Результат интеллектуальной деятельности: Способ деформационно-термической обработки для формирования функциональных характеристик медицинского клипирующего устройства из сплава Ti-Ni с памятью формы

Область техники

Настоящее изобретение относится к металлургии, а именно к термической и термомеханической обработке изделий из сплавов с памятью формы (СПФ) и наведению в них эффекта памяти формы (ЭПФ), в частности клипирующего устройства для создания гемостаза с возможностью восстановления кровотока в трубчатых эластичных структурах организма при проведении операций, относящихся к общей открытой и эндоскопической (лапароскопической) хирургии.

Предшествующий уровень техники

Эффект памяти формы ЭПФ реализуется как физическое явление восстановления формы при нагреве после псевдопластической деформации, накопленной за счет образования мартенсита напряжений или/и деформационной переориентацией существующего мартенсита охлаждения или мартенсита напряжений. Сверхупругость (СУ) - это эффект памяти формы, реализуемый непосредственно при температуре деформации (т.е. дополнительный нагрев не требуется). Обратимый ЭПФ (ОЭПФ) заключается в самопроизвольном обратимом изменении формы при термоциклировании через интервал мартенситных превращений.

Функциональные свойства (ФС) СПФ, в том числе параметры ЭПФ, определяются химическим и фазовым составом, а также структурным и субструктурным состоянием сплава. При наведении ЭПФ значительное влияние оказывают параметры внешних воздействий: температурно-скоростные условия, вид и интенсивность деформационного воздействия.

К наиболее важным служебным характеристикам сплавов с памятью формы (СПФ) относятся: характеристические температуры мартенситных превращений М_н (температура начала мартенситного превращения), М_к (температура окончания мартенситного превращения), T_R (температура R-превращения), А_н (температура начала обратного мартенситного превращения), А_к (температура окончания обратного мартенситного превращения), кристаллографический ресурс обратимой деформации, реализуемая на практике величина обратимой деформации ε_r, реактивное напряжение σ_r, величина обратимого эффекта ε_TW.

Известен способ создания гемостаза с возможностью восстановления кровотока в трубчатых эластичных структурах организма и устройства для его осуществления [Patent WO 2012/075532 A1, (2012). Surgical Clip and Clip Manipulation Device Therefore]. В известном способе описана конструкция клипирующего устройства и последовательность манипуляций при ее использовании. Однако это техническое решение может быть реализовано только в результате деформационно-термической обработки, в результате которой задаются и формируются определенные функциональные характеристики в материале и/или устройстве.

Известен способ наведения ЭПФ и ОЭПФ [В.И. Зельдович, Г.А. Собянина, О.С. Ринкевич. Влияние степени деформации на эффект памяти формы и структуру мартенсита в никелиде титана. Дилатометрические эффекты мартенситных превращений. ФММ, 1996 г., том 81, выпуск 3, стр. 107-116 (г. Свердловск)] в соответствии с которым в сплаве Ti-50,5% Ni, подвергнутом рекристаллизационному отжигу при 800°C, ЭПФ и ОЭПФ наводили прокаткой и растяжением. Деформацию наводили при комнатной температуре, что соответствует двухфазному состоянию В2+В19', со степенями полной наводимой деформации ε_t=4,7-16%. Максимальная величина обратимой деформации ε_r=4,3% была получена при ε_t=12%, максимальная величина ОЭПФ ε_TW=1,6% - при ε_t=16%. В известном способе реализуется лишь один механизм повышения свойств - наведение («тренировка») ЭПФ.

В качестве наиболее близкого аналога (прототип) выбран способ обработки сплава Ti - 50,7 ат. % Ni с эффектом памяти формы и обратимым эффектом памяти формы, включающий термомеханическую обработку, рекристаллизационный отжиг при температуре 700°C в течение 0,20-120 мин, а затем отжиг при температуре 350-500°С в течение 1,5-10 ч, а наведение ЭПФ и ОЭПФ осуществляют путем заневоливания сплава по схеме изгиба с деформацией 12-20% при температуре А_к - 10≤Т≤А_к+10, выдержки при этой температуре 0,25-5 мин, охлаждения до температуры окончания мартенситного превращения, после чего сплав разгружают и термоциклируют в интервале температур от А_к до - 196°C с выдержками 0,25-5 мин [Патент РФ 2476619. Способ обработки сплавов титан-никель с содержанием никеля 49-51 ат.% с эффектом памяти формы и обратимым эффектом памяти формы (варианты)]. Известный способ позволяет реализовать величину обратимой деформации ε_r=14,5%.

