โลหะผสมไนทินอล

โลหะผสมไนทินอล
Nitinol

วาทิต คุ้มฉายา                  วท.บ.รังสีเทคนิค
ปฏิยุทธ ศรีวิลาศ                วท.บ.รังสีเทคนิค
สุรชาติ การประเสริฐ           วท.บ.รังสีเทคนิค

ภาควิชารังสีวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล มหาวิทยาลัยมหิดล

วาทิต คุ้มฉายา, ปฏิยุทธ ศรีวิลาศ, สุรชาติ การประเสริฐ.โลหะผสมไนทินอล . วารสารชมรมรังสีเทคนิคและพยาบาลเฉพาะทางรังสีวิทยาหลอดเลือดและรังสีร่วมรักษาไทย, 2553 ; 4(2) : 107-113. 

 

สารประกอบโลหะที่สำคัญอย่างหนึ่งในการผลิตวัสดุทางการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์ทางรังสีร่วมรักษา เช่น stent คือโลหะ nitinol ซึ่งมีชื่อจริงว่า nickle titanium[1] เป็นโลหะอัลลอย(metal alloy) ของนิกเกิล (28Ni) กับไทเทเนียม (22Ti)

ไนทินอลมีคุณสมบัติเด่น 2 ประการ คือ การจดจำรูปทรง (shape memory) และความยืดหยุ่นอย่างยิ่ง (superelasticity)

1. การจดจำรูปทรง หมายถึง ความสามารถของไนทินอลในการทนต่อการเปลี่ยนรูปร่างที่อุณหภูมิหนึ่ง โดยเมื่อถูกทำให้อยู่ในรูปร่างใหม่ จะมีการคืนสภาพเดิมได้ จนกระทั่งถึงอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่าง (transformation temperature)
2. ความยืดหยุ่นอย่างยิ่ง จะเกิดขึ้นเมื่ออยู่ในช่วงอุณหภูมิแคบๆ (narrow temperature) เหนือต่ออุณหภูมิที่ให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่าง  ความยืดหยุ่นที่ได้จะสูง 10-30 เท่าของโลหะทั่วไป

ไนทินอลเป็นผลการประดิษฐ์ของศูนย์ทดลองสรรพาวุธทหารเรือ (Nickle Titanium Naval ordnance laboratory) โดยผู้ค้นพบคือ William J. Buehler และอีกทีท่านคือ Frederick Wangซึ่งค้นพบคุณสมบัติของมันในปี 1962

แม้จะมีการค้นพบศักยภาพของไนทินอล แต่ความพยายามในการทำให้เป็นโลหะนี้เป็นโลหะมีค่าในทางการค้าก็เกิดขึ้นในอีกหนึ่งทศวรรษให้หลัง เนื่องจากความยุ่งยากในการหลอมละลาย กระบวนการผลิต และการขึ้นรูปอัลลอย จนกระทั่งปี 1990 ซึ่งจึงสามารถพัฒนาระบบการผลิตเชิงอุตสาหกรรมสามารถได้

คุณสมบัติการจดจำรูปร่างนั้นอาจถือว่ามีการค้นพบในโลหะผสมอื่น เช่น ในปี 1932 มีรายงานของ Arne Olander ถึงการค้นพบคุณสมบัติการจดจำรูปร่างได้จากโลหะผสม gold-cadmium alloy และรายงานของ E. Hornbogenในปี 1950 ในโลหะผสม copper-zinc alloy

ไนทินอลมีอยู่ด้วยกัน 2 ลักษณะโครงสร้างโมเลกุลอัลลอย ได้แก่ Austenite และ Martensite

 

