Канюков В.Н., Стрекаловская А.Д., Килькинов В.И., Базарова Н.В. Материалы для современной медицины

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

В.Н. КАНЮКОВ, А.Д. СТРЕКАЛОВСКАЯ,

В.И. КИЛЬКИНОВ, Н.В. БАЗАРОВА

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ

МЕДИЦИНЫ

Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учрежде-

ния высшего профессионального образования «Оренбургский государственный

университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по

программам высшего профессионального образования по специальности «Ин-

женерное дело в медико-биологической практике»

Оренбург 2004

ББК 34.7 я7

М 34

УДК 615.47 (07)

Рецензент

Генеральный директор ГУП ОПТФ «Медтехника» В.П. Макаренко

В.Н. Канюков, А.Д. Стрекаловская, В.И. Килькинов,

Н.В. Базарова

М 34

Материалы для современной медицины: Учебное пособие.–

Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 113с.

ISBN

В пособии рассмотрены физико-химические свойства, сравнитель-

ные характеристики и области применения материалов для современной

медицины.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по

программам высшего профессионального образования по специальности

190600, при изучении дисциплины «Органические композиционные мате-

риалы в медицине», а так же для занимающихся проблемой разработки ме-

дицинских инструментов, изделий медицинской техники, кратковременно

или длительно заменяющих функции человеческих органов.

2706040000

ББК 34.7 я7

ISBN  Канюков В.Н., Стрекаловская

А.Д.,

Килькинов В.И., Базарова Н.В., 2004

 ГОУ ОГУ, 2004

Введение

Наше общество вступило в период, который все чаще называют эрой

новых технологий и новых материалов. Грандиозные достижения фундамен-

тальной науки, небывалая интеграция науки и техники стали катализаторами

изменений, происходящих в нашей жизни, и это, в большей степени, относится

к конструкционным и функциональным материалам, которые и создают окру-

жающий нас материальный мир. Медицина в отличие от других областей зна-

ний и практики, в наибольшей степени использует все то, что создали совре-

менная наука и производство. С другой стороны, именно медицина, как никто

другой, в решении проблем сохранения жизни и здоровья людей, постоянно

ставит задачи перед различными отраслями науки и техники. Особенно это ка-

сается средств воздействия на отдельные органы человека, временного или

длительного замещения их функций.

Основополагающей, в этом случае, является задача применения сущест-

вующих и создания современных материалов для разработки новых технологий

и производства более качественных изделий медицинской техники. Чем больше

медицина проникает вглубь человеческого организма, познает его законы на

клеточном и генетическом уровнях, тем больше возникает потребность в ис-

пользовании существующих и создании новых материалов, совместимых с от-

дельными органами человека, не оказывающих вредного влияния на его здоро-

вье. В современной медицине используются изделия из материалов, создавае-

мых в металлургии, химической, нефтяной и газовой промышленности, с при-

менением биохимических, биофизических и генно-инженерных методов. Это

металлы и сплавы, пластмассы и полимеры, жидкие кристаллы, композицион-

ные и другие материалы.

Для повышения качества, надежности и экономичности изделий меди-

цинской техники при снижении их материалоемкости разрабатываются высоко-

эффективные методы повышения прочностных свойств, коррозийной стойко-

сти, тепло- и хладостойкости сплавов; расширяется производство новых поли-

мерных и композиционных материалов с заданным комплексом свойств; ис-

пользуются эффективные методы обработки материалов и изделий с целью су-

щественного улучшения их свойств.

Поверхностные слои во многом определяют работоспособность деталей

машин, поэтому износостойкость и коррозийная стойкость деталей полностью

зависят от состояния их поверхности. Применением износостойких покрытий

стремятся решить проблему экономии вольфрама в инструментальных сталях, а

также повысить работоспособность деталей из конструкционных сталей. ион-

ная имплантация снижает точечную коррозию. Задача создания высокожаро-

стойких и жаропрочных сплавов для новой техники неразрывно связана с раз-

работкой надежных защитных покрытий. Поверхностное легирование приводит

к экономии дефицитных металлов, так как в этом случае их требуется меньше,

чем при объемном легировании сплавов, с целью получения указанных специ-

фических свойств.

