Superelastické stenty ze slitiny NiTi spolupráce FZÚ AVČR s firmou Ella-CS Tumor Obrázek 1: Pletené jícnové stenty vyráběné firmou Ella-CS Firma Ella-CS vyrábí lékařské implantáty, konkrétně speciální výztuže trubic v těle (stenty) pletené z tenkých drátů z oceli, superelastické slitiny NiTi (nitinol) či biodegradabilních plastů. V oboru pletených jícnových stentů (obr. 1) je firma předním světovým výrobcem dodávajícím své výrobky do celého světa. Spolupráce firmy Ella-CS s Oddělením funkčních materiálů Fyzikálního ústavu AVČR, v.v.i., kde se od roku 2000 zabýváme výzkumem a vývojem nejrůznějších technických aplikací slitiny NiTi, se týká především jícnových stentů pletených z drátů ze superelastické slitiny s tvarovou pamětí NiTi. K čemu stenty slouží Jícnové stenty se používají ke zprůchodnění jícnu při léčení těžce nemocných pacientů, kteří v důsledku nádoru na jícnu nemohou přijímat potravu. Cílem je vyztužit poškozenou část jícnu po omezenou dobu několika týdnů až měsíců a poté implantát z těla vyjmout (obr. 1). Na rozdíl od mnohem rozšířenějších kardiovaskulárních NiTi stentů, které se v těle deformují pouze elasticky a očekává se od nich životnost nejméně 10 let, se nitinolové dráty jícnových stentů deformují superelasticky do velkých deformací a jsou vystaveny působení agresivních žaludečních tekutin. Předpokládaná životnost jícnových nitinolových stentů je několik měsíců. Co jsme společně dokázali Slitina NiTi, díky své elastické paměti - schopnosti zaujmout předem vtisknutý tvar po uvolnění ze zavaděče, se v průběhu posledních třiceti let stala klíčovým materiálem pro mikroinvazivní lékařské operační postupy. Využívá se však i v dalších technických oborech pro senzory, aktuátory, spínače či tlumící prvky. Vedle stále se rozšiřujícího akademického
výzkumu materiálů NiTi existuje celosvětová komunita vědců, inženýrů a techniků sdružujících se ve společnosti SMST ASM International, která prosadila využití superelastických technologií v lékařství. Nitinolové stenty se vyrábí, buď pletením z tenkých vláken (ruční i strojové) nebo laserovým vyřezáváním z tenkostěnných trubiček. V současnosti nastupuje éra technologií miniaturních nitinolových stentů vyráběných litografickým leptáním nebo laserovým řezáním tenkých nitinolových filmů připravených prostřednictvím technologií magnetronového naprašování. Spolupráce FZÚ a firmou Ella-CS probíhající zhruba od roku 2000 se zpočátku týkala převážně drobných úprav technologie tepelného zpracování pletených nitinolových stentů. Upletený implantát je v konečné fázi výroby vystaven teplotě přibližně 500 C v definovaném tvaru po několik minut ve speciální fluidní peci. Během této doby se nastaví nejen jeho tvar, ale současně i funkční superelastické vlastnosti a na povrchu naroste tenká oxidická vrstva chránící kovový materiál proti korozi v lidském těle. Sebemenší změny v technologickém postupu výroby, zejména při konečné termomechanické úpravě, zásadně ovlivní vlastnosti stentu. Firma Ella-CS částečně využívá knowhow pracovníků FZU získané dlouhodobým studiem unikátních funkčních termomechanických vlastností nitinolu, materiálových procesů během termomechanického zpracování a vlivu tenkých oxidických vrstev na povrchu prvků NiTi na mechanokorozní vlastnosti NiTi. V letech 2004-14 se oba partneři spolupracovali v několika aplikačně zaměřených Evropských projektech (FP6 AVALON, Loose&Tight, FP7 SMARTNETS) cílených na výzkum a vývoj hybridních textilních materiálů s integrovanými vlákny NiTi a jejich využití v lékařství. Desetiletý výzkum v oboru funkčních NiTi textílií (nejen s