В известном способе реализуются два механизма повышения функциональных свойств: создание рекристаллизованной структуры (при температуре 700°C) с выделениями фазы Ti₃Ni₄ (при старении в интервале температур 350-500°C в течение 1,5-10 ч) и новая схема наведения ЭПФ.

В известном способе наведение ЭПФ (деформацию) осуществляют при фиксированной температуре выше температуры А_к, т.е. когда сплав находится в состоянии метастабильного аустенита. Деформация набирается за счет переориентации аустенита, ориентации R-фазы, образования ориентированного мартенсита напряжений и его двойникования. При этом в процессе охлаждения под нагрузкой ниже температуры окончания мартенситного превращения ориентированный мартенсит напряжения стабилизируется. После отжига при 700°C, когда размер рекристаллизованного зерна аустенита достигает 9 мкм, дислокационный предел текучести снижается, развитие пластической деформации аустенита становится определяющим фактором в управлении ЭПФ, что приводит к появлению значительной остаточной деформации.

В известных способах высокие значения эффектов памяти формы получены на тонких образцах - проволоке диаметром 0.3 мм. Между тем, в работе [Е.П. Рыклина, С.Д. Прокошкин, А.Ю. Крейцберг. Возможности достижения аномально высоких параметров ЭПФ сплава Ti - 50.7 ат. % Ni в различных структурных состояниях аустенита. Известия РАН. Серия физическая, 2013, том 77, №11, с. 1653-1663] было установлено, что толщина (диаметер) образца оказывает сильное влияние на реализацию параметров ЭПФ и ОЭПФ: увеличение диаметра образца в 1,5 раза (с 0,3 до 0, 45 мм) приводит к явно выраженной деградации обратимой деформации ЭПФ ε_r, степень которой зависит от структурного состояния сплава и величины полной наводимой деформации ε_t. Высокие значения полной наводимой деформации ε_t=12-20% и высокие температуры деформирования при наведении, используемые в известном способе, неприменимы к массивному устройству, которое при таких температурно-деформационных условиях разрушается.

Кроме того, известно [V. Brailovski, S. Prokoshkin, P. Terriault, F. Trochu (Eds.) Shape Memory Alloys: Fundamentals, Modeling and Applications. Montreal: ETS Publ., 2003, 851 p.], что в момент окончания восстановления формы реактивные усилия в материале равны нулю. Между тем, клипирующее устройство при пережатии сосуда должно развивать реактивные усилия, способные преодолеть давление крови в сосуде, максимальные значения которой достигают 150 мм рт.ст. и собственно тургор стенок сосуда.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, на который направлено предложенное изобретение, является разработка способа деформационно-термической обработки для формирования функциональных характеристик медицинского клипирующего устройства из СПФ Ti-Ni, обеспечивающего создание временного или постоянного гемостаза за счет реализации обратимой деформации в диапазоне 4-7% и генерации реактивного усилия в диапазоне 1,5-3 Н в ходе реализации одностороннего ЭПФ при нагреве до 40-42°C до полного ссмыкания клипирующего устройства, а также обеспечивающего возможность последующего восстановления кровотока в трубчатых эластичных структурах организма за счет реализации обратимого эффекта памяти формы величиной 1-3%, что позволяет реализовать угол раскрытия браншей до 10° при охлаждении ушка клипирующего устройства до 0°C.

Создание реактивных усилий в момент смыкания браншей клипсы реализуется за счет создания некоторой величины запрещенной деформации, другими словами, клипирующему устройству должна быть задана другая (вторая) форма, отличающаяся от исходной рабочей, в то время как исходная форма будет являться промежуточной в процессе восстановлении второй заданной формы и создавать ненулевые реактивные усилия в момент пережатия сосуда.

