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

Подождите немного. Документ загружается.

вий для применения любого металлического имплантата является его приспо-

собляемость к окружающим тканям и жидкостям организма.

Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию ща-

дящих имплантатов. Они обладают способностью создавать постоянное по ве-

личине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени. При

исследовании физико-механических свойств костных мягких тканей установ-

лено, что эффект памяти свойственен и живым тканям организма. Разработаны

сплавы с памятью формы, что позволило создавать имплантаты с принципи-

ально новыми функциональными свойстами, которые не разрушаются при мно-

гократном механическом воздействии, проявляют эластичные свойства и ока-

зывают силовое сопротивление в течении длительного времени. Эти материалы

применяют в различных областях медицины, таких как травматология, общая

хирургия, стоматология, урология, сосудистая хирургия и т.д.

Проволоке при температуре 450

С можно придать необходимую форму

(например, пружины), охладить ее до температуры 10

С и выпрямить. После

введения проволоки в организм она вновь примет заданную ранее форму (пру-

жины), выполняя заданную хирургом функцию. При выпрямлении имплантата

из данного материала не при 10

, а при 36

и выше, он восстановит свою

форму без дополнительного нагрева сразу же после снятия деформирующей

силы. Таким способом можно скреплять обломки кости.

Разработаны так же имплантаты с памятью формы для ряда способов

исправления деформации позвоночника. Они основаны на возможности им-

плантатов, с памятью формы, оказывать постоянное по величине силовое воз-

действие на позвоночник в течение всего периода лечения.

Одним из направлений в медицине, где применяются сплавы с памятью

формы, является рентгенохирургия сосудов. Операция производится под мест-

ным наркозом без применения традиционного скальпеля, используя трубки -

катетеры, вводимые внутрь сосуда через тонкие проколы. Наблюдение за дви-

жением катетера и проводимыми манипуляциями ведут при помощи рентгено-

телевизионной установки. Поэтому этот метод называют рентгеноэндоваску-

лярной хирургией («эндо»- внутрь, «васкуляре» - сосуд, перевод с лат.).

Известным фактором является то, что после удаления наростов, бляшек

и тромбов с внутренних стенок сосудов и их расширения не исключено, что че-

рез некоторое время сосуд вновь сузится. И это обстоятельство привело к мыс-

ли о необходимости каким-то образом укрепить стенку сосуда изнутри. Идея

такого укрепления сосудов была заимствована из технических наук, а именно

из области строительства туннелей, внутренняя полость которых укрепляется

железобетонным каркасом. Для создания каркаса сосудов нужен был специаль-

ный материал, обладающий биологической совместимостью с тканями орга-

низма, пластичностью, прочностью и антикоррозийными свойствами. Таким

сплавом оказался нитинол, обладающий памятью формы. Наиболее подходя-

щей формой каркаса оказалась спираль.

По рассмотренной выше технологии проволока сворачивалась в спираль

диаметром на десятые доли миллиметра больше диаметра сосуда, охлаждалась

и выпрямлялась. Затем электрорентгенографом определялось место поражения

сосуда, куда под наблюдением вводился катетер, в котором находилась вы-

прямленная проволока нитинола (протез). После установки протеза на заданное

место катетер удаляется. Нить нагревается до температуры крови и сворачива-

ется в спираль, эластично расширяя стенки сосуда. Такой внутрисосудистый

протез устанавливается на всю жизнь. Установлено, что через некоторое время

после установки протеза на нем вырастает тонкий (около 0,03 мм) слой новой

молодой (гранулированной) ткани. Тромбы на этой поверхности не образуются.

Пока еще возможности этого метода оперативного вмешательства в сосуды ог-

раничены: оперативное вмешательство производится в случаях, когда длина

пораженного участка сосуда не превышает 20 см и не нарушен отток крови из

места закупорки. Естественно, этими достижениями применения сплавов с эф-

фектом памяти формы не ограничены. Будет совершенствоваться, и расширять-

ся диапазон их применения в рассмотренных областях, появятся и новые на-

правления, где будут использоваться сплавы с уникальными свойствами.

