再發(fā)生變化。由表1數(shù)據(jù)可知樣品1的Af為37 ℃，與樣品廠家提供的相變溫度一致。

表1 鎳鈦形狀記憶合金骨板不同相變溫度的開口尺寸(n=20)Table 1 Opening sizes of nickel-titanium shape memory alloy bone plates at different phase transition temperature (n=20)

對測試結果數(shù)據(jù)分析后，相變溫度測試方法合理，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較高，該方法利于企業(yè)做為質量控制的操作方法和監(jiān)察機構進行復核的依據(jù)。

2.2 形狀恢復力測試結果

選擇相變溫度測試合格的20件樣品1，依據(jù)1.4節(jié)中提供的形狀恢復力測試方法進行測試，圖6是研究模擬鎳鈦合金骨板在安裝過程中的溫度變化與形狀恢復力的曲線圖，在臨床安裝過程中給骨板的恢復溫度都高于Af點，樣品數(shù)量為20件，圖6是試樣在37 ℃至47 ℃時骨板的形狀恢復力變化曲線圖,在47℃時試樣形狀恢復力測試結果平均值為140.26 N 。圖7是數(shù)據(jù)波動平衡后將水溫下降至37 ℃，模擬骨板安裝人體后在人體體溫37 ℃[15]時的形狀恢復力變化曲線圖,在37℃時試樣形狀恢復力測試結果平均值為64.18 N。因鎳鈦骨板形狀恢復力根據(jù)產品結構不同，力學數(shù)據(jù)也有很大差距，本次驗證結果只對試樣數(shù)據(jù)及力學曲線進行分析，實驗中發(fā)現(xiàn)試樣形狀恢復力會隨著溫度的升高而變大，只有溫度恒定的狀態(tài)下曲線會隨著時間推移趨于穩(wěn)定(圖8)，對實驗結果及過程分析，對比參考蘭州西脈記憶合金股份有限公司提供的臨床數(shù)據(jù)，顯示形狀恢復力測試方法測試標準具有可操作性，測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較高，測試數(shù)據(jù)科學有效，該方法利于企業(yè)做為質量控制的操作方法和監(jiān)察機構進行復核的依據(jù)，質量控制安全有效。

圖6 樣品升溫至47 ℃形狀恢復力變化曲線圖Figure 6 Change curve of shape restoring force of sample heated to 47 ℃

圖7 樣品降溫至37 ℃形狀恢復力變化曲線圖Figure 7 The change curve of the shape restoring force when the sample drops to 37 ℃

圖8 產品環(huán)境溫度上升至37 ℃后保持溫度不變隨時間推移形狀恢復力曲線Figure 8 The curve of restoring force over time after the ambient temperature of the product rising to 37 ℃ and remaining unchanged

2.3 形狀恢復率測試結果

選擇相變溫度測試合格的20件試樣1和20件試樣2，依據(jù)本文中提供兩種形狀恢復率測試方法分別進行測試，測試溫度為37℃，表2是按照方法一測試數(shù)據(jù)的結果，表3是按照方法二測試數(shù)據(jù)的結果，根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示兩種測試方法測試的鎳鈦合金骨板形狀恢復率均大于等于95%，對比參考蘭州西脈記憶合金股份有限公司和上海昕昌記憶合金科技有限公司提交至國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術審評中心的產品技術文件，對兩種方法測試的數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)兩種測試方法都可適用，測試方法簡單有效，測試結果重現(xiàn)性較高，數(shù)據(jù)科學有效，該方法利于企業(yè)做為質量控制的操作方法和監(jiān)察機構進行復核的依據(jù)。

表2 鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀恢復率測試方法一測試值 (n=20) Table 2 Method1 for testing the shape recovery rate of nickel-titanium shape memory alloy bone plates(n=20)

表3 鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀恢復率測試方法二測試值(n=20)Table 3 Method2 for testing the shape recovery rate of nickel-titanium shape memory alloy bone plates (n=20)

3 討論與結論

鎳鈦合金骨板在臨床應用廣泛，根據(jù)形狀記憶合金的特性，結合臨床使用情況及國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術審評中心的產品技術文件，鎳鈦合金骨板性能及器械安全性的主要技術控制指標是相變溫度、形狀恢復力、形狀恢復率。

現(xiàn)有標準國內主要采用YY/T 0641—2008《熱分析法測量NiTi合金相變溫度的標準方法》[16]測試鎳鈦合金材料的相轉變溫度。該標準方法需樣品在800 ℃下退火處理后測試，鎳鈦合金骨板產品檢測后無法正常滿足臨床需求，故此標準不適應于醫(yī)療器械的相變溫度的測試。形狀恢復力、形狀恢復率國內外無標準測試方法。

本文提供了鎳鈦形狀記憶合金骨板形狀恢復力、形狀恢復率和相變溫度的標準測試方法，規(guī)范并完善了鎳鈦合金骨板恢復能力相關測試標準及評價方法，有效促進了鎳鈦合金骨科行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)依據(jù)臨床需求自定滿足臨床的標準，可通過該標準測試方法檢測產品是否滿足設計要求，監(jiān)管部門可依據(jù)該標準測試方法對鎳鈦合金骨板進行技術評審，規(guī)范和有效控制鎳鈦合金骨板的質量。