Создание прочих функциональных харкатеристик устройства, а именно обратимой деформации ε_r и ε_TW, реализуется за счет значимой разницы между дислокационным и фазовым пределом текучести. Эта разница реализуется за счет формирования в результате горячей поперечно-винтовой прокатки при температуре 850-950°C и последующего старения при температуре 350-500°C в микроскопически неоднородной микроструктуры материала: она состоит из зерен рекристаллизованной структуры и субзерен полигонизованной субструктуры, декорированных наноразмерными выделениями фазы Ti₃Ni₄. Размер частиц минимален в границах и субграницах и увеличивается по мере приближения к центру зерна.

Технический результат достигается также тем, чтостарение при температуре 350-500°C проводят в несколько этапов, причем на первом этапе старению подвергают клипирующее устройство, имеющее исходную рабочую форму с сомкнутыми концами браншей в течение 3-10 ч, а последующие этапы старения в форме с попеременно зеркально-отображенными перехлестнутыми на угол 20-50° проксимальными концами браншей в течение 5-180 мин.

В процессе отжига клипсы в исходном рабочем состоянии в отсутствие напряжений частицы фазы Ti₃Ni₄ выделяются равномерно в системе плоскостей {111} В2-матрицы. Старение на 1 этапе в данном температурном интервале позволяет прецизионно регулировать температурный интервал восстановления формы и реализовать требуемый интервал срабатывания устройства в диапазоне 38-42°C. Выделившиеся частицы создают поля напряжений, управляющие восстановлением формы. Старение под напряжением на 2 этапе в форме с попеременным зеркально-отображенном перехлесте браншей сопровождается ориентированным выделением, его проводят в течение 5-180 мин, и созданием ориентированных полей напряжений, управляющих восстановлением второй формы, заданной старением под напряжением; его проводят в течение 5-180 мин. Однако в этом случае при восстановлении формы бранши клипсы будут смыкаться не симметрично, а с перекосом. Поэтому на 3 этапе старения под напряжением, которое проводят в течение 5-180 мин, бранши клипсы перехлестывают в противоположную зеркально отображенную сторону. Выделяющиеся при этом частицы фазы Ti₃Ni₄ создают компенсирующие поля напряжений. Такое двустадийное старение под напряжением обеспечивает симметричный ход проксимальных концов браншей клипсы при восстановлении формы до полного смыкания браншей по внутренней поверхности.

Технический результат достигается также тем, что сплав титан-никель подвергают термературно-деформационной тренировке - термомеханическое наведение эффекта памяти формы (ЭПФ) и обратимого эффекта памяти формы (ОЭПФ), включающее деформацию разведением браншей клипсы относительно первоначального сомкнутого состояния на угол 20-90° при температуре в области существования R-фазы, выдержку в течение 20-60 сек при фиксированной температуре либо термоциклирование в области существования R-фазы, разгружение и нагрев до восстановления формы.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано клипирующее устройство в исходной рабочей форме; в этой форме устройство подвергают старению на 1 этапе. На фиг. 2 показана форма клипирующего устройства в форме с перехлнстнутыми концами бранше; в этой форме устройство подвергают старению на втором этапе. На фиг. 3 показана форма клипирующего устройства в форме с зеркально отбраженными перехлестнутыми концами бранше; в этой форме устройство подвергают старению на третьем этапе. На фиг. 4 показана форма клипирующего устройства в форме с разведенными концами браншей при наведении ЭПФ. На фиг. 5 показано изменение формы ушка клипирующего устройства на разных этапах деформационно-термической обработки для формирования функциональных характеристик медицинского клипирующего устройства из сплава Ti-Ni с памятью формы. На фиг. 6 приведена схематическая диаграмма, поясняющая необходимость создания в устройстве запрещенной деформации в момент смыкания браншей устройства, где - реактивное напряжение, создаваемое кдипсой с перехлетстнутыми концами браншей в момент их смыкания; - то же для клипсы с исходно заданной рабочей формой.