Перед инженером, работающим в сфере производства, эксплуатации и

технического обслуживания медицинской техники, часто встает проблема вы-

бора необходимых материалов, решение которой, в первую очередь, определя-

ется информированностью специалиста о материалах, применяемых в медици-

не, их свойствах (физических, химических, биофизических и биохимических),

их совместимости с тканями органов человека и характере воздействия на них.

Задача настоящего пособия - дать научно обоснованную информацию о

материалах, применяемых в современной медицине, особенно материалах с за-

данными свойствами. Известно, что восстановление здоровья людей, функций

отдельных органов исторически начиналось с применения природных материа-

лов. По мере развития общества, в медицине стали применяться материалы,

создаваемые в процессе деятельности различных отраслей промышленности. В

дальнейшем медицина становится заказчиком производства в соответствую-

щих отраслях производства, занимающихся созданием материалов для медици-

ны и медицинской промышленности. От металлов к различным видам неорга-

нических, органических и композиционных материалов - такова история их

применения в медицине. Именно в таком историческом аспекте в настоящем

учебном пособии представлена информация о материалах для современной ме-

дицины.

1 Металлы и сплавы

1.1 Понятие сплавов

Железный инструмент начали применять еще в первом тысячелетии до

нашей эры и с тех пор использовали его как для созидания, так и для разруше-

ния. На протяжении 2,5 тысячелетий развитие металлургии характеризуется не

только количественным, но и качественным совершенствованием металличе-

ских материалов. Известно, что век чистого железа давно миновал, в настоящее

время человечество сталкивается с гораздо более широким толкованием желез-

ного века, именуемым веком металлов. Появляются стали и сплавы, обладаю-

щие новыми механическими свойствами и качественными показателями. От-

крываются новые свойства известных металлов, создаются сплавы с необыч-

ными свойствами.

Методы получения сплавов:

1) метод сплавления - металлические сплавы получают от двух и более метал-

лов, путем сплавления металлов с неметаллами;

2) метод спекания порошков нескольких металлов. Сплавы, полученные мето-

дом спекания, обладают более высоким качеством. Элемент, входящий в со-

став сплава, называется компонентом. Преобладающий в сплаве компонент

называется основным. Компонент, вводимый в сплав для придания нужных

свойств, называется легирующим. Совокупность элементов сплава называется

системой.

Сплавы классифицируют:

- по числу компонентов - на двойные (бинарные), тройные, четверные и мно-

гокомпонентные;

- по основному элементу – железистые, алюминиевые, магниевые, титановые,

медные;

- по применению – конструкционные, инструментальные, жаропрочные, анти-

фрикционные, пружинные, шарикоподшипниковые;

- по плотности – тяжелые (на основе вольфрама, рения, свинца и т.д.) и легкие

(на основе алюминия);

- по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий – литейные, дефор-

мируемые, спечные, гранулированные, композиционные.

1.2 Понятие о конструктивной прочности металлов (сплавов)

Механическими называют свойства материала, определяющие его со-

противление действию внешних механических нагрузок. Это определение от-

носится как к металлическим сплавам, так и к другим материалам.

Прочность металла при статическом нагружении – это свойство, оп-

ределяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стан-

дартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел те-

кучести и временное сопротивление.

Конструктивную прочность материала (металла) характеризует ком-

плекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу

в условиях эксплуатации.

Один из путей повышения прочности – это получение многослойных

прочных композиционных материалов методом порошковой металлургии,

ультразвуковой, магнитной, лазерной обработкой, а также обработкой высоким

давлением. Конструктивная прочность определяется критериями прочности,

надежности и долговечности.

