NiTi形状记忆合金薄膜的制备及其在生物微机电系统中的应用基础研究

摘要

随着科技的飞速进步，21世纪将成为生命科学、微电子技术、材料科学等交叉融合发展的黄金时代。应运而生的生物微机电系统（bio micro-electro-mechanical systems, BioMEMS），是一种能将复杂的医学诊疗过程集成在微观的空间中使其智能化、信息化的技术，目的是为人类提供更便捷、无痛苦、安全可靠的诊疗方法。NiTi形状记忆合金是一种医用金属材料，具有独特的形状记忆和良好的生物相容性。制成薄膜后，它在保持形状记忆性能的同时，较大的比表面积还弥补了块体形状记忆材料温度响应效率低的缺点。因此，对NiTi薄膜在BioMEMS应用的研究已经开展并初具规模。本实验就NiTi薄膜的制备及在BioMEMS中的应用做了一些基础研究，具体如下： 1. 磁控溅射法制备NiTi形状记忆薄膜，系统地研究并总结了溅射参数（功率、气压、基片和靶材）对薄膜成分、厚度及性能的影响。研究了NiTi薄膜及器件的光刻法加工工艺。 2. 用XRD法研究薄膜室温组织的变化，探讨溅射参数及不同薄膜成分和热处理条件对NiTi薄膜室温组织和相变温度的影响。得到的结论包括：薄膜的室温组织随着Ti含量的升高呈现从奥氏体向马氏体转变的过程，说明马氏体相变的温度随着Ti含量的升高而升高；在本实验的条件下，薄膜溅射态择优形成了奥氏体（200）面取向的晶体。 3. 观察薄膜的微观形貌，探讨了溅射参数对薄膜微结构的影响。结果包括：较高的溅射气压使薄膜形成了岛状的微观结构，使薄膜变得多孔疏松；溅射功率的降低使薄膜的岛状结构变得细密；基片的加热可以使薄膜结构致密化，在未加热的基片上形成的薄膜多孔，且存在大量微裂纹。 4. 提出了一种以NiTi薄膜驱动的生物微机电载药元器件，实现药物的可控释放，并利用有限元模拟软件进行仿真模拟。本实验通过系统地研究和分析，有效调整了薄膜磁控溅射的工艺参数，从生长机制的角度讨论了溅射参数对薄膜微结构及性能的影响。提出一种以可控载药为基础的NiTi薄膜智能微型载药元件的设计，为NiTi薄膜在生物微机电系统的应用开拓并提供了新的思路。