זרקור מתכת מיוחד: ניטינול

ניטינול, סגסוגת של ניקל וטיטניום עם כחמישים אחוז ניקל, היא מתכת שנוסחה לאחרונה יחסית, אשר לוקחת את שמה הן מהרכבה והן מהמקום שבו היא הופקה (Nickel Titanium – Naval Ordnance Laboratory).

היסטוריה של ניטינול

למרות שהוא התגלה בתחילת שנות ה-60, נדרשו עשרות שנים עד שניטינול הפך לשימושי בשוק עקב הקשיים שנתגלו בעיבודו ובייצורו. למעשה, השימושים הרבים של Nitinol התממשו ברובם מאז אמצע שנות ה-90, כאשר השימושיות שלו במגוון רחב של יישומים נובעת מהמאפיינים המאפיינים של זיכרון הצורה ומהתכונות הסופר-אלסטיות שלו. זיכרון צורה אומר שניטינול יכול להשתנות לצורה חדשה בטמפרטורה אחת – נמוכה יותר מטמפרטורת גוף רגילה למשל – ואז לשחזר את צורתו המקורית לאחר חימום מעבר לטמפרטורת השינוי שלו.

מהם המאפיינים והתכונות של ניטינול?

מכיוון שלניטינול יש גם יכולת ייחודית להסתגל לזנים יוצאי דופן והוא תואם לגוף האדם, הוא מוצא יישומים רבים בתחום הרפואי. בטמפרטורות גבוהות יותר, Nitinol מניח מבנה גביש מעוקב המכונה אוסטניט (הידוע גם כפאזה האב). בטמפרטורות נמוכות יותר, הוא הופך באופן ספונטני למבנה גבישי "מונוקליני" מסובך יותר המכונה מרטנזיט. הטמפרטורה שבה אוסטניט הופך למרטנסיט מכונה בדרך כלל טמפרטורת הטרנספורמציה – ליתר דיוק, מרטנזיט מתחיל להיווצר בטמפרטורת Ms שנקראת, והטמפרטורה שבה הוא מושלם נקראת טמפרטורת Mf. שני היבטים אלה של המבנה שלו – זיכרון צורות ותכונות סופר-אלסטיות – מאפשרים לניטינול להפגין תגובה הפיכה ללחץ מופעל שבעצמו נגרם על ידי טרנספורמציה של פאזה בין השלב האוסטניטי והמרטנזיטי של גביש.

חיוניים לתכונותיו של Nitinol הם שני היבטים מרכזיים של טרנספורמציה בשלב זה. ראשית, הטרנספורמציה היא 'הפיכה', כלומר חימום מעל טמפרטורת הטרנספורמציה יחזיר את מבנה הגביש לשלב האוסטניט הפשוט יותר. נקודת המפתח השנייה היא שהטרנספורמציה בשני הכיוונים היא מיידית.

[1] למבנה הגבישי של מרטנסיט יש את היכולת הייחודית לעבור דפורמציה מוגבלת באופן מהותי מבלי לשבור קשרים אטומיים. סוג זה של דפורמציה ידוע בשם תאום, המורכב מסידור מחדש של מישורים אטומיים מבלי לגרום לעיוות קבוע. הוא מסוגל לעבור מאמץ של כ-6-8% באופן זה.

כאשר מרטנזיט מוחזר לאוסטניט על ידי חימום, המבנה האוסטניטי המקורי מוחזר, ללא קשר לשאלה אם שלב המרטנסיט היה מעוות. לפיכך השם 'זיכרון צורה' מתייחס לעובדה שצורת הפאזה האוסטניטית בטמפרטורה גבוהה 'נזכרת', למרות שהסגסוגת מעוותת קשות בטמפרטורה נמוכה יותר.

[2] כך ניתן לייצר מכשירים רפואיים של Nitinol – כגון סטנטים – בטמפרטורת הגוף, לעוות או לקפל אותם בטמפרטורה אחרת, ואז להחדיר לעורק שם הוא יחזור לטמפרטורה הרגילה שלו ויחזור לגודלו המקורי. טרנספורמציה של שלב מאפשרת גם למכשיר להתאושש במלואו לאחר כיפוף לקצב מתח גבוה (עד 7%).

האפקט הסופר אלסטי של חוט Nitinol

אפקט 'סופר-אלסטי' זה מאפשר שימוש במכשירי חוטי ניטינול שכופפו או עוצבו כדי לאפשר החדרה או שימוש בתוך הגוף. כלים כגון מכשירי אחיזה קטנים וביופסיה יכולים להתרחב מצינור ולהתרחב לשטח גדול בהרבה ממכשירים העשויים מסגסוגות סטנדרטיות. המשקל המופחת של Nitinol ותכונותיו הייחודיות הופכים אותו לאטרקטיבי במיוחד עבור יישומים ביו-רפואיים, לרבות כלי שסתומי לב, סטנטים, סיכות, עוגני עצם, התקני פגם במחיצה מתוחכמים ומגוון שתלים.

עם זאת, ניטינול טיפול בחום הוא עדין – וקריטי בכוונון עדין של טמפרטורת השינוי. זמן ההזדקנות והטמפרטורה שולטים במשקעים של שלבים עשירים בניקל שונים, וכך שולטים בכמה ניקל שוכן על רשת הניקל והטיטניום; על ידי ריקון המטריצה של ניקל, ההזדקנות מגבירה את טמפרטורת הטרנספורמציה. השילוב של טיפול בחום ועבודה קרה חיוני בשליטה בתכונות הניטינול

[3]. השימושים הרפואיים של Nitinol כוללים מכשירים לחיבור מעיים מחדש לאחר ניתוח; כמו תפירה; בשתלים; וחיווט לאיתור גידולי שד. בהתחשב בהופעתה האחרונה בעולם הייצור, ברור שמשטח השימושים העתידיים של Nitinol בקושי נשרט.