Ella-CS ale i s zahraničními partnery - např. DITF Denkendorf, TEA srl., Texinov či DAppolonia) vedl k několika národním i mezinárodním patentům, například na metodu pulzního a kontinuálního žíhání vláken NiTi elektrickým proudem, na Stentgraft kombinující vlastnosti kovového stentu a lékařské textílie vykazující velkou pevnost, nízkou propustnost pro tekutiny a malou tloušťku, která umožňuje použití zavaděčů malého průměru, na textilní tlakový senzor nebo na 3D textílie s tepelně nastavitelnou tloušťkou. Obrázek 2: Porušení tracheálního NiTi stent v průdušnici psa
Nicméně ústředním motivem patnáctileté spolupráce FZÚ s firmou Ella-CS bylo něco zcela jiného, a sice problém náhodné korozní únavy a předčasného porušení pletených jícnových a průdušnicových NiTi stentů, které se v těle silně mechanicky deformují (obr. 2). Odvrácenou stranou unikátních superelastických vlastností prvků NiTi implantovaných do těla ve formě tenkých drátů je totiž skutečnost, že se deformuje i povrch kovu, který jej chrání proti účinkům vnějšího prostředí. Pokud se tenký drát v těle opakovaně ohýbá, tak se jeho povrch vratně deformuje několik procent, což není případ běžných kovů. Oxidická vrstva na povrchu NiTi, představující jinak dokonalou ochranu nezatěžovaného materiálu i ve velmi agresivních kapalinách, při tak velké vratné povrchové deformaci popraská (obr. 3). Tím se otvírá prostor pro mechanokorozní procesy v oxidických trhlinách. Chemické pasivační procesy dokáží sice mechanicky narušenou oxidickou vrstvu velmi rychle opravit, ale při cyklickém namáhání je situace složitější a vede v některých případech až k selhání implantovaného stentu. Protože ale nebyl známý mechanismus porušování, nebylo jasné proč stenty selhávají náhodně. Při vědomí potenciálního nebezpečí, které z tohoto plyne pro pacienta a následně pro výrobce implantátu, se firmy snaží separovat povrch svých implantátů od okolního prostředí plastovými povlaky. To však problém řeší jen částečně a navíc to má negativní dopady na jiné vlastnosti NiTi implantátů. 1 m Obrázek 3: Trhliny pozorované v tenké oxidické vrstvě na povrchu drátu NiTi vznikající v průběhu tahové zkoušky v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Deformace drátu probíhá pohybem čela makroskopického smykového pásu označeného v obrázku oranžovou čarou, za nímž se objevují trhliny v povrchovém oxidu. Čím se ve FZÚ chlubíme Ve Fyzikálním ústavu AVČR jsme sice od počátku věděli, že skutečným zdrojem problémů je pravděpodobně snížená únavová odolnost NiTi drátů namáhaných v kapalinách. Jenže proč je tomu tak, když 30 let výzkumu slitin NiTi v lékařství jasně prokázalo, že jejich korozní vlastnosti jsou vynikající a mechanické vlastnosti na vzduchu jsou také relativně dobré? K výzkumu příčin porušování prvků NiTi cyklicky namáhaných v kapalinách jsme se dostali
až po roce 2013, kdy se podařilo vybavit naše laboratoře moderním experimentálním zařízením nutným ke studiu tenkých oxidických povlaků na povrchu NiTi, které hrají v procesu mechanokorozního porušování NiTi klíčovou roli. Obrázek 4: Zařízení FATTER k provádění in-situ elektrochemických měření během mechanické únavy kovových vláken. Vyvinuli jsme a vyrobili unikátní zařízení (obr. 4), s jehož pomocí dokážeme současně sledovat mechanickou odezvu a elektrochemické procesy na povrchu kovu, který se cyklicky deformuje v agresivních kapalinách. Na obrázku 5a je současně s mechanickým záznamem síla-prodloužení v 1. cyklu tahové únavové zkoušky vynesen průběh současně měřeného elektrochemického potenciálu (Open Circuit Potential, OCP) a v obrázku 5b pak vývoj