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

3

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.

2706040000М

ББК 34.7 я7

ISBN Канюков В.Н., Стрекаловская А.Д.,

Килькинов В.И., Базарова Н.В., 2004 ГОУ ОГУ, 2004

4

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.

5

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.

6

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.

7

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);

8

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.

9

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 HRCЭ до 64 HRCЭ. Их отличает повышенная вязкость, меньшая склон-ность к деформациям, трещинообразованию. Из стали марок 9ХС, ХВГ, В1,

10

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 0С.

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-

11

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 Кс, равной 5,103 – 5,106 А/м, и обладают значи-тельной магнитной энергией, пропорциональной величинам Кс 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 (µн = 0,3 мГн/м и µmax = 9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой (Нс= 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-

12

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 0С можно придать необходимую форму (например, пружины), охладить ее до температуры 10 0С 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 0С , а при 36 0С 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

13

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.

14

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 108 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.

15

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

16

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-Р1/Р2), где: σ - остаточные напряжения; Е - модуль упругости исходного материала; P1, P2 - 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.

17

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 (103 - 104 Вт/см2) 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 СО2 - лазерами, а иногда применяют твердотельные лазеры на алю-мо-иттриевом гранате. Например, применение СО2 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:

18

- 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 105 - 107 Вт/см2 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.

19

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 Al2O3. При наличии приме-сей от 30 % до 40 % магнетита, гематита, шпинели применяется как абра-

20

зивный материал. Прозрачные разновидности: рубин ( )+→ 332 CrOAl , сапфир

+

+

4

3

32 TiFeOAl 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-

21

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- 22

стей. Применяется в медицине, в химическом, фармацевтическом и пищевом производстве.

Кроме того, существуют следующие виды стекол: - безопасное, безосколочное стекло, которое применяется для остекления транспортных средств, в самолетах; - фотохромовое стекло, которое меняет светопропускание в зависимости от интенсивности освещения; - стекло с уникальными свойствами: звукоизолирующее, солнцезащитное, пу-ленепробиваемое (бронированное).

Прозрачность, химические и термические свойства позволяют широко использовать стекло в медицине: ампулы, аптечная и лабораторная посуда, оч-ки, термометры, детали медицинских аппаратов и оборудования, предметы ухода за больными. Хорошие гигиенические качества стекла объясняются тем, что оно легко обрабатывается, моется, стерилизуется, является хорошим за-щитным экраном от пыли и микрофлоры. Стекло широко применяется в строительстве для остекления светопроемов, устройства светопрозрачных ог-раждений и перегородок. В быту – зеркала, детали мебели, светильники, ху-дожественные изделия, стеклянная посуда.

Гигиенические требования к стеклу: - должно пропускать много света, создавая необходимые условия зрительного контакта и, наоборот, обеспечивать зрительную изоляцию при необходимо-сти;

- должно обладать теплозащитными свойствами; - легко поддаваться очистке и обработке; - быть безвредным, т.е. посуда должна быть химически стабильной (безопас-ной);

- иметь термическую устойчивость; - не имеет режущих граней.

Стекольная промышленность в настоящее время выпускает достаточно широкий ассортимент стекол: строительное, техническое, медицинское, опти-ческое, промышленную тару, тепло- и гидроизоляционные материалы, худо-жественные изделия и т.п.

Основными цехами стекольной промышленности являются: 1) составной цех – накапливает кварцевый песок, соду, мел, сульфат натрия, доломит, пегматит и другие компоненты, входящие в стекольную шихту. Здесь же все обрабатывается и подается в следующий цех; 2) цех выработки, где производят варку стекла в ваннах или горшковых печах. При этом технологический процесс полностью автоматизирован и механизиро-ван. Художественные изделия из стекла изготавливаются полностью вручную, непосредственно возле печи. Выработка крупных хрустальных изделий, отлом-ка стекла производится вручную, что требует физического напряжения; 3) цех обработки, где производят обрезку у заготовок на станках огневой рез-ки; шлифовку изделий, при необходимости наносят алмазную грань; выполня-ют полировку изделий смесью, состоящей из плавиковой 40 % и серной 60 % кислот, и производят разрисовку.

23

В данном контексте нам будут интересны оптические элементы из стек-ла в медицинских приборах, аппаратах и системах.

К основным оптическим элементам из стекла относятся линзы, призмы, зеркала, волоконно-оптические элементы. Оптические приборы в медицине можно разделить на:

− приборы, работающие с участием глаза – визуальные (например, диоптри-метр, лупа, микроскоп, эндоскоп, очки, кератометр);

− приборы, работающие без участия глаза – осветители, облучатели и т.п. Оптика оказала существенное влияние на развитие практической меди-

цины и здравоохранения. Например, применение медицинского микроскопа в хирургии, офтальмологии, отоларингологии (особенно открытие лазера), при-вело к развитию новых возможностей в области микрохирургии глаза, эндоско-пической хирургии и других медицинских направлениях. Применение оптики получило широкое распространение в диагностике, тепловидении, голографии.

3.3 Разрушение стекла

До недавнего времени мало, что было известно о механизме растрески-вания стекла. Например, в середине 60-х годов результаты точных измерений, показавших, что необходимое для разрушения стекла напряжение уменьшается с увеличением продолжительности воздействия на него воды, помогли объяс-нить, почему вода облегчает разрезку стекла, однако вопрос о том, как это про-исходит, практически остался невыясненным. Ответ на вопрос о механизме растрескивания стекла начал вырисовываться в 1979 г. Тогда сотрудники На-циональной лаборатории Сандия и С. Фрайман из Национального бюро стан-дартов США начали независимо разрабатывать математические модели для описания растрескивания стекла на атомном уровне. Анализ физических и хи-мических взаимодействий, приводящих к разрыву межатомных связей на кон-чике трещины, позволяет установить удивительную связь между атомной структурой материала и его надежностью в смысле практического применения. Кроме того, фундаментальные результаты исследований роста трещин на атом-ном уровне служат ориентиром при поиске применений стекла и других оксид-ных материалов в новейших технических средствах.

Наверное, каждый сталкивался с проблемой разрушения стекла уже в детстве. Это мог быть разбитый стакан с молоком или оконное стекло, разле-тевшееся вдребезги от удара мяча. Когда стекло разбивается, кажется, что тре-щины образуются мгновенно. Высокоскоростная фотография показывает, что трещины могут распространяться в стекле со скоростью, измеряемой сотнями метров в секунду, что составляет приблизительно половину скорости звука в стекле.

Хотя разрушение стекла может происходить внезапно, во многих слу-чаях ему предшествует медленный рост ранее существовавших трещин. Мед-ленно растушую трещину часто можно обнаружить на ветровом стекле автомо-биля. Рост маленькой трещины, образовавшейся от удара камешка, прослежи-вается день за днем, по мере того как трещина постепенно распространяется

24

через все ветровое стекло. В других случаях маленькие, незаметные поверхно-стные трещины растут в течение некоторого «инкубационного» периода, а ко-гда достигают определенной критической величины, вызывают быстрое разру-шение. Трещины в стекле могут расти со скоростью менее 2,5 · 10 -12 см/ч; при таких условиях «инкубационный» период занимает несколько лет, и лишь по-том происходит быстрое разрушение. На атомном уровне столь медленный рост трещин соответствует последовательному разрыву межатомных связей со скоростью примерно одна связь в час. Диапазон скоростей разрушения стекла, охватывающий 12 порядков величины, — от чуть ли не мгновенного раскалы-вания до медленного разрушения при ползучести, что делает исследование рос-та трещин особенно увлекательным занятием.

Как это ни удивительно, чистое стекло — один из прочнейших ма-териалов. В условиях высокого вакуума бездефектное стекло выдерживает рас-тягивающую нагрузку, превышающую 10 ГПа, что в 10 раз превосходит проч-ность большинства металлических сплавов. Однако при обычных условиях по-верхность стекла подвергается воздействию твердых частиц и химических агентов, которые создают на ней маленькие трещины и способствуют их росту, в конце концов, приводя к снижению прочности стекла. Влияние химических агентов на скорость роста трещин ставит серьезнейшую проблему перед конст-рукторами, так как в результате происходит не только непосредственное уменьшение прочности, но и разрушение конструкции, которая находилась под нагрузкой в течение нескольких лет.

Одно из наиболее сильнодействующих веществ — это вода, которая представляет особенно серьезную угрозу, поскольку всегда присутствует в ат-мосфере. Вода может ускорить рост трещин более чем в миллион раз, «атакуя» структуру стекла на самом кончике трещины.

Люди, конечно, давно осознали способность воды облегчать рас-трескивание стекла. Есть сведения, что американские индейцы использовали эту особенность. При изготовлении наконечников стрел из флинта — одной из форм кремнезема (диоксида кремния), родственной по своей химической при-роде стеклу, песку и кварцу. Например, индейцы, обитавшие в окрестностях озера Катахула в штате Луизиана, исполняли ритуал, в ходе которого они дер-жали над паром куски флинта, перед тем как разбить их. Недавние эксперимен-ты с аналогичными материалами подтвердили, что после увлажнения флинт раскалывается легче. И теперь стекольщики перед отламыванием стекла смачи-вают водой (или слюной) царапину, оставленную стеклорезом. Вода снижает напряжение, необходимое для роста первоначальной трещины, и обеспечи-вает более ровное раскалывание стекла.

Научные основы для определения условий, вызывающих рост трещин и разрушение стекла, были заложены 60 лет назад пионерной работой А. Гриф-фита из Королевского авиационного ведомства. Гриффит пытался вычислить минимальную энергию, необходимую для инициирования роста трещины. Ис-ходным пунктом его расчетов служил хорошо известный факт, что расположе-ние атомов на поверхности энергетически менее выгодно, и поэтому их энергия выше, чем у атомов в объеме.

25

Рост трещин в стеклянном бруске с высверленным в его центре отвер-стием регистрировался в серии экспериментов выполненных сотрудниками На-циональной лаборатории Сандия. Сжимающая нагрузка, приложенная к пла-стине в продольном направлении, создает растягивающее напряжение, которое вызывает рост двух трещин — выше и ниже отверстия.