2 Лазерная закалка металлических материалов

Одной из лазерных технологий, широко используемых на машинострои-

тельных заводах, является лазерное упрочнение деталей. В результате его при-

менения существенно повышается твердость поверхностных слоев, увеличива-

ется износостойкость и стойкость изделий к коррозии. В отличие от известных

способов термообработки с целью объемного упрочнения материала лазерное

упрочнение имеет следующие особенности.

Это поверхностный процесс, имеющий большую степень локализации, в

силу чего деталь не испытывает искажений формы (коробления). Локальность

позволяет реализовать поверхностное упрочнение на строго требуемых участ-

ках детали. Скорости нагрева и охлаждения в зоне термического воздействия

лазерного облучения велики (достигают около миллиона градусов в секунду).

Время выдержки при высокой температуре практически равно нулю. Нагрев

может происходить до максимальных температур, превышающих температуру

плавления или даже испарения металла.

Наибольшее использование лазерное упрочнение нашло для повышения

стойкости режущих инструментов, валков для прокатки и штампов и для по-

вышения износостойкости контактных поверхностей трущихся деталей (на-

пример, поршней и цилиндров).

В настоящее время начинает развиваться технология упрочнения за счет

лазерного легирования. Одной из проблем лазерного легирования является на-

хождение эффективных способов предварительного нанесения легирующего

элемента на матричную поверхность. Лазерная закалка характеризуется высо-

котемпературным лазерным нагревом поверхности обрабатываемой детали и

последующим быстрым ее охлаждением.

При импульсном лазерном воздействии закаливаемая поверхность дета-

ли (инструмента) нагревается за тысячные доли секунды. Излучение поглоща-

ется в тонком приповерхностном слое и через очень короткое время за счет те-

плопроводности металла может проникнуть на глубину порядка 1 мм. При этом

основной объем детали остается холодным. После лазерного воздействия (обу-

чения) обработанный участок детали со скоростью до 10

град/с остывает за

счет отвода тепла из-за теплопроводности в основной объем металла. Таким

образом, в металлах происходят своеобразные (не достижимые традиционными

методами) структурные фазовые превращения, приводящие к повышению мик-

ротвердости обработанной поверхности, что повышает износостойкость этой

поверхности детали.

2.1 Механизмы упрочнения металлов

Под упрочнением материала понимают повышение его сопротивления

пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Пластическая деформация обычно связана с движением двумерных структур-

ных дефектов - дислокаций, поэтому физическое понимание упрочнения за-

ключается в затруднении перемещения дислокаций.

Рассматривают следующие механизмы упрочнения:

Решеточное упрочнение. Металлы с кристаллическими решетками раз-

ного типа по-разному сопротивляются движению дислокаций (имеют различ-

ное напряжение «решеточного трения»). Если чистое железо (объемно-

центрированная кристаллическая решетка) деформируется относительно легко,

то чистый титан (гексагональная решетка) поддается деформации хуже.

Твердорастворное упрочнение. Это упрочнение металлов, находящихся

в твердых растворах, примесями и легирующими элементами, которые иска-

жают кристаллическую решетку, повышая тем самым напряжение трения.

Дислокационное упрочнение. Перемещающиеся дислокации испытывают

сдерживающее воздействие со стороны других дислокаций, находящихся в ме-

талле.

Зернограничное упрочнение. Сдерживают перемещение дислокаций и

границы зерен и субзерен. Чем мельче зерна, тем сила сдерживания больше.

Дисперсионное упрочнение. Частицы других фаз, остающиеся в металле

или выделившиеся при распаде пересыщенных твердых растворов, оказывают

значительное сопротивление движению дислокаций.

При лазерной обработке реализуются в той или иной степени все ука-

занные механизмы упрочнения. Вклад в упрочнение вносится полиморфными и

фазовыми превращениями, которые в условиях быстрого нагрева и охлаждения

материала имеют определенные особенности и обладают особыми свойствами.