OCP během únavové zkoušky. Je zřejmé, že elektrochemický potenciál reaguje na vývoj stavu povrchu vzorku během zkoušky. Protože se jedná o metodu zcela novou, klíčovou otázkou pro nás bylo zjistit, jak vývoj OCP souvisí s únavovým porušováním. Výzkum trval 2 roky, zásadním způsobem se na něm podílel odborník na elektrochemii Ing. J. Racek, který spolu s Ing. J. Pilchem a Ing. L. Kadeřávkem zařízení FATTER vyvinuli, Ing. L. Recman z firmy Ella-CS a diplomanti Klára Hirmanová a student Marc Stora z Francie. V nedávno publikovaném vyzvaném článku v časopise Shape Memory and Superelasticity jsme tuto novou elektrochemickou metodu studia korozní únavy NiTi implantátů představili a navrhli mechanismus vedoucí k porušování NiTi stentů (obr. 6) spočívající v adsorpci vodíku
vznikajícího při cyklických mechanochemických procesech na povrchu kovu, transportu vodíku dovnitř fázově transformujícího materiálu, vodíkovému křehnutí vedoucímu k předčasnému vzniku a šíření únavových trhlin v kovu a následnému porušení a lomu. Obrázek 5: Výsledky in-situ elektrochemické únavové tahové zkoušky na drátu NiTi. OCP značí elektrochemický potenciál. Obrázek 6: Mechanismus nukleace a šíření trhlin od povrchu drátu NiTi pokrytého tenkým oxidickým povlakem, který se cyklicky deformuje v kapalině prostřednictvím vodíkového křehnutí. Podrobný popis navrhovaného mechanismu lze nalézt v originálním odborném článku (J. Racek a kol., Shape Memory and Superelasticity 2015, in print)
Jak dál Jak už tomu často v akademickém výzkumu bývá, firma Ella-CS nemohla 15 let čekat a pokrývá dnes většinu svých nitinolových jícnových stentů plasty a navíc se výrazně ve světě prosazuje s originálními biodegradabilními stenty, které velmi elegantně řeší klíčový problém komplikovaného vyjímání kovových stentů z těla pacienta po uzdravení. Nicméně problém únavového porušování NiTi stentů v kapalinách tím nezmizel a dál trápí firmy vyrábějící NiTi implantáty, zejména pak výrobce NiTi drátů pro lékařské aplikace, s nimiž v současnosti úzce spolupracujeme. Navíc se únava slitin NiTi v kapalinách ukazuje být překážkou uplatnění superelastických technologií v řadě dalších oblastí techniky, jako například v senzorech, aktuátorech, ventilech, motorech, generátorech elektrického proudu či elastokalorických chladičích, kde je prvek NiTi cyklicky mechanicky namáhán v kapalinách. Klíčem k řešení problémů s únavou NiTi v kapalinách, vedle fázových transformací, se tak ukazuje být porozumění mechanochemickým procesům v nanometrických oxidických vrstvách na povrchu cyklicky deformovaného kovu v kapalině, kterými se v současné době intenzivně zabýváme. Jak postupně zjišťujeme, vrstvy oxidů TiO 2 narostlých na povrchu NiTi nabývají mnoho nejrůznějších forem, parametrů (morfologie, tloušťka) a vlastností (mechanických, elektrochemických, korozních, biokompatibilních). Vlastnosti vrstev pak závisí na použité slitině, její mikrostruktuře, chemické a mechanické úpravě povrchu drátu, době a způsobu žíhání při konečné termomechanické úpravě stentu a silně ovlivňují únavové vlastnosti stentu v kapalinách. Otvírá se tak před velmi široká oblast mezioborového výzkumu cyklicky namáhaných rozhraní mezi anorganickými implantáty a bioroztoky. Věříme, že se naše společně vyvinuté originální metody a postupy se v tomto hraničním výzkumu uplatní a těšíme se na spolupráci s potenciálními průmyslovými partnery zvažující využití prvků NiTi ve svých produktech. Kontakt: Ing. L. Heller PhD Fyzikální ústav AVČR, v.v.i. Na Slovance 2, Praha 8 18221 česká Republika Email: heller@fzu.cz www: http://ofm.fzu.cz/