Скорость роста трещин измеряется с помощью микроскопа, который ус-танавливается в верхней части установки. Все устройство помещается в ваку-умную камеру, с тем чтобы тщательно контролировать химическое окружение. Внутри камеры создается высокая влажность, вследствие чего рост трещин ус-коряется. Фотографии в поляризованном свете показывают, что напряжения

онцентрируются на самом ончике трещины, в соот-етствии с рисунком 1. ными словами, на созда-ие новой поверхности ужно затратить некото-ую энергию. Гриффит редположил, что трещина стекле растет только то-да, когда энергия прило-енного к нему напряже-ия больше, чем энергия овых поверхностей, воз-икающих при расколе. Пока приложенное на-ряжение не превысит оп-еделенное минимальное начение, энергия на-апливается в стекле, как сли бы оно было пружи-ой.) Используя свои дан-ые по поверхностной

щвеОнны

стобчастбораро

26

Рисунок 1 – Рост трещин в стеклянном бруске

кквИннрпвгжннн(прзкенн

энергии стекла и имею-

иеся результаты расчетов распределения напряжений вокруг трещины на по-рхности, Гриффит определил разрушающую нагрузку при расколе пластины. блестяще подтвердил свой вывод на практике в экспериментах со стеклян-ми трубками.

Гриффит установил также, что чем меньше первоначальная трещина в екле, тем большее напряжение надо создать для инициирования ее роста. Это ъясняет, почему элементарные стеклянные волокна, имеющие только мель-йшие поверхностные трещины, в 100—1000 раз прочнее обычного оконного екла, на поверхности которого в процессе изготовления образуются довольно льшие трещины. Энергетический подход Гриффита к описанию прочности и зрушения стекла указал также на важную роль химии поверхности в форми-вании механических свойств хрупких материалов. Химические агенты (на-

пример, вода), уменьшающие поверхностную энергию твердого тела, в конце концов приведут и к снижению прочности материала.

В середине 60-х годов Ш. Видерхорн и несколько других исследовате-лей изучали, как изменяется прочность стекла со временем. Наблюдая рост трещин под микроскопом и одновременно тщательно контролируя величину напряжения и условия окружающей среды, они сделали ряд важных открытий. Во-первых, трещины в стекле непрерывно растут и за этим ростом можно сле-дить; иными словами, разрушение происходит не внезапно. Во-вторых, ско-рость роста трещины зависит от приложенного напряжения и влажности окру-жающей среды. В-третьих, момент разрушения можно предсказать, если из-вестна скорость роста маленьких поверхностных трещин под действием напря-жения: по мере медленного роста таких трещин в стекле накапливается энергия напряжения, пока, наконец, не происходит быстрое разрушение.

Прочность изменяется с ростом трещин, проникающих в глубь материа-ла (вверху), в соответствии с рисунком 2. Когда стекло напряжено, кончик тре-щины (в середине) распространяется внутрь материала. По этой причине авто-ры попытались описать рост трещины на атомном уровне (внизу). Элементар-

ная ячейка структуры стекловидного кремнезе-ма — плотноупакованный тетраэдр, состоящий из центрального атома кремния (синий), окру-женного четырьмя ато-мами кислорода (крас-ные). Каждый атом ки-слорода образует химиче-ские связи с атомами кремния двух соседних тетраэдров, так что вся-кий тетраэдр соединен с четырьмя соседними. Тетраэдры образуют сеть связанных между собой циклов, каждый из кото-рых содержит 5—7 тетра-эдров. Для ясности атомы кислорода представлены кружками меньшего раз-мера и показаны не все связи между тетраэдрами.

Рисунок 2 – Изменение прочности стекла с рос-том трещин

К сожалению, причиной разрушения через 10 лет многих конструкций, построенных сегодня, могут быть маленькие трещины, которые начинают расти со скоростью менее 2 ·10 -12 см/ч, что, как мы уже отмечали, соответствует по-следовательному разрыву межатомных связей со скоростью одна связь в час.

27

Существующие экспериментальные методы не позволяют измерить столь ма-лую скорость. Именно по этой причине мы попытались разработать модель процессов, протекающих на кончике растущей трещины, на атомном уровне.

Вода может вступать в реакцию со стеклом и ускорять образование в нем трещин. Молекула воды входит в трещину (слева) и адсорбируется на ее кончике (в середине), в соответствии с рисунком 3. Она вызывает согласован-ную химическую реакцию (справа), в ходе которой разрываются связь между кремнием и кислородом на кончике трещины и связь между кислородом и во-дородом в молекуле воды, и в результате образуются две силанольные группы (гидроксильные группы, соединенные с атомом кремния). Разрыв одной связи приводит к увеличению длины трещины. Реакция с водой снижает энергию, требуемую для разрыва связи кремний — кислород, в двадцать раз, и поэтому ускоряет рост трещин.

Перед тем как рас-смотреть химические ре-акции, сопровождающие растрескивание стекла на атомном уровне, надо описать структуру стек-ловидного кремнезема. Основной «строительный элемент» большинства форм кремнезема —

плотноупакованная тетраэдрическая элементарная ячейка, которая состоит из центрального атома кремния, окруженного четырьмя атомами кислорода. Каж-дый атом кислорода в вершине тетраэдра образует связи с атомами кремния, расположенными в центрах двух соседних тетраэдров; таким образом, каждый тетраэдр соединен с четырьмя соседними. Кристаллические формы кремнезема, такие, например, как кварц, характеризуются регулярным расположением тет-раэдров в структуре. В стекловидном кремнеземе тетраэдры образуют беспоря-дочное скопление связанных между собой циклов (колец), каждый из которых обычно содержит пять-семь тетраэдров (см. нижнюю часть рисунка 2). По мере роста трещины тетраэдрические ячейки отрываются друг от друга в результате разрыва связей кремний — кислород. Кончик трещины по размерам соответст-вует отдельной циклической структуре, которая вскрывается с одной стороны, благодаря чему становится доступной следующая связь кремний — кислород. Минимальное расстояние, на которое может продвинуться трещина, равно диа-метру силикатного цикла (0,4—0,5 нм). Точное значение определяется числом тетраэдров в цикле.

Рисунок 3 – Реакция воды со стеклом

Таким образом, энергия, требуемая для разрыва связи кремний — ки-слород между двумя силикатными тетраэдрами, резко снижается (примерно в 20 раз) в присутствии воды. Характерно, что при выдерживании стекловидного кремнезема в глубоком вакууме связи между силикатными тетраэдрами стано-вятся очень прочными: для разрыва всех связей кремний — кислород, со-держащихся в 1 г кремния, надо затратить 1300 кал. (Для того чтобы нагреть 1 г

28

воды от комнатной температуры до кипения требуется 75 кал.) Однако когда в системе присутствует вода, между молекулой воды и связью кремний — кисло-род может происходить химическое взаимодействие, облегчающее разделение тетраэдрических ячеек.

Процесс взаимодействия включает три стадии. Во-первых, молекула во-ды движется внутри трещины к ее кончику, где поглощается веществом. Не по-деленные электроны атома кислорода в молекуле воды образуют связь с крем-нием в результате использования не занятых электронных орбиталей атома кремния. Тем временем один из атомов водорода в молекуле воды притягивает-ся к атому кислорода из первоначальной связи кремний — кислород. Во-вторых, вновь образовавшиеся связи усиливаются, тогда, как первоначальная связь ослабляется. В конце концов, атом водорода молекулы воды переходит к атому кислорода этой связи, после чего связь разрывается. В-третьих, проис-ходит распад молекулы воды и первоначальной связи кремний — кислород с образованием двух поверхностных силанольных групп (состоящих из гидро-ксильных групп и атома кремния). Трещина продвигается на один элементар-ный шаг. Весь описанный процесс называется диссоциативной хемосорбцией.

Таким образом, химическая реакция между кремнеземом и водой при-водит к снижению энергии, затрачиваемой на увеличение трещины. Вместо вы-сокостабильной связи кремний — кислород образуются почти столь же ста-бильные продукты реакции — поверхностные силанольные группы. Поскольку энергия химической реакции равна разности энергий реагентов и продуктов, можно показать, что на разрыв связей кремний — кислород в присутствии воды необходимо затратить энергию 78 кал/г в отличие от 1300 кал/г, требуемых, ко-гда система находится в вакууме.

Модель диссоциативной хемосорбции, описывающая разрыв связей на кончике трещины, позволяет указать реактивы, которые могут вызывать мед-ленный рост трещин в кремнеземе. Такие реактивы должны обладать, способ-ностью отдавать электроны для образования связи с атомом кремния, а также отдавать положительно заряженный ион водорода для соединения с атомом ки-слорода, который первоначально был связан с атомом кремния. Кроме того, от-дельная молекула реактива должна быть достаточно мала, и входить в кончик трещины, чтобы разрыв и образование связей происходили одновременно. Ам-миак и метанол, например, удовлетворяют обоим требованиям, и они действи-тельно ускоряют рост трещин в кремнеземе. Влияние аммиака, молекулы кото-рого близки по размерам молекулам воды, почти идентично влиянию воды.

Скорость роста трещины зависит не только от химического окружения, но и от величины приложенного механического напряжения. Для построения полной модели кинетики разрушения надо знать, как напряжение ускоряет ре-акцию разрыва связи кремний — кислород.

В отсутствие напряжения кремнезем реагирует с водой очень медленно. Диссоциативная реакция, которую мы рассмотрели, приводит к растворению стекловидного кремнезема водой на поверхности со скоростью порядка 10-17 м/с; связи кремний — кислород на свободной от напряжения поверхности настолько нереакционноспособные по отношению к воде, что даже не адсорби-

29

руют водяного пара. Однако создание напряжения может вызвать рост трещин со скоростью более 1 мм/с.