2.2 Остаточные напряжения в металлах после лазерной обработки

Лазерная обработка приводит к специфическому распределению оста-

точных напряжений в материале. Причинами этого являются большие скорости

нагрева и охлаждения, огромные градиенты температуры, вызванные локализа-

цией нагрева. Остаточными напряжениями называют напряжения, существую-

щие в замкнутой системе при отсутствии внешних моментов и сил. Величина и

распределение их таковы, что совокупность всех результирующих сил и мо-

ментов, вызванных этими напряжениями, равна нулю, и система находится в

состоянии механического равновесия. В зависимости от объема, в котором на-

пряжения уравновешиваются, они называются зональными (макроскопически-

ми) или микроскопическими. Условно можно выделить три причины проис-

хождения напряжений:

-деформационные (напряжения, возникновение которых связано с

внешними силами, действующими на систему);

-термические (появляющиеся вследствие температурных градиентов);

-структурные (в результате объемных изменений, сопровождающих фа-

зовые превращения).

Напряжения, возникающие в материале при лазерном облучении, в ос-

новном связаны с градиентами объемных изменений, причиной которых явля-

ются температурные или фазовые изменения. Рассмотрим существующие пред-

ставления о возникновении напряжений при лазерных обработках. При быст-

ром нагреве поверхности металла наружные слои, расширяясь, испытывают

сжимающие напряжения со стороны более холодных внутренних слоев. Если

эти напряжения не превосходят предела текучести при температуре нагрева, то

при охлаждении металла они нивелируются. Однако, вероятнее всего, что при

высокой температуре протекает релаксация напряжений, так как предел текуче-

сти сильно снижается. При охлаждении слоев металла, в которых развилась

пластическая деформация и прошла релаксация напряжений, происходит их

упругое сжатие в большей степени, чем внутренних нагретых слоев, в которых

релаксация напряжений не совершалась. В результате этого в поверхностных

слоях получаются остаточные напряжения растяжения, а в подповерхностных –

сжатия.

Распределение напряжений в материале после лазерной обработки отли-

чается от распределения, которое получается после охлаждения объемно нагре-

того материала. На всех стадиях лазерной обработки наиболее нагреты поверх-

ностные слои, при охлаждении после объемного нагрева внутренние слои могут

иметь более высокую температуру, чем наружные, что вызовет отличающееся

распределение остаточных напряжений. При охлаждении после объемного на-

грева отвод тепла происходит через поверхность и в полученном распределе-

нии остаточных напряжений напряжения на поверхности - сжимающие, в под-

поверхностных слоях - растягивающие.

Тот факт, что на поверхности однофазного материала после лазерного

нагрева получаются растягивающие напряжения, должен приводить к сниже-

нию сопротивляемости трещинообразования и, в частности, к ухудшению уста-

лостных свойств.

В материале, испытывающем фазовые превращения, распределения ос-

таточных напряжений могут значительно отличаться от тех, которые получа-

ются в материале без фазовых превращений. Образование мартенсита (фазы с

меньшей плотностью) в поверхностных слоях материала при резком охлажде-

нии приводит к появлению остаточных сжимающих напряжений на поверхно-

сти, что должно повышать сопротивление образованию трещины.

Для приближенного расчета остаточных напряжений на поверхности из-

делий может быть использована формула

σ = Е (1-Р

/Р

где: σ - остаточные напряжения;

Е - модуль упругости исходного материала;

, P

- плотности исходного и конечного состояния материала.

Видно, что для получения сжимающих остаточных напряжения необхо-

димо, чтобы фазовое превращение протекало с уменьшением плотности и что

чем больше различие плотностей, тем больше и остаточные напряжения в ма-

териале.

2.3 Практика использования лазерного излучения для упрочнения

металлов

Лазерное упрочнение производится как на импульсных, так и непрерыв-

ных лазерных технологических системах на разной плотности мощности (10

Вт/см

) и относительно большой длительности воздействия (порядка еди-

ниц миллисекунд). Оно является сравнительно простой операцией, имеющей

ряд преимуществ перед традиционными методами термообработки. К ним от-

носятся: отсутствие потребности в закалочной среде, высокая скорость опера-

ции, возможность локального упрочнения и упрочнения поверхностей деталей

в труднодоступных местах, регулирование глубины упрочнения, сведение к

минимуму деформации обрабатываемых деталей, совмещение двух или не-

скольких различных режимов термообработки на одной детали, возможность

закалки детали в собранном узле и т.д.