คุณสมบัติพิเศษของไนทินอลสืบเนื่องมาจากการคืนกลับรูปร่างในสถานะของโลหะ ซึ่งเรียกว่า martensitic transformation โดยไนทินอลจะมีโครงสร้าง austenite structure เมื่ออยู่ในที่อุณหภูมิสูง ซึ่งลักษณะรูปทรงเป็น cubic crystal  แต่หากอยู่ในที่อุณหภูมิต่ำจะมีโครงสร้างแบบ martensite structure โดยมีรูปทรงเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนชนิด monoclinic crystal โดยไนทินอลจะเปลี่ยนโครงสร้างไปมาจาก ไปเป็น และจาก martensite ไปเป็น austensite นั้นก็คือมีอุณหูมิของการแปรรูปร่าง (transformation temperature) ซึ่งจะมีอยู่ด้วยกัน 4 ระยะ ได้แก่ เมื่ออัลลอยอยู่ในโครงสร้าง austenite อย่างเต็มที่ ความเป็น martensite จะเริ่มขึ้นเมื่ออัลลอยได้รับความเย็นค่าหนึ่ง เรียกว่า M_s temperature และเมื่ออุณหภูมิเย็นจนกระทั่งอัลลอยอยู่ในโครงสร้าง martensite ทั้งหมด จะเรียกว่า M_f temperature ขณะที่เมื่อได้รับความร้อนค่าหนึ่งก็จะปรับโครงสร้างไปเป็น austenite เรียกว่า A_s temperature และเมื่อได้รับความร้อนจนกระทั่งอัลลอยอยู่ในโครงสร้าง austenite ทั้งหมด จะเรียกว่า A_f temperature  

อย่างไรก็ตามคุณสมบัติของไนทินอลมี 2 ประเด็นที่จะต้องพิจารณาในระหว่างการปรับโครงสร้าง นั้นคือการคืนรูปร่างซึ่งจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และการปรับโครงสร้างนั้นเป็นไปอย่างทันทีทันใด โครงสร้างแบบ martensite จะมีคุณสมบัติจำเพาะที่จะเสียรูปทรงได้อย่างจำกัด (limited deformation) โดยไม่ทำให้พันธะของอะตอมขาดออกจากกัน เมื่อได้รับความร้อนจะเกิดการปรับระนาบของอะตอมใหม่ โดยไม่เลื่อนออกจากกัน และยังจดจำรูปทรงเดิมของตนเองได้

สำหรับการใช้แรงดันเพื่อเปลี่ยนไนทินอลจาก martensite ไปเป็น austenite นั้นจะต้องใช้แรงดันที่สูงว่า 100,000 PSI ดังนั้นไนทินอลจึงเปลี่ยนรูปร่างคืนกลับได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติจำเพาะของสารประกอบกึ่งโลหะ (intermetallic compound) นั่นคืออะตอมโลหะของ nickel และ titanium จะอยู่ในตำแหน่งเฉพาะภายในโครงสร้างโมเลกุล ในขณะที่อัลลอยอื่นๆ อะตอมโลหะจะไม่มีตำแหน่งที่จำเพาะภายในโครงสร้างโมเลกุล นั้นคืออยู่ในตำแหน่งใดของโมเลกุลก็ได้ ทำให้ไนทินอลได้แสดงบทบาทอย่างสำคัญในการเป็นอัลลอยที่สามารถนำไปสร้างสิ่งประดิษฐ์ต่างๆ ได้ง่ายขึ้น

คุณสมบัติอีกประการหนึ่งก็คือความยืดหยุ่นอย่างยิ่ง (superelasticity) หรือความยืดหยุ่นเทียม (pseudoelasticity) ความยืดหยึ่นนี้เป็นสิ่งที่ไม่พบได้ง่ายในโลหะผสม ซึ่งจะสามารถทำให้สามารถดัดโค้ง หรือวางตัวอยู่ในรูปทรงใดๆ ได้โดยไม่เกิดความเครียดของโลหะ

ไนทินอลจะมีความยืดหยุ่นสูงอันเป็นผลมาจากการอยู่ในโครงสร้าง martensite[2] ซึ่งจะทนรับแรงกดไปอยู่ในรูปร่างหนึ่งๆ ได้ และเมื่อแรงกดหายไปก็จะคืนสู่รูปร่างเดิมได้ คล้ายกับสปริง ซึ่งความ ยืดหยุ่นนี้จะมีสูงถึง 10-30 เท่าของสปริงทั่วไป

ไนทินอลมีองค์ประกอบเป็นอะตอมนิเกิล 50-51% คิดเป็นน้ำหนัก 55-56% ของน้ำหนักโมเลกุล โดยความยืนหยุ่นอย่างสูงจะเกิดในช่วง -20 ถึง 60 องศาเซลเซียส