Надежность - это способность материала противостоять хрупкому раз-

рушению. Критериями надежности является пластичность, вязкость разруше-

ния, ударная вязкость, хладноломкость.

Долговечность - это способность материала (металла) сопротивляться

развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность изготов-

ленной из него детали в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой

понимается способность материала сопротивляться усталости или постепенно-

му накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся на-

грузок.

Долговечность работы металла (материала) в критериальной форме,

прежде всего, выявляет усталостную прочность. Чем лучше обработана по-

верхность, тем выше предел выносливости материала (изделия), а проведение

химико-термической или другой упрочняющей обработки обеспечивает наве-

дение на поверхности остаточных напряжений сжатия, что повышает предел

выносливости. Долговечность деталей из того или другого материала лимити-

руется износом. Долговечность материалов можно повысить путем увеличения

прочности:

1) повышением плотности легированной стали (под влиянием углерода);

2) термической обработкой (нагрев, охлаждение);

3) химико-термической обработкой.

1.3 Классификация и маркировка углеродистой стали

Стали, классифицируются по признакам:

1) по химическому составу:

- углеродистые (низкоуглеродистые – содержание углерода до 0,25 %;

среднеуглеродистые – содержание углерода 0,25–0,6 %; высокоуглероди-

стые – содержание углерода выше 0,6 %);

- легированные (в состав кроме углерода входят такие элементы как

вольфрам, медь, кобальт, молибден, титан, хром, цирконий и т.д., для прида-

ния стали тех или иных заданных свойств);

2) по назначению:

- конструкционные;

- инструментальные;

- специальные (нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустой-

чивые, электротехнические и другие);

3) по качеству:

- обыкновенные (до 0,06 % S; 0,07 % Р);

- качественные (до 0,035 % S; 0,035 % Р);

- высококачественные (не более 0,025 % S; 0,025 % Р);

- особовысококачественные (не более 0,015 % S; 0,25 % Р).

Маркировка

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буква-

ми и цифрами Ст0,…,Ст6 (Ст – сталь, 0-6 условный номер марки) в зависимо-

сти от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем

больше содержание углерода в составе стали, соответственно выше прочность

и ниже пластичность. В зависимости от гарантируемых свойств углеродистые

стали обыкновенного качества делят на три группы:

1) А (в маркировке стали не указывается) – гарантированные механические

свойства;

2) Б – гарантируемые химические свойства;

3) В – гарантируемые химические и механические свойства.

Степень раскисления – обозначается индексом, стоящим справа от но-

мера марки: КП – кипящая сталь, ПС – полуспокойная сталь, СП – спокойная

сталь. Например: сталь Ст1КП – сталь группы А, кипящая; БСт3СП – сталь

группы Б, спокойная; ВСт5ПС – сталь группы В, полуспокойная и т.д.

К качественным углеродистым конструкционным сталям предъявляют

повышенные требования по химическим и механическим свойствам.

Конструкционные качественные стали можно разделить на следую-

щие группы:

1 группа – низкоуглеродистые листовые стали (05КП, 08,08КП, 10, 10КП) без

термической обработки, хорошо штампуются вследствие их высокой пластич-

ности, хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Используются

для производства мало нагруженных деталей машин, крепежных изделий, а

также сварных конструкций. Пример: метизы, шайбы, скобы и др.

2 группа – (15, 20, 25) низкоуглеродистые стали – хорошо свариваются и обра-

батываются резанием. Используются для неответственных деталей машин, без

термической обработки или в нормальном состоянии, в деталях с повышенной

износостойкостью (после цементации) и соответствующей термической обра-

боткой, но не подвергающихся высокой нагрузке. Пример: кронштейны, паль-

цы и др.

3 группа – (самая значительная) среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50) –

подвергающиеся термической обработке. Хорошо обрабатываются на металло-

режущих станках в отожженном состоянии. Применяются в ответственных де-

талях машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

4 группа – высокоуглеродистые стали (60, 65, 70, 75, 80, 85). После термиче-

ской обработки приобретают высокую прочность, износостойкость и упругость.