К недостаткам лазерного упрочнения можно отнести небольшую глуби-

ну упрочнения, нанесение поглощающих покрытий, необходимых в ряде случа-

ев для уменьшения отражательной способности обрабатываемых поверхностей,

неэффективность для нагрева больших объемов материала, затруднительность

обработки больших площадей.

В большинстве случаев импульсная лазерная закалка применяется для

дополнительного поверхностного термоупрочнения режущего и штампового

инструментов. Как правило, лазерной закалке подвергаются инструменты,

предварительно термообработанные по традиционной технологии и прошед-

шие последующую финишную операцию. При правильном подборе режимов

лазерной обработки, заметного изменения шероховатости поверхности не на-

блюдается. В результате достигается увеличение стойкости металлорежущих

инструментов от 1,5 до 5 раз в зависимости от их типа, марки материала и ус-

ловий работы.

При необходимости импульсную поверхностную термообработку можно

производить и с оплавлением поверхности, что дает увеличение глубины обра-

ботки, но требует последующей финишной обработки.

Лазерная закалка установками с непрерывным излучением обычно про-

изводится СО

- лазерами, а иногда применяют твердотельные лазеры на алю-

мо-иттриевом гранате. Например, применение СО

лазеров для поверхностного

упрочнения чугунных деталей позволяет повысить их износостойкость

до 5 - 10 раз. Поверхностное упрочнение чугунных деталей с оплавлением по-

верхностного слоя до 50 мкм увеличивает их долговечность, не ухудшая каче-

ства деталей. Этот метод упрочнения нашел применение в автомобилестроении

и других отраслях машиностроения.

2.4 Поверхностное лазерное легирование металлических деталей

Повысить эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей де-

талей машин можно и за счет поверхностного лазерного легирования.

Лазерное

поверхностное легирование производится следующим образом:

- на легируемую рабочую поверхность детали в необходимой пропорции

наносят легирующие элементы в виде порошка и связывающей основы.

- воздействуя лазерным лучом на эту поверхность детали, тонкий ее слой

быстро расплавляют, диффундируя в нее легирующие элементы.

- затем происходит весьма быстрое остывание этой поверхности, что

обеспечивает однородный по структуре слой основного металла, кото-

рый содержит легирующие элементы.

Такая поверхностная обработка позволяет изготавливать детали из более

дешевой углеродистой стали, чем те же детали, изготовленные целиком из до-

рогостоящих легированных сталей. Есть сведения о том, что эксперименты,

проведенные по поверхностному лазерному легированию дешевых углероди-

стых сталей углеродом, хромом и другими элементами дают возможность уве-

личить твердость поверхности с 10 до 65 (по Роквеллу) и улучшить коррозион-

ную стойкость и износостойкость обработанной поверхности.

Для осуществления описываемого процесса необходимо не только на-

гревание, но и расплавление обрабатываемой поверхности. Поэтому для его

реализации требуются большие энергозатраты (в 2-4 раза большая интенсив-

ность лазерного излучения, чем при закалке).

2.5 Лазерное остекловывание

Процесс лазерного остекловывания происходит при быстром плавлении

тонкого поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением за счет

теплопроводности металла. Процесс реализовывается посредством быстроход-

ного сканирования обрабатываемой поверхности лазерным лучом с плотностью

мощности 10

- 10

Вт/см

и временем воздействия 10

-4

- 10

-7

с.

Здесь большое значение имеет скорость остывания металла. При указан-

ных режимах обработки поверхности в металлах не успевает произойти кри-

сталлизация. Поэтому расплавленный слой при быстром охлаждении превра-

щается в однородную (аморфную) стеклообразную массу – металлическое

стекло. Этот слой обладает высокой твердостью и коррозионной стойкостью, а

также стойкостью к истиранию.