На кончике трещины напряжения концентрируются во многом анало-гично тому, как на металлическом острие сгущаются силовые линии электриче-ского поля. Чем ближе к кончику трещины, тем больше напряжение; на кончи-ке, размер которого составляет несколько атомных диаметров, оно достигает значения порядка 104 МПа. Под воздействием столь большого напряжения ис-кажается атомная структура кремнезема. Теоретические расчеты показывают, что если силикатный тетраэдр искажается в результате оттягивания атомов ки-слорода в вершинах, то атом кремния в его центре с большей легкостью связы-вается с молекулой воды. Кроме того, химическое взаимодействие с водой уменьшает силу, требуемую для дальнейшей деформации связей кремний — кислород.

Модельная система состоит из небольших циклов, образованных атома-ми кремния и кислорода (по два атома кремния и два атома кислорода на один цикл). Эти так называемые циклы с поделенными (общими) ребрами, которые возникают, когда две тетраэдрические элементарные ячейки связываются друг с другом вдоль одного ребра, могут сформироваться на поверхности частиц по-рошка кремнезема, нагретого выше 900 0С. Циклические структуры с поделен-ными ребрами — подходящие объекты для изучения явлений напряжения свя-зей, поскольку валентные углы и длины связей у них сильно искажены по срав-нению с обычным стекловидным кремнеземом.

Размер молекул вещества влияет на его способность ускорять рост тре-щин в стекле, в соответствии с рисунком 4. Вода, размер моле-кул которой составляет только 0,26 нм (1 нм = 10 -9 м), вызыва-ет более быстрый рост трещин, чем метанол (0,36 нм), а анилин (0,42 нм) едва ли вообще оказы-вает какое-нибудь влияние (вверху). Такое поведение объ-ясняется тем, что молекула во-ды легко входит в отверстие трещины (его диаметр состав-ляет 0,4—0,5 нм), молекула ме-танола — с трудом, а молекула анилина настолько крупна, что не может достичь области раз-рыва связей (внизу).

Для изучения механизма и кинетики реакций между во-дой (и другими реактивами) и силикатными циклами с поде-ленными ребрами, необходимо

Рисунок 4 – Влияние размера молекул ве-щества на его способность ускорять росттрещин в стекле

30

применять метод инфракрасной Фурье-спектроскопии. В инфракрасном спек-трометре образец помещается на пути инфракрасного излучения. Излучение, прошедшее через образец, разделяется на составляющие с различными часто-тами; характеристикой, является интенсивность этих составляющих. На неко-торых частотах наблюдается резкое падение интенсивности излучения, регист-рируемого детектором. Это явление объясняется тем, что каждая отдельная мо-лекулярная структура в образце имеет собственную, характеристическую, час-тоту колебаний. Когда эта частота совпадает с частотой инфракрасного излуче-ния, возникает эффект «резонанса», большая доля падающего излучения по-глощается образцом и детектора достигает лишь малая его часть. Регистрируя частоту и относительную интенсивность поглощенного изучения, можно опре-делить типы молекулярных структур и относительное содержание каждой из них в образце.

В инфракрасном Фурье-спектрометре вместо детектирования каждой от-дельной частоты применяется метод оптической интерференции с целью быст-рого сканирования всего частотного диапазона. Сканирование охватывает все частоты в инфракрасной области спектра, поэтому получение необходимой ин-формации занимает лишь долю секунды, тогда как при использовании обычной инфракрасной спектроскопии для получения всего инфракрасного спектра тре-буется около получаса. Отдельные частоты затем разделяются математически с помощью Фурье-преобразования. Выгода от применения инфракрасной Фурье-спектроскопии очевидна: при изучении быстрых химических реакций требуется быстро и точно определять, как концентрации реагентов, промежуточных ве-ществ (реакционных интермедиатов) и продуктов изменяются во времени.

Инфракрасная Фурье-спектроскопия позволяет проследить за кинетикой реакции тех веществ, которые играют важную роль в процессе разрушения стекла. С помощью этого метода можно различить циклы с поделенными реб-рами (реагенты), молекулы воды, адсорбированные на таких циклах (интерме-диаты), и кремнийгидроксильные группы (продукты). На основании чего мож-но сделать следующие выводы. Во-первых, атом кремния в напряженном цикле с большей легкостью принимает электроны, чем атом кремния в ненапряжен-ном стекле. Следовательно, атом кремния в напряженном цикле с большей лег-костью адсорбирует электронодонорные молекулы, такие, как молекулы воды, аммиака и метанола. Во-вторых, все реактивы, ускоряющие рост трещин в стекловидном кремнеземе, диссоциативно хемосорбируются на напряженном цикле: они расщепляют одну из напряженных связей кремний — кислород в цикле. И, наоборот, вещества, которые не реагируют с циклами, имеющими по-деленные ребра, не влияют на рост трещин в кремнеземе. В-третьих, скорость расщепления цикла была в 100 000 раз выше скорости реакции плоской нена-пряженной поверхности кремнезема с водой, при воздействии водяного пара на простую модельную систему. Следовательно, связи кремний — кислород могут быстро разрываться в ходе ускоряемой напряжением реакции с водой и други-ми веществами.

31

Теоретические расчеты по-казывают, что в присутствии воды снижается энергия, требуемая для напряжения, или искажения, эле-ментарной ячейки структуры стек-ловидного кремнезема, представ-ляющей собой тетраэдр, в соответ-ствии с рисунком 5. В отсутст-вие воды для изменения валентно-го угла между двумя атомами ки-слорода от 105 до 108° нужно за-тратить энергию 73 ккал/моль (вверху). В присутствии воды необ-ходима энергия только 30 ккал/моль (внизу). Чтобы сокра-тить число электронов, учитывае-мых в расчетах, два атома кисло-

рода в тетраэдре заменялись атомами водорода.

Рисунок 5 – Влияние присутствия воды на снижение энергии

Эксперименты подтверждают важную роль механического напряжения в ускорении роста трещины. На рисунке 6 показана реакция между молекулой аммиака и циклом с поделенными ребрами. Молекула адсорбируется на атоме кремния напряженного цикла; в результате диссоциативной хемосорбционной реакции разрываются связи кремний — кислород — кремний. Напряженные связи такого типа реагируют в 100 000 раз быстрее, чем ненапряженные.

Инфракрасная Фурье-спектроскопия используется для измерения скоро-стей реакций между различными веществами и силикатными цик-лами с поделенными ребрами. На рисунке 7 приведен пример реги-страции реакции с метанолом. Скорости, с которыми исчезают циклы (слева) и появляется хемо-сорбированный метанол (справа), измеряются путем помещения об-разца в поток инфракрасного из-

лучения. Когда частота излучения совпадает с характеристической частотой колебаний каждой молекулы, наблюдается сильное поглощение излучения (пи-ки на кривых).

Рисунок 6 - Реакция между молекулой аммиака и циклом с поделенными реб-рами

Молекулы воды и аммиака близки по размерам (около 0,26 нм), тогда как молекулы метанола намного больше (0,36 нм). Молекулы меньшего разме-ра, например воды и аммиака, могут легко войти в трещину (диаметром 0,4—0,5 нм) и вызвать реакции разрыва связей, в то время как более крупные моле-кулы, подобные молекуле метанола, входят в нее с трудом. Действительно, мо-лекулы, размер которых превышает 0,4 нм, не влияют сколько-нибудь заметно на рост трещины; вероятность их проникновения к месту, где происходят реак-

32

ции разрыва связей, крайне мала. Размер реакционно-способной молекулы мо-жет влиять на скорость распространения трещины, даже если он меньше диа-метра кончика трещины. В сущности, область трещины перед кончиком дей-ствует как сито, которое пропускает молекулы к кончику со скоростью, определяемой их размером.

Рисунок 7 - Регистрация реакции с метанолом

Аналогичное явление наблюдается в цеолитных молекулярных ситах. Цеолиты представляют собой алюмосиликатные кристаллы, содержащие от-четливо выраженные клеточные структуры, которые соединяются отверстиями определенного размера; крупные молекулы не пропускаются, тогда, как мелкие проходят через отверстия и адсорбируются внутри клеточных структур. Опира-ясь на измеренные скорости молекулярной диффузии в цеолитах, с помощью которой моделируется движение молекул внутри трещины к ее кончику, можно сделать вывод, что метанол должен диффундировать к копчику со скоростью, на четыре порядка величины меньше скорости диффузии воды. Зная значения скоростей молекулярной диффузии вблизи кончика трещины и скоростей дис-социативных химических реакций с участием напряженной связи кремний — кислород, можно предсказать с точностью до порядка величины относительную скорость роста трещин в стекловидном кремнеземе под воздействием реакти-вов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что существует возможность создания поверхностного покрытия, закрывающего отверстие трещины и ограничивающего доступ в нее малых молекул (таких, как вода), ко-торые атакуют атомные связи на кончике и таким образом химически ослабля-ют стекло. При использовании такого молекулярного покрытия для защиты

33

трещины, было обнаружено, что скорость роста трещины уменьшается в 1000 раз. Если такое покрытие удастся наносить на стеклянные изделия в процессе производства, оно значительно увеличит их срок службы.

То же справедливо и в отношении керамики. Конкретные реакции, про-текающие на кончике трещины, неодинаковы для разных материалов, и химия каждого твердого вещества должна рассматриваться с учетом его индиви-дуальных особенностей. Например, в сложных силикатных стеклах простой механизм разрыва связей, объясняющий рост трещины, может усложняться об-разованием реакционных слоев толщиной несколько микрометров. Хотя реак-ционные слои непосредственно не влияют на процесс разрыва связей, они мо-гут существенно изменить величину напряжения на кончике трещины.

3.4 Керамика Керамика – материал, получаемый спеканием глин и их смесей с мине-

ральными добавками, а также оксидов металлов и других неорганических со-единений (карбидов, боридов, нитридов, силицидов). По структуре различают: - грубую керамику (строительный шамотный кирпич); - тонкую с однородной мелкозернистой структурой (фарфор, пьезо- и сигнето-керамика, керметы); - пористую с мелкозернистой структурой (фаянс, терракота, майолика); - высокопористую.