Из них делают пружины, рессоры, прокатные валики, замковые шайбы.

1.4 Инструментальные стали. Маркировка, свойства и область при-

менения

К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовле-

ния штампового, режущего, измерительного и другого инструмента.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом:

впереди ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание угле-

рода в десятых долях процента. Например, сталь марки У12 (содержит 1,2 % С),

для обозначения высокого качества в конце ставится буква А, а затем на осо-

бовысококачественных ставится буква Ш.

В маркировке специальных марок стали:

1) А – обозначает автоматную сталь (А30);

2) Р – быстрорежущую сталь (Р12);

3) Ш – шарикоподшипниковую (ШХ15);

4) Э – электротехническую и т.д.

Инструментальные стали делят на углеродистые, легированные, быстро-

режущие.

К качественным углеродистым инструментальным сталям относится

сталь марок У7 – У13. Из сталей этих марок изготавливают несложные по кон-

фигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инстру-

менты изготавливают из сталей марок У7А - У13А. Для прочности сталь зака-

ливают в воде при температуре 770 – 810 °С.

Легированные углеродистые стали маркируют цифрами и буквами.

Двухзначное число, стоящее в начале марки, соответствует среднему содержа-

нию углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на наличие легирую-

щих элементов: Б - Nb, В - W, Г - Mn, Д - Cu, Е - Se, К - Co, М - Mo, Н - Ni, П -

P, Р - B, С - Si, Т - Ti, Ф - V, Х - Cr, Ц - Zr, Ч – редкоземельный элемент,

Ю - Al. Число, стоящее после буквы, показывает примерное процентное

содержание легирующего элемента, символизируемого буквой. Отсутствие

числа указывает, что среднее содержание соответствующего элемента не

превышает 1,0 – 1,5 %. Буква А в конце марки показывает, что сталь

высококачественная (А внутри марки соответствует легирующему элементу -

азоту), буква Ш - особовысококачественная. Например, сплав марки 20ХН3А –

конструкционная высококачественная сталь, содержащая (в среднем) 0,20 % С,

3 % Ni и не более 1,5 % Cr .

«А» в начале марки, указывает, что сталь автоматная, т.е. обладающая

хорошей обрабатываемостью резанием. Такие стали имеют повышенное со-

держание серы. Кроме того, они могут быть дополнительно легированы свин-

цом, селеном или кальцием.

Легированные инструментальные стали обычно маркируют одно-

значным числом, указывающим на среднее содержание углерода, выраженное в

десятых долях процента, и буквами, обозначающими легирующие элементы.

После закалки легированные инструментальные стали, имеют твердость

от 62 HRC

до 64 HRC

. Их отличает повышенная вязкость, меньшая склон-

ность к деформациям, трещинообразованию. Из стали марок 9ХС, ХВГ, В1,

ХВ5 изготавливают инструменты сложной конфигурации для конструкторских

целей.

Быстрорежущие стали используют для изготовления режущего инст-

румента, используемого на металлообрабатывающем оборудовании с высокими

скоростями . В их состав входят карбидообразующие элементы такие, как вана-

дий, кобальт, молибден, хром, вольфрам.

В сталях марок Р6, Р9, Р12, Р18 цифра после буквы указывает на про-

центное содержание вольфрама (чем больше процентное содержание, тем каче-

ство стали лучше).

1.5 Стали и сплавы с особыми свойствами

По электрическим свойствам материалы могут быть проводниками, по-

лупроводниками и диэлектриками.

Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного

электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости,

криопроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электросопротив-

лением.