การผลิตไนทินอล และการสร้างอุปกรณ์จากไนทินอล 

ไนทินอลนั้นผลิตได้ยากเนื่องจากต้องการระบบควบคุมการผลิตที่ซับซ้อนและการเกิดปฏิกิริยาของไทเทเนียม โครงสร้างอัลลอยไนทินอลจะสูญเสียอะตอมของไทเทเนียมไปกับการรวมตัวกับอะตอมของออกซิเจนหรือคาร์บอน ซึ่งจะมีผลทำให้การรวมตัวเป็นอัลลอยเกิดในอุณหภูมิที่ต่ำลง ปัจจุบันมีวิธีการผลิตไนทินอล 2 วิธี ได้แก่

1. Vacuum Arc Remelting วิธีการนี้จะผ่านกระแสไฟฟ้าไปมาระหว่างวัตถุดิบ (raw material) และแผ่นตะกั่วในน้ำเย็น (water cooled copper strike plate) การหลอมละลายจะเกิดถังสุญญากาศ เพื่อให้ไม่มีคาร์บอนเกิดขึ้นระหว่างกระบวน
   การหลอมละลาย
2. Vacum Induction Melting วิธีการนี้จะใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการสร้างความร้อนให้เกิดกับวัตถุดิบ (raw material) ในเบ้าหลอมซึ่งเป็นถังสุญญากาศ เบ้าหลอมนี้ทำจากคาร์บอนดังนั้นจึงมีคาร์บอนเกิดขึ้นระหว่างการหลอมละลาย

กระบวนการในการขึ้นรูปจะมีความยากกว่าเนื่องจากเมื่อได้ไนทินอลมาแล้วจะสร้างให้มีรูปร่างอย่างไรจะต้องพิจารณาผลของคุณสมบัติความยืดหยุ่นของอัลลอยด้วย ไม่ว่าจะเป็นการม้วน ถัก บิด ทำเป็นเกลียว เนื่องจากไนทินอลถูกนำมาใช้ด้วยคุณสมบัติที่มีความยืดหยุ่น และมีความคงทนต่อแรงกดดันสูงๆ เช่นการนำมาผลิตเป็น stent และ heart valve ซึ่งได้รับแรงกดดันจากการเคลื่อนไหวของอวัยวะและแรงดันเลือด อย่างไรก็ตามการพิจารณาประเด็น fatigue performance ที่จะเกิดกับอุปกรณ์ไนทินอลด้วย เนื่องจากหากเกิดภาวะ fatigue จะทำให้ไนทินอลเสียรูปไปได้เมื่อ ดังนั้นในปัจจุบันจึงได้มีการค้นคว้าถึงข้อจำกัดในความทนทาน (durability limit) ของไนทินอล

ในขณะเดียวกันไนทินอลประกอบด้วยนิเกิลซึ่งสำหรับอุตสาหกรรมทางการแพทย์จะต้องพิจารณาการปลดปล่อยอะตอมนิเกิลซึ่งจะเป็นสารกระตุ้นอาการแพ้ (allergen) และอาจเป็นสาเหตุของมะเร็ง ได้ ดังนั้นจึงได้มีการใช้ protective TiO2 เคลือบไนทินอลไว้ (electropolishing)[3] ซึ่งจะเป็นผนังกั้นไม่ให้เกิดการแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งจะทำให้ไนทินอลปลดปล่อยอะตอมนิเกิลออกมาช้าลงเมื่อเทียบกับโลหะประกอบของนิเกิลอื่นๆ สำหรับในทางการแพทย์ ผู้ป่วยที่ใช้อุปกรณ์ที่ผลิตจากไนทินอลยุคแรก ๆ จึงต้องเฝ้าระวังอาการเหล่านี้ด้วย อย่างไรก็ตามในปัจจุบันไนทินอลได้ถูกนำมาใช้ผลิต vascular self expandable metallic stent และยังไม่มีรายงานการพบพิษของนิเกิล หรือการเกิดภาวะแพ้นิเกิลในผู้ป่วย

ในทางทฤษฎีเชื่อว่ารูปร่างของวัสดุไนทินอลที่ผลิตขึ้นยิ่งเล็ก (smaller) มีลักษณะกลม (rounder) และมีการรวมอะตอมอื่นเข้าไปน้อย (few inclusion of TiC, Ti₂NiOx)  จะช่วยเพิ่มความทนทานต่อภาวะการล้าของโลหะได้ (fatigue durability)