Тонкая керамика используется в электротехнической, радиотехниче-ской, химической промышленности, а также для производства изделий меди-цинской техники. В этой разновидности керамики особое место занимает ме-таллокерамика (керметы) – материалы, искусственно создаваемые посредством спекания металлических и керамических порошков. Применяется в авиацион-ной промышленности, энергомашиностроении, для изготовления режущих ин-струментов, а также в стоматологии.

3.5 Резина. Резиновые материалы и область их применения

Резина – мягкий, эластичный материал, продукт вулканизации смесей каучука с серой и другими добавками (свинец и т.п.). Относится к химически стойким, газо- и водонепроницаемым материалам, устойчив к истиранию, с хорошими троизоляционными свойствами (применяется в электроэн -тике).

элек ерге

В промышленности резина нашла применение в виде шин, транспорт-ных лент и др. В медицине широко используется с целью изготовления систем для переливания крови и введения лекарственных форм внутривенно-капельным способом, колпачков, противозачаточных средств, защитных уст-ройств, хирургических перчаток.

34

Специальные резины Резина НАИРИД – высокоэластичная, вибростойкая, озоностойкая, менее мо-розостойкая и теплостойкая. Марка СКН обладает высокой маслобензино-стойкостью. Резина ТИОКОЛ – в основном применяется в герметизирующих производст-вах. Светоозоностойкая резина – марки: СКФ, СКЭП и бутилкаучук. Эти виды резины обладают износостойкостью. Применяются в изготовлении ремней, тракторных лент, маслобензиностойких уплотнителей, манжет, диафрагм, гиб-ких шлангов, рукавов и т.д.

Резиновые материалы – экономичны, эффективны, менее материало-ёмкие: снижение массы конструкции в 4 – 5 раз (по сравнению с металличе-скими материалами), сокращение производственных циклов (металлические детали – 10 механических обработок, а пластмассовые и резиновые - зачастую 1 – 2 технологические операции). Эти свойства значительно снижают трудо-емкость (в 5 – 6 раз). В некоторых случаях резиновые изделия превосходят по эффекту работоспособности металлические и пластмассовые детали.

35

4 Полимеры в медицине

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высо-кой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры. К по-лимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеино-вые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших со-единений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и мине-рального происхождения в результате реакций полимеризации, поликонденса-ции и химических превращений одних полимеров (природных и синтетиче-ских) в другие. Особую группу составляют неорганические полимеры (пла-стичная сера, силикаты и др.).

Полимерные материалы делят на три основные группы: пластические массы, каучуки и химические волокна.

Полимерные материалы широко применяются во многих областях жиз-недеятельности человека, удовлетворяя потребности различных отраслей про-мышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.

Есть два типа химических реакций, приводящих к превращению моно-меров в полимеры: поликонденсация и полимеризация. Они отличаются хими-ческим строением. Синтетические полимеры, выпускаемые в настоящее время, примерно на 75 % состоят из продуктов полимеризации. Применяются они в строительстве и радиоэлектронике, медицине, машиностроении и производстве бытовых изделий.

Материалы из природных или синтетических полимеров способны при-обретать заданную форму. При нагревании и под давлением устойчиво сохра-няют заданную форму даже после охлаждения.

В медицине широко применяются изготовленные из синтетических полимеров искусственные суставы, сосуды и т.п., полностью заменяющие тка-ни организма (таблица 1). Изготовление их чаще осуществляется из материалов на основе ВМС (полимеров) - пластмасс. При нагревании им можно придавать различную форму, что позволяет выпускать разнообразные изделия из них. Как правило, пластмасса - смесь нескольких веществ; полимер - лишь одно из них, но самое важное. Он связывает остальные компоненты в единую, более или ме-нее однородную массу, поэтому полимер часто называют связующим. Перво-начально пластмассы получали на основе природных полимеров - производных целлюлозы, каучука, молочного белка казеина и других. В дальнейшем в каче-стве связующих стали применять и синтетические полимеры - фенолформаль-дегидные смолы, полиакрилаты, полиэфиры и др. Общим для всех пластмасс является то, что во время формирования изделий их полимеросвязующая осно-ва находится в вязкотекучем состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом.

Морфологические изменения при введении пластмасс в организм харак-теризуются развитием асептического воспаления (воспаления без инфекции). В

36

результате направленного движения защитных клеток фагоцитов (по теории Мечникова): нейтрофилы, моноциты, макрофаги, базофилы и др., в зону рас-пространения полимера, происходит воздействие на ткани организма при опе-ративном вмешательстве или химическом раздражителе.

Таблица 1 - Синтетические полимеры медико-технического назначения

Класс полимеров Название полимера Целевое назначение в медицинской практике

Кремнийорганические соединения

Силиконы Полисилоксаны

Изделия применяются для контурной пластики (замена мягких тканей, дета-лей аппаратов искусственных орга-

нов). Иногда эти материалы называют компаундами (сложные соединения полимерных материалов). Они приме-няются для окклюзии протоков подже-лудочной железы, в ортопедических

изделиях.

Полиакрилаты Полигидрооксиэтил

метакрилат (НЕМА)

Изделия для кератопротезирования. Применяется при внутренней сосуди-стой окклюзии, для контурной пласти-

ки мягких тканей. Полидодекандамид

(полиамид- 12) Протезно-ортопедические изделия, хи-

рургические нити. Полиамиды Поликапромид (ка-прон)

Протезно-ортопедические изделия, хи-рургические нити.

Полипропилен Нити, детали искусственных клапанов сердца, сосудистые протезы.

Полиэтилен (высо-кого давления)

Изделия для кератопротезирования, детали аппарата «искусственная поч-

ка», «сердце – легкие». Полиолефины

Фторированные лиолефины

(фторопласт 4)

Нити, протезы сосудов и клапанов сердца, фетр и трикотажные ткани для реконструктивных операций на сердце.

Клей ХЛЗ Бесшовные соединения тканей при операции.

Полиуретаны Сегментированный полиуретан

Камеры искусственного сердца, внут-рисосудистые баллоны, протезно-

ортопедические изделия.

Полигалантин Нити (VICZIE), перевязочный матери-ал, протезно-ортопедические изделия.

Полигликолид Нити (DEXON), перевязочный матери-ал, протезно-ортопедические изделия.

Поликарбонат Корпуса деталей искусственных желу-дочков в кардиологии.

Полиэфиры

Полиэтилен - фто-лат (лавсан)

Сетки, нити, протезы сосудов, ленты для пластики связок и сухожилий.

37

Химическими раздражителями могут быть физически активные вещест-ва, продуцируемые поврежденными клетками и тканями, а так же вещества, выделяемые полимерными соединениями и зависящие от химических и физи-ческих свойств данного полимера.

Благотворным исходом является образование соединительной капсулы (ткани), в которой происходит постоянное обновление, особенно когда такая ткань образуется как снаружи, так и изнутри (восстановление непрерывности пищевода, мочеточников, желчных протоков и др.).

Однако данный процесс не всегда происходит, что чревато неудачей – отторжением вживленного полимера. Такой исход наиболее вероятен, когда полимер не обладает биологической совместимостью, что также может привес-ти к злокачественному образованию.

В современной медицине пластмассовые полимеры нашли широкое при-менение в реконструктивно – восстановительной хирургии, травматологии, ортопедии, урологии, стоматологии, офтальмологии и др. Требования, предъявляемые к пластмассовым полимерным материалам:

1) физиологическая безвредность; 2) отсутствие токсичности; 3) отсутствие канцерогенности; 4) отсутствие аллергогенности; 5) минимальное раздражающее действие на окружающие ткани; 6) постоянство физико-химических и механических свойств; 7) большая прочность и работоспособность при незначительной усталости; 8) длительная и функциональная пригодность реконструируемого органа или

ткани. 4.1 Особенности применения полимерных материалов в медицине Полимерные материалы, находящиеся в контакте с биологическими сре-

дами живого организма, могут растворяться в этих средах без изменения мо-лярной массы или подвергаться биодеструкции по следующим основным меха-низмам:

1) гидролиз с образованием макромолекулярных осколков и мономерных продуктов;

2) каталитический гидролиз под влиянием ферментов; 3) фагоцитарное разрушение (защитная клеточная реакция организма на

инородное тело). В реальных условиях скорость биодеструкции обусловлена суммарным

воздействием указанных факторов. Биологическая активность полимерных ма-териалов связана с образованием продуктов биодеструкции, а также с присут-ствием в полимерах остаточных мономеров и добавок (пластификаторов, ста-билизаторов, красителей, наполнителей, эмульгаторов, инициаторов и др.).

Среди многочисленных проблем санитарно-химических исследований особое значение имеют следующие:

38

1) выявление токсикологической опасности полимерных материалов на ос-новании качественного и количественного определения состава низкомолеку-лярных продуктов;

2) изучение закономерностей миграции примесей из полимеров в зависимо-сти от их химической природы и сред живого организма;

3) исследование процессов метаболизма, изменения функциональных систем организма, путей выведения из него продуктов биодеструкции.

Особое значение имеет токсикологическая оценка полимерных материа-лов, применяемых в медицине в условиях непосредственного контакта с живым организмом. Необходимость тщательной токсикологической оценки полиме-ров, даже обладающих высокой химической стойкостью и инертностью, связа-на с тем, что процессы их переработки часто осуществляются при температу-рах, близких или превосходящих начальные температуры разложения этих по-лимеров (таблица 2).