Среди металлов высокой проводимости широко распространены медь

(удельное сопротивление ρ = 0,017 мкОм ⋅ м), алюминий (ρ = 0,028 мкОм ⋅ м) и

железо (ρ = 0,098 мкОм ⋅ м). Имеют практическое значение также серебро

(ρ = 0,006 мкОм ⋅ м) и золото (ρ = 0,022 мкОм ⋅ м). Железо значительно уступа-

ет меди и алюминию по электропроводности, но оно обладает более высокими

механическими характеристиками. В качестве проводникового материала желе-

зо (низкоуглеродистые стали) применяют в тех случаях, когда прочностные

свойства имеют решающее значение.

К криопроводникам относятся материалы, приобретающие при глубо-

ком охлаждении (ниже 100 К) высокую электрическую проводимость, но не пе-

реходящие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов явля-

ется алюминий особой чистоты А 999 (99,999 % Al).

К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением

(не менее 0,3 мкОм ⋅ м) относятся медноникелевые сплавы: магнанин

(МНМц 3-12), константан (МНМц 40-1,5); сплавы на основе никеля: нихромы

(Х20Н80, Х15Н60); на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель (0Х23Ю5)

и др.

Сплавы высокого электросопротивления (нихромы, фехраль, хромель и

др.) применяют для изготовления нагревательных элементов электрических

приборов. Рабочие температуры таких сплавов 900 – 1200

С.

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойст-

вом которых является способность поляризоваться в электрическом поле. Для

диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного

электрического тока. Важнейшей характеристикой диэлектрических материа-

лов является электрическая прочность. Ферромагнитные материалы в зависи-

мости от конфигурации их петли магнитного гистерезиса подразделяют на маг-

нито-твердые и магнито-мягкие.

Магнито-твердые сплавы используют для изготовления постоянных

магнитов. Они имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной

(размагничивающей) силой К

, равной 5,103 – 5,106 А/м, и обладают значи-

тельной магнитной энергией, пропорциональной величинам К

и остаточной

магнитной индукции Br.

Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть использо-

ваны углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют, высокоугле-

родистые стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХ3, ЕХ5К5 и др.). Леги-

рующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, повышают его коэрци-

тивную силу и магнитную энергию. Широкое применение получили литые

сплавы типа алнико, например ЮНДК15, ЮНДК40Т8АА, обладающие значи-

тельно большей коэрцитивной силой и магнитной энергией, чем легированные

стали. В качестве материалов постоянных магнитов применяют сплавы систе-

мы Fe-Ni-Al, сплавы на основе редкоземельных металлов (Sm, Pr, Y), получае-

мые методом порошковой металлургии.

Из магнито-мягких сплавов изготавливают электромагниты, магнито-

проводы электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и

аппаратов. Основные требования, предъявляемые к магнито-мягким материа-

лам – низкая коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная

проницаемость, высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи

и перемагничивание.

Магнито-мягким материалом является, например техническое железо.

Оно обладает достаточно высокой начальной и максимальной магнитной про-

ницаемостью (µ

= 0,3 мГн/м и µ

max

= 9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой

(Н

= 64 А/м). Недостатком железа является низкое удельное электросопротив-

ление (ρ не более 0,1 мкОм ⋅ м), обусловливающее значительные тепловые по-

тери, связанные с вихревыми токами, возникающими при перемагничивании.

Наиболее широкое распространение в качестве магнито-мягких материалов,

работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), получили

кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение крем-

ния – увеличение удельного сопротивления стали, и, следовательно, сокраще-

ние потерь при перемагничивании.

1.6 Использование сплавов с эффектом памяти формы в медицине

По данным, имеющимся в литературе, в настоящее время в развитых

странах мира используют при различных операциях более 2,5 млн. металличе-

ских конструкций, вживляемых в организм. Однако крепление их в живом ор-

ганизме производится при помощи различного рода винтов, гаек, спиц, пластин

и т.д., что, несомненно, связанно с введением в тело относительно объемных

дополнительных инородных элементов. Эти элементы угнетают, а порой и на-

носят травмы окружающим тканям, оказывая отрицательное влияние на них.

Они не всегда дают ожидаемый эффект. Известно, что одним из важных усло-