Пример №1 конкретного выполнения

Исходным материалом является клипирующее устройство, изготовленное методом электроэрозионной резки на станке с числовым программным управлением из прутка сплава Ti - 50,5%Ni, полученного методом поперечно-винтовой прокатки с последующим охлаждением на воздухе.

Клипирующее устройство очищают от смазки, фиксируют в рабочей форме, предполагающей полное смыкание браншей, помещают в муфельную печь и выдерживают при температуре 430°C в течение 10 ч, после чего закаливают в воду. Клипсу освобождают, помещают в ледяную ванну и укладывают в заранее размещенную в ней специальную матрицу, в которой создают вторую форму с перехлестом дистальных концов браншей на угол 45°. Матрицу с клипирующим устройством помещают в муфельную печь и выдерживают при температуре 430°C в течение 1 ч, после чего закаливают в воду. Клипсу извлекают из матрицы, матрицу помещают в ледяную ванну и укладывают в матрице клипсу с перехлестом браншей в противоположную сторону. Матрицу с клипирующим устройством помещают в муфельную печь и выдерживают при температуре 430°C в течение 10 мин, после чего закаливают в воду. Клипсу извлекают из матрицы, окисный слой удаляют травлением.

Бранши клипсы разводят на угол 60° при комнатной температуре на специальном шаблоне, выдерживают 30 сек и размещают в ледяной ванне, где выдерживают 1 мин. Не вынимая из ледяной ванны, клипсу снимают с шаблона, и постепенно нагревают до полного смыкания браншей. Измеряют величину обратимой деформации и реактивное усилие: они равны соответственно ε_r=4,5% и F_r=2.4 Н. Клипсу помещают в среду с температурой 0°C и измеряют величину ОЭПФ (ε_TW): она равна 1,5%. Испытания на фантоме бедренной артерии показывает полное пережатие фантома, находящегося под давлением 150 мм рт.ст. при температуре 38°C и восстановление «кровотока» при охлаждении до 10°C. Клипса может быть свободно снята с фантома.

Пример №2 конкретного выполнения

Исходным материалом является клипирующее устройство, изготовленное методом электроэрозионной резки на станке с числовым программным управлением из прутка сплава Ti-50,7% Ni, полученного методом поперечно-винтовой прокатки с последующим охлаждением на воздухе.

Клипирующее устройство очищают от смазки, фиксируют в рабочей форме, предполагающей полное смыкание браншей, помещают в муфельную печь и выдерживают при температуре 450°C в течение 7 ч, после чего закаливают в воду. Клипсу освобождают, помещают в ледяную ванну и укладывают в заранее размещенную в ней специальную матрицу, в которой создают вторую форму с перехлестом дистальных концов браншей на угол 50°. Матрицу с клипирующим устройством помещают в муфельную печь и выдерживают при температуре 450°C в течение 3 ч, после чего закаливают в воду. Клипсу извлекают из матрицы, матрицу помещают в ледяную ванну и укладывают в матрице клипсу с перехлестом браншей в противоположную сторону. Матрицу с клипирующим устройством помещают в муфельную печь и выдерживают при температуре 450°C в течение 1 ч, после чего закаливают в воду. Клипсу извлекают из матрицы, окисный слой удаляют травлением.

Бранши клипсы разводят на угол 75° при комнатной температуре на специальном шаблоне, выдерживают 30 сек и размещают в среде с температурой 0°C где выдерживают 1 мин. Температуру среды понижают до -20°C, выдерживают 1 мин, снимают с шаблона, и постепенно нагревают до полного смыкания браншей. Эту процедуру повторяют 3-5 раз. Измеряют величину обратимой деформации и реактивное усилие: они равны соответственно ε_r=6% и F_r=2.6 Н. Клипсу помещают в среду с температурой 0°C и измеряют величину ОЭПФ (ε_TW): она равна 2%. Испытания на фантоме бедренной артерии показывают полное пережатие фантома, находящегося под давлением 150 мм рт.ст. при температуре 38°С и восстановление «кровотока» при охлаждении до 10°C. Клипса может быть свободно снята с фантома.

Предлагаемый способ позволяет реализовать в клипирующем устройстве комплекс функциональных характеристик, необходимых для временного создания гемостаза в сосудах и атравматичного извлечения.