Продукты термической и термо-окислительной деструкции могут при-сутствовать в материале и в сорбированном виде, оказывая токсичное воздей-ствие на организм, которое непосредственно не связано с химической природой и структурой исходного полимера. Таблица 2 - Допустимые температуры переработки полимерных материалов при производстве изделий медицинского назначения

Темпеpaтура, 0СНаименование материала разложения

(начальная)переработки

(максимальная) Способ переработки

Полиамиды Поливинилхлорид

150 150

280 160

Прядение Вальцевание, сварка

Полиметилметакрилат Полипропилен

300 280

225 260

Сварка Литье под давлением

Полиорганосилоксаны Полистирол

260 250

210 205

Прессование Литье под давлением

Политетрафторэтилен Полиэтилен Полиэтилен

300 100 100

375 120 250

Спекание Вальцевание Литье под давлением

Имплантация в организм животных ряда полимерных материалов, не

обладающих общетоксичным действием, иногда приводит к возникновению злокачественных опухолей. Так, через 6—8 месяцев после имплантации в раз-личные органы крыс гладких пластинок из полиэтилена, поливинилхлорида, фторопласта, полиакрилатов, полиамидов, кремнийорганического каучука и др., наблюдалось возникновение злокачественных опухолей. Однако, такое бластоматозное действие наблюдалось лишь у мелких животных (крысы, мы-ши, хомяки, морские свинки), причем аналогичным образом в этих условиях проявляли себя такие инертные материалы, как стекло, благородные металлы.

39

Установлено также, что имплантация полимеров в виде порошка или перфорированных пластин не вызывает образования опухолей и оказывает сла-бый бластоматозный эффект. Большинство исследователей считает, что бла-стомогенное действие биоинертных полимеров обусловлено не их химической природой, а механическим длительным раздражением стенок соединительнот-канной капсулы, возникающей вокруг имплантированного материала, и нару-шением нормального обмена в ней.

4.2 Полимеры медико-технического назначения Применение полимеров для изготовления изделий медицинской техники

позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, предметов ухода за больными, специальной посуды и различных видов упаковок для лекарств, об-ладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и стекла. Ассортимент и область применения полимерных материалов, разре-шенных для изготовления изделий медицинского назначения, представлен в таблице 3. Таблица 3 - Ассортимент и области применения полимерных материалов медико-технического назначения

Наименование материала Области применения

Полиэтилен высокой плотности

Детали медицинских приборов и инструментов, предметы ухода за больными, лабораторное оборудование, футляры-стерилизаторы, пробирки, пипетки и т.п.

Полиэтилен низкой плотности

Мягкие емкости различного назначения, соединительные трубки, шприц-тюбики, протезно-ортопедические изделия, бачки для гаммаглобулина.

Полиамиды Детали медицинских приборов и инструментов, воронки, трубки, оправы очков, канюли переходные.

Поликарбонат Фторопласт – 4

Протезно-ортопедические изделия Медицинские инструменты и их детали, зонды, катетеры, канюли, емкости различного назначения, лабораторная по-суда, предметы ухода за больными.

Пластикат Эластичные медицинские инструменты – катетеры, бужи пищеводные, трахеотомические трубки, системы для взя-тия и переливания крови, клеенка.

Полистирол Шприцы разового использования, чашки Петри, футляры, упаковка для лекарственных препаратов.

Ацетобутиратцеллю-лозный и ацетилцел-люлозный этролы

Оправы корригирующих очков, линзы защитных и солнце-защитных очков.

Полипропилен неста-билизированный

Детали медицинских приборов и аппаратов.

40

В первую очередь изделия из полимеров высокоэкономичны, а в ряде случаев обладают повышенной стойкостью к воздействию различных сред. Выпуск изделий возможен для разового использования.

Основными требованиями, предъявляемыми к полимерам и материалам на их основе, используемым в производстве изделий медицинской техники, яв-ляются: − необходимый комплекс физико-механических свойств, зависящий от кон-кретного назначения материала; − повышенная химическая стойкость, обуславливающая стабильность изделий под воздействием жидких сред, в том числе стерилизующих жидкостей; − минимальное содержание низкомолекулярных примесей, стабилизаторов, катализаторов и др. технологических добавок; − отсутствие запаха; − способность выдерживать тепловую (в том числе автоклавирование) и ра-диационную стерилизацию; − стабильность состава жидких медицинских препаратов, находящихся в кон-такте с полимерным материалом.

4.3 Полимеры, используемые в восстановительной хирургии

Полимерные материалы, применяемые в восстановительной хирургии,

предназначены для постоянной или временной замены пораженных или утра-ченных тканей и органов живого организма.

Биоассимилирующие полимеры используют для временного обеспече-ния функционирования органа на период регенерации тканей. Биоассимили-руемые материалы должны обладать способностью, растворяться или деструк-тироваться под влиянием жидких сред с образованием нетоксичных продуктов, ассимилируемых тканями, с последующим выведением их из организма.

Скорость превращения твердых биоассимилируемых полимеров в жид-кие продукты под влиянием биологической среды должна соответствовать ско-рости регенерации тканей организма и составлять от нескольких недель при протезировании мягких тканей до нескольких месяцев при протезировании ко-стных тканей. В таблице 4 приведен ассортимент полимерных материалов, ис-пользуемых для внутреннего протезирования и создания функциональных уз-лов «искусственных органов».

Биоинертные полимеры предназначены для длительного обеспечения функционирования органов и тканей. Такие полимеры должны обладать высо-кой устойчивостью к воздействию сред организма, не изменять своих первона-чальных характеристик при многократных деформациях, допускать тепловую, радиационную и химическую стерилизующую обработку.

Требованиями, предъявляемыми к таким полимерам, являются: − физиологическая безвредность; − отсутствие токсичности и канцерогенных свойств;

41

− минимальное раздражающее действие на контактирующие с полимером ткани и др.

Кроме того, конкретные области применения полимеров при протезиро-вании тканей и органов предъявляют разнообразные и жесткие требования по комплексу физико-химических и механических свойств. Таблица 4 - Ассортимент и области применения полимеров для внутреннего протезирования

Наименование материала Области применения

Полиэтилен низкой плотности

Изделия, контактирующие с тканями организма

Поликапролактам (капрон)

Протезно-ортопедические изделия, хирургические нити, изделия, контактирующие с тканями организма

Поликарбонат Корпуса и детали искусственных желудочков и стимуля-торов сердца

Политетрафторэти-лен (фторопласт-4)

Протезы сосудов, клапанов сердца, фетр для реконструк-тивных операций на сердце

Полипропилен Детали искусственных клапанов сердца, протезы сосудов Полиэтилентереф-талат (лавсан)

Изделия для внутреннего протезирования и восстанови-тельной хирургии – сетки, нити, протезы кровеносных сосудов, ленты для пластики связок и сухожилий

Полиметилметак-рилат

Изделия для кератопротезирования, детали аппаратов «искусственная почка», «сердце - легкие» и др.

Кремнийорганиче-ский каучук

Изделия для внутреннего протезирования, детали аппара-тов искусственных органов

Цианакрилатный клей

Бесшовное соединение тканей организма при хирургиче-ских операциях

4.4 Полимеры, используемые в сердечно – сосудистой хирургии Использование полимеров в этой области хирургии связано, в первую

очередь, с протезированием клапанов сердца и сосудов. С этой целью в клини-ческой практике используют следующие полимерные материалы: − для протезирования сосудов — волокна из фторированных полиолефинов

(фторлон), полипропилена, полиэфирные волокна (лавсан); − для протезирования клапанов сердца — кремнийорганические (силиконо-

вые) каучуки, полипропилен, волокна из фторлона. В экспериментальных моделях искусственного сердца широко применя-

ется поликарбонат. При некоторых реконструктивных операциях на сердце применяют войлок различной плотности из фторлона.

42

Помимо общехирургических требований к материалам, применяемым для протезирования сердца и сосудов, предъявляются и специфические требо-вания: − не должны вызывать гемолиз (разрушение) крови; − не должны вызывать образование тромбов.

Ряд полимеров, таких как полиамиды, полистирол, способствуют обра-зованию тромбов (тромбообразованию). Лавсан, политетрафторэтилен, поли-этилен, полиуретаны не влияют на процесс образования тромбов, а некоторые из полимеров даже задерживают их образование (кремнийорганический каучук, поливинилпирролидон и др.).

Большое влияние на скорость тромбообразования оказывает состояние поверхности полимерного материала. Имеются данные о влиянии на интенсив-ность тромбообразования электрического потенциала поверхности материала, а также его смачиваемости.

Проводятся работы по приданию антитромбогенности различным груп-пам полимеров. Установлено, что эффект тромбообразования можно подавить путем нанесения на поверхность имплантируемых материалов коллоидного графита, обработкой стиролсульфокислотой, этиленимином, гепарином и др. (таблица 5). Таблица 5 - Влияние химической природы полимеров и обработки их по-верхности гепарином на время свертывания крови

Время свертывания крови, мин

Содержание гемогло-бина через 4 ч, мг % Наименование

материала Необрабо-танная по-верхность

Обрабо-танная по-верхность

Необрабо-танная по-верхность

Обрабо-танная по-верхность

Полистирол 9 1440 16 50 Полиэтилен 11 1440 25 200 Поливинилхлорид 12 40 10 14 Целлофан 6 60 600 600 Натуральный каучук 10 60 13 - Бутадиен-винилпиридиновый каучук 12 60 37 75

Этилен - пропиленовый каучук 5 60 15 20

Кремнийорганический фторсодержащий каучук 18 60 15 20

Кремнийорганический каучук 15 60 5 40

43

4.5 Хирургия внутренних органов и тканей Хотя операции на легких, пищеводе, кишечнике, мочевыводящих путях

и других органах с применением полимерных материалов сравнительно много-численны, большинство из них все еще носят характер экспериментальных ра-бот, и лишь сравнительно небольшой круг материалов нашел широкое клини-ческое применение. К таким материалам, в первую очередь следует отнести клеящие композиции на основе эфиров цианакриловой кислоты.

Соединение тканей при различных хирургических операциях с помощью клея — значительный шаг в совершенствовании медицинских методик, т. к. обеспечивает герметичность соединения, возможность резкого сокращения ко-личества накладываемых швов и даже бесшовного соединения, ускорение опе-раций и сокращение времени заживления ран.

Большое количество операций на диафрагме, при лечении грыж, заме-щении дефектов тканей брюшной стенки, закрытии дефектов пищевода и др. осуществляется с применением сетчатых материалов из капронового волокна, полиэфирных волокон, волокон из полипропилена и фторлона.