3 Неметаллические материалы

К ним относятся пластические, композиционные, резиновые, стеклян-

ные, лакокрасочные материалы, клеи, древесина, керамика, полимеры, минера-

лы. Основной составляющей частью неметаллов являются полимеры – соеди-

нения, состоящие из макромолекул, похожих на вытянутые цепочки, отдельные

звенья которых представляют собой атомные группировки - мономеры.

Полимеры делят на природные (натуральный каучук, асбест, целлюло-

за) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды).

Низкомолекулярные синтетические полимеры (этилен, стирол и др.)

получают 3 способами:

1) полимеризация;

2) поликонденсация;

3) химические превращения.

Характерной особенностью полимеров является тепловое, световое, озо-

новое и атмосферное старение. Процесс самопроизвольного изменения приво-

дит к саморазмягчению и наоборот.

3.1 Минералы

К минералам относятся природные или синтетические вещества, образо-

ванные соединением неметаллов с металлами или их окислами, связанными в

кристаллической решетке.

Среди минералов, получивших наибольшее распространение в произ-

водстве материалов, выделяют кремний, алмаз, корунд и фианит.

I Кремний и его соединения используются для производства стекла, электро-

и гидроизоляционных конструкционных материалов, транзисторов и других

деталей для радиотехники.

II Алмаз – одна из разновидностей кристаллических полимерных модифика-

ций углерода. Кристаллы бесцветные или с легкой окраской, имеют октаэд-

рическую форму и образуют кубические сингонии («син» - равный, «гони-

ус» - угол, пер.с греч.).

Существует три разновидности алмазов:

1) Баллас – состоит из мелких лучистых агрегатов, применяется в ювелирном

производстве;

2) Карбонадо – тонкозернистые пористые агрегаты серого или черного цвета.

Используются для производства режущего инструмента различного назначе-

ния. В медицинской промышленности служит для изготовления лезвий режу-

щего инструмента для микрохирургии, в том числе и для офтальмологии;

3) Борт – пористые кристаллы, непригодные для огранки. Применяется для

производства абразивных материалов.

В настоящее время в промышленности преимущественно используются

синтетические алмазы.

III Корунд – минерал подкласса пористых оксидов Al

. При наличии приме-

сей от 30 % до 40 % магнетита, гематита, шпинели применяется как абра-

зивный материал. Прозрачные разновидности: рубин

(

)

→

CrOAl , сапфир













OAl

используются в радиотехнике (полупроводники), квантовой оп-

тике (кристаллические лазеры). Сапфир, кроме этого, является материалом

для изготовления режущего инструмента, применяемого в микрохирургии.

Кроме природных разновидностей корунда широкое распространение полу-

чил синтетический корунд без добавок – лейкосапфир. Это бесцветный про-

зрачный материал с высокими оптическими свойствами, из которого изго-

тавливаются оптические линзы, в том числе интраокулярные линзы для оф-

тальмологии.

IV Фианит – искусственный минерал, получаемый посредством синтеза моно-

кристаллов на основе циркония и гафния. Области применения: ювелирное и

медицинское производство (режущие инструменты для микрохирургии).

3.2 Стекло. Классификация и область применения

Стекло - один из наиболее старых и наиболее распространенных мате-

риалов среди тех, что использует человек. Его стали производить еще в VII веке

до н. э., а теперь годовой оборот стекольной промышленности одних только

США составляет 20 млрд. долл. Однако, несмотря на многочисленные приме-

нения стекла, одно его свойство всегда создавало сложности: стекло слишком

легко растрескивается. Этот недостаток все чаще оказывается помехой для кон-

структоров. Новые технические средства, для которых требуются волоконно-

оптические кабели, керамические сердечники или новейшие оптические и элек-

тронные узлы, крайне нуждаются в разновидностях стекла и керамики, особо

устойчивых к растрескиванию. Например, трансатлантический волоконно-

оптический кабель должен служить достаточно долго, чтобы его использование

не было убыточным.

Стекло – твердый, аморфный, хрупкий материал, прозрачный, устойчив

к химическим и термическим воздействиям.

