Switchable microtopographies based on the two-way shape memory effect in nickel-titanium alloys

Abstract

Nickel-titanium (NiTi) shape memory alloys are functional materials that are capable of undergoing a reversible temperature-induced shape change. Specifically in martensitic NiTi alloys, a reversible two-way shape memory effect can be induced using indentation techniques enabling a temperature-induced change in topography. Combining switchable topographies with nano- or microstructures could expand the properties of functional surfaces, and in addition make the surfaces responsive to their environment. For example, it would be possible to change the adhesive properties of surfaces with switchable dry adhesive microstructures or to control celladhesion on implant materials with specific nano- and micro-switchable structures. In this study, the indentation induced two-way shape memory effect was investigated in different NiTi alloys. In particular, the effects of alloy microstructure, deformation parameters (training) and thermal treatments on switchability were explored. In an austenitic NiTi alloy a specific thermal treatment led to the formation of coherent precipitates, which were shown to be crucial for the two-way shape memory behavior; exceeding the phase transformation temperature considerably decreased the switchability of the topography. At higher temperatures the stabilized martensite, which is required for an oriented phase transformation and consequently for the two-way shape memory behavior, transforms to austenite. An embossing and an electrochemical forming process were developed to prepare switchable topographies on larger areas. Both methods led to surface arrays on NiTi with two-way shape memory topographies. Finally, two approaches were presented, which use the switchable topographies to enable switching of a formerly passive surface function. In combination with bioinspired dry adhesive structures, the switchable NiTi topography led to a reversible, temperature-induced change of the adhesive properties of the surface. Secondly, the two-way shape memory effect was transferred to an alloy system with a phase transformation temperature near body temperature and a small width of hysteresis. By this, a switchable topography was induced, which is controllable within a physiological temperature range. The only issue impeding the use of this switchable surface for experiments on cell-surface interactions is an increased leakage of harmful copper ions. Therefore, surface passivation through oxidation is presented as a method to reduce the ion leakage.

Nickel Titan (NiTi) Formgedächtnislegierungen ermöglichen eine Formänderung als Funktion der Temperatur. Bei martensitischen NiTi-Legierungen kann durch Indentieren der Oberfläche ein reversibler Zwei-Weg Formgedächtniseffekt induziert werden, der die Ausbildung thermisch schaltbarer Topographien bewirkt. Die Kombination dieser schaltbaren Topographie mit funktionalen Nano- oder Mikrostrukturen erlaubt die Entwicklung von Oberflächen mit schaltbaren Eigenschaften. Beispielsweise ließe sich durch eine schaltbare Topographie das Zellwachstum auf Implantatmaterialien steuern, oder in Kombination mit trocken-adhäsiven Mikrostrukturen, die Adhäsionseigenschaften einer Oberfläche regulieren. In der vorliegenden Arbeit wurde der indentations-induzierte Zwei-Weg Formgedächtniseffekt in verschiedenen Legierungen untersucht, insbesondere der Zusammenhang zwischen Schaltbarkeit und Verformung, Mikrostruktur und Temperaturänderung. In einer austenitischen NiTi-Legierung führte eine gezielte Temperaturbehandlung zur Bildung kohärenter Ausscheidungen, welche sich als entscheidend für eine schaltbare Topographie gezeigt haben. Wurde die Phasenumwandlungstemperatur weit überschritten, wandelte sich der für den Zwei-Weg Formgedächtniseffekt notwendige stabilisierte Martensit in Austenit um, was eine Rückumwandlung der Topographie verhindert. Um schaltbare Topographien auf größeren Flächen zu erzeugen, wurden ein Kaltpräge- und ein elektrochemisches Abtragungsverfahren entwickelt. Beide Methoden ermöglichten die Herstellung von schaltbaren NiTi- Oberflächen. Dass dynamische Topographien in NiTi für die Schaltbarkeit einer passiven Oberflächenfunktion genutzt werden können, wurde in zwei Ansätzen aufgezeigt. In Kombination mit bioinspirierten Haftstrukturen wurde eine reversible temperatur-induzierte Änderung der adhäsiven Eigenschaften einer Oberfläche ermöglicht. Außerdem wurde der Zwei-Weg Formgedächtniseffekt auf ein quaternäres Legierungssystem mit einer Phasenumwandlungstemperatur nahe der Körpertemperatur und schmaler Hysteresebreite übertragen. Hieraus resultierte eine Oberfläche, deren Topographie sich innerhalb eines physiologisch tolerierbaren Temperaturfensters schalten lässt. Einzig eine erhöhte Abgabe von zellschädigenden Kupferionen stand der Untersuchung einer Zellwechselwirkung mit der schaltbaren Oberfläche entgegen. Mit dem Ziel die Ionenabgabe zu reduzieren, wurde deshalb die Oberfläche durch Oxidation passiviert.