Имеются сообщения об успешном протезировании желчных протоков, мочеточников с помощью трубок из полиэтилена, пластифицированного поли-винилхлорида, кремнийорганических каучуков. Однако ряд исследователей от-мечают, что применение протезов из указанных материалов дает лишь времен-ный положительный эффект, т. к. в большинстве случаев наблюдается «инкру-стация» протезов солями, приводящая к последующей их закупорке.

Весьма актуальная проблема хирургии легких — восстановительные операции на трахеях, бронхах, а также операции, связанные с необходимостью заполнения послеоперационных полостей. Помимо клеев при этих операциях могут широко использоваться вспененные и гелеобразные композиции на осно-ве биоинертных и биосовместимых полимеров. Имеются данные о положи-тельном опыте применения полиорганосилоксанов (монолитных и вспененных) для пломбирования послеоперационных полостей, восстановления формы грудной железы и др.

4.6 Травматология и ортопедия

Для создания различных изделий внешнего протезирования (протезов конечностей, ортопедических вкладок, туторов и др.) широкое применение на-ходят полиэтилен, поливинилхлорид, стеклопластики, жесткие и эластичные пенопласты. Применение полимеров для указанных целей позволяет резко об-легчить протезы, улучшить их функциональные, гигиенические свойства и внешний вид.

Широкое развитие получили работы по созданию полимеров для внут-реннего протезирования суставов, участков костей, сухожильных и мышечных связок. Имеется положительный опыт применения полиэтилена высокого и низкого давления, полиметилметакрилата и поликарбоната для изготовления протезов коленных и бедренных суставов. Установлена целесообразность при-

44

менения комбинированных протезов, в которых наряду с металлическими дета-лями используют части из полиолефинов. Полимеры с низким коэффициентом трения можно наносить на поверхность металлических протезов суставов для улучшения их функциональных свойств. Для замены сухожилий и связок при-меняют лавсановые ленты. Закрытие дефектов черепа осуществляют с помо-щью пастообразных, отверждающихся без нагревания композиций, на основе акриловых полимеров и сополимеров.

Актуальная проблема травматологии — создание различных соедини-тельных элементов (штифтов, скоб) из биосовместимых полимеров. Это позво-лит отказаться от операций по извлечению этих элементов после завершения регенерации костных тканей. Важной задачей является также разработка клее-вых композиций, обеспечивающих высокую прочность склеивания костных тканей.

4.7 Применение полимеров в офтальмологии В современной офтальмологии полимеры являются одним из самых рас-

пространенных видов материалов. Наряду с общими требованиями к ним предъявляются также требования по прозрачности, смачиваемости поверхности слезной жидкостью. В очковой коррекции зрения применяются материалы на основе поликарбоната. В контактной коррекции зрения, реконструктивной оф-тальмохирургии используются полимеры на основе полиметилметакрилата. В сочетании с гидроксилметилметакрилатом, метакриловой кислотой, тримети-лом пропан триметакрилатом, этиленгликолем, диметакрилатом производятся мягкие контактные линзы (МКЛ) и интраокулярные линзы (ИОЛ).

В зависимости от процентного отношения компонентов меняются физи-ческие свойства линз и характер взаимодействия с органом зрения и его средой. Для этих целей используются материалы марки Ст-1, дакрил-4Б, Ханита, Гид-равью, Окуфилкон А-D, II-FDA не ионная группа, этафилкон A-B. Силикон – пластик используется в качестве пломб для циркляжа при операции на сетчат-ке.

На основе полиметилметакрилата производятся материалы для керато-протезов глазного яблока. Кроме того, в реконструктивной хирургии использу-ются кремнийорганические полимеры (силикат) в виде жидкостей, каучуков, пластиков, из которых изготавливаются контактные силикогидрогелевые лин-зы, дренажи, силиконовые интраокулярные линзы. Силиконовые протекторы используются при проведении полостных глазных операций, силиконовые кау-чуки применяются в качестве искусственного стекловидного тела.

Гидрогели этих полимеров используются для приготовления глазных капель, эмульсий, суспензий, обладающих пролонгирующим действием (про-лонгированные лекарственные пленки). Из указанных полимеров производятся инструменты для офтальмологических операций, дренажи, полимерная вата.

Шовные материалы, применяемые в офтальмологии производятся на основе полимеров: нейтральные – нейлон, этилон, полиэстер, полипропилен; рассасывающиеся – викрил, биосорб.

45

4.8 Стоматология и челюстно – лицевое протезирование Успехи, достигнутые в проведении стоматологических операций,

имеющих массовый характер, во многом связаны с широким внедрением в сто-матологическую практику полимеров. В РФ выпускается широкий ассортимент синтетических материалов стоматологического назначения (таблица 6), основу большинства из которых составляют полимеры и сополимеры акрилового ряда. Таблица 6 - Характеристика отечественных полимерных материалов стомато-логического назначения

Состав Наименова-ние

материала порошок жидкость Область применения

АКР-7 Эмульсионный окрашенный и пластифициро-ванный ПММА*, замутненный ZnO или TiO2

Метилметакри-лат, содержащий стабилизаторы - гидрохинон и дифенилолпро-пан

Изготовление базисов, мостовидных проте-зов, искусственных зубов, шин, лицевых протезов

АКР-15 (Этакрил)

Сополимер ММА***, мети-лакрилата, эти-лакрилата

Смесь этилового и метилового эфиров метакри-ловой кислоты

Изготовление базисов, съемных протезов, ис-кусственных зубов

Акреал Суспензионный окрашенный ПММА*, замутненный ZnO или TiO2

ММА*** с добав-кой метилолме-такриламида и стабилизатора

Изготовление базисов

Протакрил Смесь ПММА* с перекисью бен-зоила и дисуль-фанамином

ММА*** с акти-ватором - диме-тилпаратолуиди-ном

Перебазировка и по-чинка съемных проте-зов

ЭГМАС-12 Смесь ПВХ** и TiO2

Дибутилфталат Изготовление защит-ных боксерских шин

Норакрил-65 ПММА*, может быть окрашен в 6 цветов

№1 – ММА*** с гидрохиноном и деметилпаратолидином,

у

№2 – ММА*** с метакриловой кислотой и гид-рохиноном

Пломбирование зубов, восстановление углов и краев фронтальных зубов

ПММА* — полиметилметакрилат, ПВХ** — поливинилхлорид, МMA*** — метилметакрилат

46

Использование их возможно как в виде вспомогательных материалов, так и непосредственно для создания стоматологических протезов, изготовления искусственных зубов, ортодонтических аппаратов, челюстно-лицевых протезов и др. Проводятся работы по изысканию новых полимеров для стоматологиче-ских целей. Имеются сообщения об использовании для челюстно-лицевого протезирования (исправление лицевых дефектов, изготовление искусственных ушных раковин и т.п.) полипропилена, поликарбоната, кремнийорганических каучуков, пластифицированного поливинилхлорида и др.

4.9 Полимеры, используемые в функциональных узлах

хирургических аппаратов

В отечественной промышленности и за рубежом разработаны многочис-ленные аппараты, выполняющие роль отдельных органов или являющиеся средствами поддержания функционирования систем человеческого организма. К таким аппаратам относятся различные аппараты искусственного кровообра-щения (АИК), перитониального диализа (АИП), вживляемые стимуляторы сердца и других органов. К полимерам, используемым в этих аппаратах, предъ-являют те же жесткие требования, что и к материалам, предназначенным для внутреннего протезирования. Полимерные мембраны, выполняющие в АИК и АИП роль основного функционального узла, должны обладать селективной пропускаемостью по отношению к компонентам крови, высокой эффективно-стью диализа, достаточной механической прочностью, оказывать наименьшее травмирующее действие на кровь. Установлено, что перенос соединения через полимерные мембраны осуществляется с учетом полупериода (таблица 7). Таблица 7 - Полупериоды переноса некоторых соединений через различные полимерные мембраны

Полупериод переноса, мин

Соединение Пленка из поли-уретана на осно-ве полиоксиэти-ленгликоля

Медно-аммиачная цел-люлозная пленка

Полиэтилентерафталатная пленка

Мочевина 168 99 57 Глицин 624 150 183 L-Аланин 417 171 201 Саркозин 869 189 262 Д, L-Серин 510 227 249 Креатинин 420 223 150 Мочевая кислота - 471 240 Аскорбиновая кислота 276 254 142 Глюкоза 1056 318 298 Лимонная кислота 258 218 191 Тиаминхлорид 490 386 167 Сахароза 1700 386 412

47

Целлофановые пленки ранее широко применялись для указанных целей, но в настоящее время уже не удовлетворяют требованиям, которые предъявля-ются к материалам, предназначенным для создания портативных и высокоэф-фективных диализаторов, АИК и других аппаратов. Мембраны нового типа по-лучают путем модификации пленок из целлофана, используют мембраны из кремнийорганических полимеров, модифицированных полиолефинов, блок со-полимеров полиоксиэтиленгликоля с полиэтилентерефталатом, полиуретано-вых эластомеров и др.

4.10 Полимеры направленного биологического действия

Роль полимеров в фармакологическом аспекте, на сегодняшний день не-

велика. В лечебной практике их используют мало. К веществам, вводимым в организм, тем более к таким, которые должны в растворенном виде попасть в кровь, лимфу, межклеточные и клеточные полости и могут достигнуть любой части тела, любого его рецептора, предъявляются, естественно, очень жесткие требования. До начала широкого использования полимеров в фармакологии должно быть изучено множество вопросов, связанных с взаимодействием по-лимер — организм. Однако, потенциальные возможности получения положи-тельных эффектов от применения полимеров в этой области весьма велики и поэтому экспериментальные (на животных) и клинические исследования при-обретают все больший размах.

Полимеры, применяемые в качестве фармакологических (терапевтиче-ских) препаратов в виде лекарств или компонентов лекарственных форм и ком-позиций, обладают свойством растворимости (рассасываемости) в воде, водно-солевых или в биологических (желудочный и кишечный соки, лимфа, плазма) средах.