Свойства стекла определяются состоянием образующих его компонен-

тов и технологией его изготовления. Различают неорганическое и органическое

стекло. Неорганическое стекло вырабатывается на основе двуокиси кремния, и

получило название силикатное стекло. Различают следующие виды силикат-

ного стекла:

1) оксидное стекло подразделяется на: фосфатное, алюминиевое, алюмо-

фосфатное, боратное и т.д. Включение в состав стекла окисла цинка, циркония,

титана и др. повышает его химическую устойчивость и термостойкость. Окис-

лы свинца повышают оптические свойства стекла. В зависимости от состав-

ляющих компонентов, стекло может быть прозрачным, непрозрачным, цветным

или бесцветным, пропускающим или поглощающим ультрафиолетовые (УФ) и

инфракрасные (ИК) лучи, а также ионизирующие излучения;

2) стекловолокно – химическое, неорганическое волокно, применяется в элек-

тротехнической, авиа- и судостроительной, электронной, медицинской, хими-

ческой и др. отраслях промышленности. По способу производства, длине и

внешнему виду стекловолокно разделяют на штапельное и непрерывное.

Штапельное стекловолокно получают путем разделения струи рас-

плавленного стекла паром, воздухом или горячими газами. Используется как

изоляционный материал – вата, рулонный материал, маты, плиты и др. Непре-

рывное стекловолокно получают протягиванием стекломассы на стеклопря-

дильных агрегатах. В дальнейшем процессе производства из полученного стек-

ловолокна изготавливают ткани, ленты, сетки и др.

В медицине стекловолокно применяется в волоконной технике с оптиче-

скими приспособлениями: зеркала, призмы, линзы, световоды, жгуты из мно-

жества световодных волокон. Волоконно-оптические световоды применяются в

эндоскопии для получения четкого изображения в полостях организма, а так же

в урологии, онкологии. Использование световодов в хирургических приборах

позволит при операциях добиваться освещения в труднодоступных полостях

(грудной, брюшной и др.). Волоконные электросветоводы электробезопасны.

Инструменты с волоконно-оптическими элементами (волоконные световоды)

применяются во всех областях хирургии и в частности в микрохирургии, нейро

- и офтальмохирургии. Медицинские инструменты (пинцеты, скальпели), снаб-

женные индивидуальным освещением – волоконными осветителями, исполь-

зуются для диагностики и удаления внутриглазных инородных тел, при опера-

циях по поводу отслойки сетчатки, для щадящего (без травматизации ткани)

обследования, например, гинекологического обследования девочек.

Увиолевое стекло – стекло с повышенной прозрачностью для ультра-

фиолетовой (УФ) области светового спектра от 100 нм до 400 нм. Отличитель-

ным свойством является отсутствие ряда окислов и сульфатов тяжелых метал-

лов, поглощающих УФ излучение. Увиолевое стекло увеличивает пропускание

УФ излучения из естественных и искусственных источников света. Поэтому его

применяют в бактерицидных и эритемных лампах в лечебных целях, а так же

для обеззараживания воздуха, воды, поверхности ограждения и предметов ухо-

да, предохраняя от микробного загрязнения лекарственные средства. Увиолевое

стекло применяется в ряде оптических и измерительных приборов.

Стеклянный электрод – это ионоселективный электрод, предназначен-

ный для определения активности иона водорода, натрия и калия в водных сре-

дах в присутствии других ионов, следит за их активным изменением в средах с

различной рН.

Органическое стекло – оптически прозрачный, твердый материал на

основе органических полимеров. Оно обладает повышенной прозрачностью,

малым весом, устойчивостью к ударам, не дает опасных осколков.

По назначению различают стекло:

− тарное и строительное стекло (оконное, узорчатые стеклоблоки, стекло-

пластики и др.);

− техническое (кварцевое, светотехническое стекловолокно и др.);

− сортовое (однокомпонентное силикатное), ему свойственно наибольшее

светопропускание, особенно УФ лучей. Используется для изготовления ла-

бораторной посуды, тиглей, оптических приборов, химически стойких емко-