 ข้อจำกัดที่สำคัญของการผลิตวัสดุด้วยไนทินอลก็คือความยากในการเชื่อมไนทินอลกับโลหะอื่นซึ่งต้องใช้เลเซอร์ เช่น การเชื่อมไนทินอลกับสแตนเลส

 สำหรับคุณสมบัติของไนทินอลที่กำลังสนใจค้นคว้าคือการจดจำรูปร่างหลายรูปร่าง multi-memory technology ซึ่งจะช่วยให้สามารถผลิตวัสดุไนทินอลได้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

การประยุกต์ใช้ไนทินอล 

ไนทินอลมีการใช้งานในรูปแบบต่างๆ  ได้แก่

1. เป็นวัสดุในการเชื่อมต่อ (coupling)
2. เป็นวัสดุทางการแพทย์ (biomedical and medical)
3. ผลิตเป็นของจำลอง (toy demonstration and novelty item)
4. เครื่องกระตุ้น (actuator)
5. เครื่องจักร (heat engine)
6. เซนเซอร์ (sensor)
7. สีแช่แข็ง และตัวเก็บความจำ (cryogen die and bubble memory socket)
8. อุปกรณ์ลิฟต์ (lifting device)

ในทางอุตสาหกรรมได้นำไนทินอลไปใช้อย่างแพร่หลาย เช่น ผลิตเป็นกรอบแว่นตา เป็นเซนเซอร์วัดความร้อนสำหรับตัวควบคุมความร้อน ผลิตเป็นเสาอากาศสำหรับโทรศัพท์เคลื่อนที่ และไมโครโฟนไร้สาย ใช้ทำช้อนสำหรับแสดงมายากล และเป็นลวดของชุดชั้นในสตรี

สำหรับทางการแพทย์ ได้มีการนำไนทินอลมาใช้อย่างแพร่หลาย เป็นอวัยวะเทียม รากฟันเทียม อุปกรณ์เทียมกระดูก ใช้เป็นเข็มสำหรับระบุตำแหน่งก้อนเนื้อก่อนการผ่าตัด เนื่องจากอยู่ร่วมกันได้กับเนื้อเยื่อร่างกาย (biocompatible) และที่สำคัญคือการนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับการผลิต stent ซึ่งสามารถที่จะยุบตัวอยู่ชุดนำส่ง (stent delivery system) และเมื่อนำเข้าไปในหลอดเลือดและเมื่อกางออก ด้วยอุณหภูมิภายในร่างกาย จะทำให้ไนทินอลคืนรูปร่างเดิมได้ ซึ่งจะเรียกวิธีนี้ว่า self-expand

---

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium

[2] F.E. Wang, W.J. Buehler & S.J. Pickart. Crystal structure and a unique martensitic transition of TiNi. Journal of applied physics, 1965; 36: p 3232-3239.

[3] www.electropolishingsystems.com

 

บรรณานุกรม

1. ___________. Nickle titanium. http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium
2. W.J. Buehler, J.W. Gilfrich & R.C. Wiley. Effects of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi. Journal of Applied Physics, 1963; 34: p 475.
3. F.E. Wang, W.J. Buehler & S.J. Pickart. Crystal structure and a unique martensitic transition of TiNi. Journal of Applied Physics, 1965; 36: p 3232-3239.
4. Kauffman, George B , Mayo, Isaac. The Story of Nitinol: The Serendipitous Discovery of the Memory Metal and Its Applications. The Chemical Educator,1997; 2: p1 
5. ___________. Nickle titanium. http://www.nitinol.com/nitinol-university/nitinol-facts/
6. Pelton A, Russell S, DiCello J. The physical metallurgy of nitinol for medical applications. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 2003; 55  : 33 
7. Morgan N, Wick A, DiCello J, Graham R. Carbon and Oxygen Levels in Nitinol Alloys and the Implications for Medical Device Manufacture and Durability . Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies (ASM International), 2006: p. 821
8. ___________. Nitinol Stent.  http://www.electropolishingsystems.com/NS1.htm