Перевод лекарственных соединений в полимерное состояние позволяет: − на более длительное время задержать лекарство в организме, т.е. пролонгировать его действие;

− селективно направить в определенные органы или ткани; − получить такие лекарственные формы веществ, в которых ранее они не могли применяться, например, нерастворимые вещества перевести в рас-творимые или наоборот;

− превратить инъекционные препараты в пероральные, а применявшиеся в виде порошков или таблеток — в инъекционные (ампульные). В ряде случаев биологическое действие (сохранение или повышение

кровяного давления, дезинтоксикация, интерфероногенное, противовирусное, антикоагуляционное действие) проявляется синтетической макромолекулой, в структуру которой не введено никаких низкомолекулярных фармакологических веществ. Явно выраженным терапевтическим действием обладают, например поливинилпирролидон, карбоксилатные сополимеры, сульфовинол, сульфодек-стран, N-окись поливинилпиридина. Наиболее широкие масштабы приобретает применение водорастворимых высокомолекулярных веществ в качестве крове- или плазмозаменителей.

48

4.11 Полимеры в биологически активных системах

Рассмотрим возможности использования полимеров в биологически ак-тивных системах, в том числе полимеры с собственной биологической активно-стью, макромолекулярные системы с иммобилизованными биологически ак-тивными веществами, системы с контролируемым выделением биологически активного вещества.

Понятие «биологическая активность» охватывает широкий круг явле-ний. С точки зрения химического воздействия под биологически активными веществами (БАВ) принято понимать вещества, которые могут действовать на биологические системы (в том числе на организм человека), регулируя их жиз-недеятельность. Способность к такому воздействию трактуют как способность к проявлению биологической активности. Это утверждение требует пояснений. Так, термин «регулирование» относится к широкому кругу явлений и может проявляться в стимулировании, угнетении, развитии тех или иных признаков и т.п. Крайним проявлением биологической активности является биоцидное дей-ствие, когда в результате воздействия вещества (биоцида) на организм послед-ний погибает. В практике хорошо известны такие биоциды, как гербициды, фунгициды, инсектициды, акарициды, бактерициды, убивающие соответствен-но растения, грибы, насекомых, клещей, бактерии. Биоциды следует рассмат-ривать в ряду биологически активных веществ, так как во многих случаях при меньших дозах и концентрациях они оказывают на живые организмы не ле-тальное (смертельное), а стимулирующее действие.

Недостатки БАВ. В настоящее время известно большое количество биологически активных веществ. Их широкое использование могло бы привес-ти к созданию высокоэффективных лекарств, биоцидов, стимуляторов роста и развития ценных признаков у растений и полезных микроорганизмов. Несмотря на значительные достижения в этом направлении применение известных БАВ в практике все еще недостаточно. Нередко с эффективность от их использования далека от максимальной. Так, для некоторых лекарственных веществ и биоре-гуляторов характерны узкие области положительно действующих доз и концен-траций, превышение которых приводит к побочным эффектам. При этом лекар-ственные вещества помимо попадания в пораженные органы могут распростра-няться по другим частям организма, оказывая острое токсическое, аллергиче-ское, канцерогенное действие. Все это затрудняет точное дозирование исполь-зуемого БАВ. Кроме того, такое побочное действие не позволяет ввести в орга-низм такое количество БАВ, которое бы обеспечило необходимое во многих случаях длительное действие препарата.

При применении БАВ, подвергающихся вымыванию, улетучиванию, биодеградации (что часто наблюдается при использовании пестицидов), изме-нению структуры (например, для лекарственных белковых соединений), а так-же для достижения положительного эффекта требуется использование завы-шенных доз препарата или его многократное введение, что значительно удоро-жает применение.

49

4.12 Биологически активные полимеры и биологически активные системы с использованием полимеров

Как установлено многими исследованиями, указанные недостатки БАВ

могут быть устранены или их роль может быть значительно снижена при их использовании в виде химических соединений с некими носителями или моди-фикаторами, в качестве которых чаще всего используют различные полимеры. Такое химическое соединение фактически является новым биологически ак-тивным полимером, отличающимся химическим строением от исходного поли-мера-носителя. При этом химическая связь БАВ с полимерным носителем мо-жет быть устойчивой во время функционирования биологически активного по-лимера (такие полимеры часто называют системами с иммобилизованным , то есть «обездвиженным» БАВ), но может и разрушаться с определенной скоро-стью . В последнем случае скорость такого постепенного (пролонгированного) выделения может регулироваться строением полимера или конструкцией био-логически активной системы, что позволяет назвать это явление контролируе-мым выделением (controlled release), а сами биологически активные объекты, соответственно, полимерами или системами с контролируемым выделением БАВ.

Другую группу биологически активных полимеров составляют высоко-молекулярные соединения, не содержащие специально введенных БАВ, актив-ность которых определяется их макромолекулярной природой. Такие вещества принято называть полимерами с собственной биологической активностью.

Помимо биологически активных полимеров распространены полимер-ные формы с не химически введенными БАВ. Для их создания используются полимеры, сформированные в виде различных форм (таблетки, микрокапсулы, пленки), которые включают БАВ, химически не связанные с полимерным носи-телем, постепенно выделяющиеся при функционировании системы.

Наконец, полимеры содержатся в ряде форм в качестве вспомогатель-ных составляющих - наполнителей, компонентов, облегчающих формование и т.п.

4.13 Полимеры с собственной биологической активностью Способность водорастворимых полимеров различного строения, не со-

держащих специально связанного БАВ, влиять на жизнедеятельность организ-ма человека и других живых организмов показана во многих работах. На основе таких полимеров получены практически полезные лекарственные и биоцидные препараты. Выделяют две основные группы таких полимеров: неионогенные водорастворимые и ионогенные водорастворимые полиэлектролиты.

Неионогенные водорастворимые полимеры. Наиболее известная об-ласть использования неионогенных водорастворимых полимеров - применение их для восполнения дефицита компонентов крови, возникающего при шоковой кровопотере. Эти полимеры являются основой одного из важнейших типов ле-карственных препаратов - кровезаменителей. Восстановление содержания бел-

50

ков в плазме после кровопотери за счет биосинтеза - достаточно длительный процесс (несколько суток).

Использование кровезаменителей позволяет в значительной мере вос-становить потерянные функции немедленно после их введения в организм. В частности, водорастворимые полимеры составляют основу двух групп кровеза-менителей: гемодинамического и дезинтоксикационного действия. Кровезаме-нители гемодинамического действия восполняют функцию белков плазмы, в первую очередь, сывороточного альбумина, обеспечивающую осмотическое давление крови. Поскольку для выполнения этой функции полимер должен иметь достаточно высокий молярный вес (не менее 50000-60000), в качестве основы препаратов этого типа используют полимеры природного происхожде-ния (после определенной химической модификации), способные к последую-щей биодеструкции в организме и выведению из него. К таким полимерам при-родного происхождения относятся декстран, частично гидроксиэтилированный крахмал и получаемый из коллагена денатурированный белок - желатин. Хотя кровезаменители гемодинамического действия способны комплексоваться с попадающими в организм токсическими веществами с последующим их мед-ленным выведением, для ускорения этого процесса применяется специальная группа дезинтоксикационных кровезаменителей, в качестве основных компо-нентов которых используются более низкомолекулярные полимеры с молярной массой 10000. Полимеры с такой молярной массой легко выводятся из организ-ма с мочой через почки. Поэтому в этих препаратах могут быть использованы и карбоцепные полимеры: поли-N-винилпирролидон, поливиниловый спирт, по-ли-N-(2-гидроксипропил) метакриламид.

Водорастворимые полиэлектролиты. У водорастворимых полиэлек-тролитов проявляются различные типы биологической активности. В частно-сти, они могут оказывать биоцидное действие на микроорганизмы, моделируя действие некоторых природных полимеров. Различной биоцидной активностью обладают и многие синтетические полиэлектролиты. В частности, микробицид-ная активность отмечена у катионных полиэлектролитов. Главным образом это азотсодержащие полимеры, преимущественно содержащие боковые или вклю-ченные в основную цепь первичные, вторичные и третичные аминные или чет-вертичные аммонийные группы. Эти вещества могут взаимодействовать с кле-точными мембранами, вызывая распад и агглютинацию клеток или стимулируя поглощение микроорганизмов макрофагами. Среди них полиэтиленимин, гомо-полимеры и сополимеры со звеньями виниламина и поливинилпиридиновых солей, полимеры, содержащие четвертичные аммонийные группы в основной цепи.

Водорастворимые поликатиониты обладают и другими видами био-логической активности. В частности, у поликатионов отмечена способность об-разовывать комплексы с гепарином - природным полисахаридом, регулирую-щим процесс свертывания крови. Гепарин, содержащий сульфо- и сульфамид-ные группы, вводят в кровеносное русло для того, чтобы снизить свертывае-мость крови перед проведением различных операций на сердечно-сосудистой системе, особенно с использованием аппарата искусственного кровообращения.

51

После операции для прекращения антикоагулирующего действия гепарина и приведения механизма свертывания крови в норму необходимо его удаление или нейтрализация. Для нейтрализации избытка гепарина могут быть использо-ваны поликатионы.

Биологической активностью обладают и водорастворимые полимер-ные анионы (полианиониты). Полианионы, содержащие сульфогруппы, могут использоваться в качестве антикоагулирующих аналогов гепарина. Значитель-ный интерес вызвали поликарбоксильные полимеры, в частности гидролизо-ванные сополимеры дивинилового эфира и малеинового ангидрида (так назы-ваемый пирановый сополимер), содержащий звенья замещенных пирана и тет-рагидрофурана и менее токсичный сополимер фурана, малеинового ангидрида и акриловой кислоты.

Полианионы могут влиять на деятельность поглощающих клеток орга-низма, с чем, вероятно, связана их антивирусная активность, которая позволяет рассматривать полианионы как перспективные компоненты противовирусных вакцин. Важной стороной активности полианионов является активация при их введении образования интерферонов - группы защитных белков, вырабатывае-мых клетками позвоночных. Повышенная концентрация интерферонов способ-ствует устойчивости организма, в частности к онкологическим заболеваниям, что вводит полианионы в число препаратов, обладающих противоопухолевой активностью.

4.14 Системы с контролируемым выделением БАВ

Системы с постепенным или контролируемым выделением активного вещества составляют важнейшую группу биологически активных полимерных систем. Постепенное попадание БАВ в живой организм в малых дозах, скорость которого можно регулировать, изменяя строение системы, позволяет устранить многие недостатки свободных БАВ. В частности, использование таких систем снижает роль побочного действия, например, побочной токсичности, и позво-ляет ввести в организм повышенную дозу препарата, что важно для лекарст-венных систем. Как видно, обеспечение длительного действия препарата при однократном введении невозможно из-за его быстрого расходования. В то же время увеличить его вводимую дозу нельзя из-за побочной активности.

С другой стороны, этого вполне можно достигнуть используя форму ле-карственного препарата с контролируемым выделением активного вещества. Кроме того, одним из важнейших направлений разработки новых систем с кон-тролируемым выделением активного вещества является создание систем, целе-направленно доставляющих лекарственное вещество в пораженный орган.

Механизм постепенного дозирования лекарственного вещества из сис-темы может быть реализован за счет различных факторов.

Чаще всего это: 1) распад химической связи между полимерным носителем и лекарственным

веществом (биологически активные полимеры);

52

2) диффузионное проникновение через слой полимера (например, трансдер-мальные средства);

3) выход активного вещества за счет деградации (эрозии) полимерной системы (наночастицы, покрытия таблеток);

4) выход активного вещества при набухании системы (гидрогелевые системы). Отдельную группу систем с контролируемым выделением БАВ состав-

ляют осмотические устройства.

4.15 Полимеры с химически связанным БАВ

Полимерные системы, содержащие БАВ, связанные с полимерной це-пью гидролитически лабильной связью, постепенно разрушающейся в условиях функционирования системы, находят применение в различных областях. По та-кому принципу, в частности, построены полимерные формы регуляторов роста и развития растений (фитоактивные полимеры), а также различных пестицидов, дозирующие активные вещества с оптимальной скоростью, предназначенные для применения в растениеводстве и других областях сельского хозяйства. В медицине такие полимеры используют для создания водорастворимых форм, транспортируемых в пораженный орган, что способствует уменьшению вводи-мой дозы препарата и снижению возможности проявления им общего побочно-го действия. Препараты на основе этих полимеров предназначены для введения в кровеносное русло инъекционным путем.

Для придания таким полимерам оптимальных свойств в них вводятся специальные группы, придающие всей системе растворимость в воде, и груп-пировки – «векторы», которые способствует доставке полимера в пораженный орган. Для исключения аккумулирования полимера-носителя в организме после выполнения лекарственной системой своей функции в основную цепь полимера могут быть введены гидролизуемые группы, обеспечивающие ее распад в орга-низме до легко выводимых фрагментов. Большой вклад в разработку таких ле-карственных полимерных систем внесли немецкий ученый Х. Рингсдорф и чешский ученый И. Копечек. Поэтому часто принципиальную модель такой сложной лекарственной полимерной системы, содержащей в цепи звенья с раз-личными структурными элементами, называют моделью Рингсдорфа - Копече-ка.

Чаще всего в качестве носителей в таких лекарственных системах ис-пользуют хорошо изученные полимеры, находящие применение в составе пре-паратов кровезаменителей: декстран, поли-N-винилпирролидон, поли-N-(2-гидроксипропил) метакриламид, в которые введены звенья или функциональ-ные группы, используемые для связывания БАВ. Содержащиеся в них боковые амидные и гидроксильные группы определяют растворимость в воде всей сис-темы. Группами-векторами могут служить, например, моно- и олигосахара, а также антитела.

53

4.16 Полимеры с иммобилизованным БАВ

Среди биологически активных полимеров можно отметить несколько групп высокомолекулярных соединений, в которых БАВ или группировка, оп-ределяющие наличие активности, связаны с полимерным носителем химиче-ской связью, разрушение которой не предусматривается во время функциони-рования системы.

В частности, это относится к так называемым иммобилизованным фер-ментам, применяемым в составе водорастворимых лекарственных препаратов. Связывание фермента с полимерным носителем или модификатором позволяет повысить его устойчивость к денатурации, приводящей к потере активности. Другим важным качеством модифицированного полимером белка является его большее время циркуляции в кровеносном русле, что позволяет значительно повысить эффективность препарата.

Наиболее исследованными в этом отношении оказались препараты мо-дифицированного декстраном фермента стрептокиназы (препарат «Стрептоде-каза»), используемого для растворения липидных образований внутри крове-носных сосудов, и препараты модифицированного гемоглобина - переносчика кислорода, рассматриваемого в качестве кровезаменителя. Принцип создания водорастворимых иммобилизованных ферментов основан на том, что часть функциональных групп белка не участвует в формировании его активного цен-тра и может вступать в различные взаимодействия, в том числе и химические реакции, с функциональными группами полимерного модификатора. Следует отметить, что проблема иммобилизованных биокатализаторов имеет большое значение для биотехнологических процессов, где широко используются их не-растворимые формы.

Другим примером таких систем с постоянным связыванием (иммобили-зацией) являются иммуноактивные полимеры, представляющие собой конъю-гат полимерного носителя и активной, обычно низкомолекулярной группиров-ки (так называемого гаптена), вызывающей раздражение рецепторов иммуно-компетентных клеток. Гаптеновой активностью обладают различные вещества, как аналогичные детерминантной группе антингенов, так и отличные от нее, например: витамины, пептиды, коферменты, ароматические нитросоединения и др.

Гаптены используют для выявления строения активной детерминанты антигенов и при создании искусственных вакцин, в которых полимерный мо-дификатор обеспечивает взаимодействие системы с поверхностью иммуноком-петентных клеток. При создании искусственных вакцин большую роль могут играть полимерные, чаще полиэлектролитные модификаторы антигенов (адъю-ванты), которые усиливают действие последних.

4.17 Крове- и плазмозаменители

Введенные в кровяное русло кровезамещающие жидкости (водные рас-творы высокомолекулярных веществ) должны временно выполнять роль крови

54

как своеобразного «жидкого органа». Отсюда вытекают особые требования к полимерам-кровезаменителям:

− длительно удерживаться в кровяном русле, для чего молярная масса поли-мера должна быть достаточно высокой;

− полностью выводиться из организма или вступать в обмен веществ; − обладать постоянными физико-химическими свойствами (осмотическим давлением, вязкостью и др.), близкими по значению соответствующим по-казателям плазмы крови;

− не вызывать гемолиза (распада) или агглютинации (склеивания) эритроци-тов;

− не быть анафилактогенными; − не вызывать сенсибилизации организма при повторном введении; − быть нетоксичными, непирогенными; − легко стерилизоваться и выдерживать достаточно длительные сроки хра-нения.

Основные функции кровезаменителей: − заполнение кровяного русла, обеспечивающее поддержание постоянного давления в нем;

− удаление из организма токсичных веществ различного происхождения; − перенос энергетически питательных веществ.

Кровезаменители по выполняемым ими лечебным функциям делят на три главные группы:

1) противошоковые; 2) дезинтоксикационные; 3) препараты парентерального питания.

Соответственно различаются и некоторые требования к полимерным веществам. В качестве препаратов противошокового действия можно использо-вать полимеры с достаточно высокой молярной массой (оптимально 30000 - 60000), что обеспечивает длительное пребывание полиме-ра в организме для восстановления гемодинамики. Дезинтоксикаторы эффек-тивны при сравнительно низкой молярной массе (10000—20000), т. к. они должны быстро выводиться из организма, унося токсичные вещества. Для пре-паратов третьей группы этот показатель не регламентируется, т. к. они в орга-низме расщепляются и ассимилируются (усваиваются).

Кровезаменители противошокового действия. Наиболее широко ис-пользуют для получения таких кровезаменителей плазму нативной крови, дек-стран, поливинилпирролидон и желатину. Из них готовятся следующие препа-раты: полиглюкин – 6 % - ный солевой раствор продукта частичного гидролиза соляной кислотой нативного декстрана, синтезируемого определенным штам-мом бактерии (наиболее эффективна фракция с молярной массой 55000 ± 15000); гемовинил - 3,5 % - ный солевой раствор фракции поливинил-пирролидона с молярной массой 30000 - 40000; желатиноль – 8 % - ный раствор частично гидролизованной желатины, в его состав входят различные полипеп-тиды, с молярной массой от 5000 и выше; раствор БК-8 получают из гетероген-

55

ных белков, специально обработанных с целью лишения их антигенных свойств. За рубежом широко применяют препарат гемацел, получаемый путем гидролиза и последующего ресинтеза пептидных цепей желатины (молярная масса около 35 000).

Кровезаменители для дезинтоксикации. Дезинтоксикационный эф-фект, или свойство растворов полимеров выводить из организма токсины бак-териального и иного происхождения, обусловливается способностью макромо-лекул сорбировать или связывать в комплексы вещества различной природы. Наиболее эффективными препаратами являются: гемодез – 6 % - ный раствор низкомолекулярного поливинилпирролидона с молярной массой 12000 - 27000 (до 80 % препарата выводится почками в течение первых 4 часов); поливинило-вый спирт с молярной массой 10000; реополиглюкин - низкомолекулярные фракции гидролизата декстрана с молярной массой около 35000. Все кровеза-менители готовят на физиологическом растворе с доведением рН до 5 - 7. В ка-честве других компонентов кровезаменителей, приближающих их по свойствам к крови (достижение изотоничности и изоионичности) и обуславливающих до-полнительный лечебный эффект, применяют глюкозу, лактат натрия, соли Nа, К, Са, Mg и др.

В экспериментах на животных и в клиниках в качестве кровезамените-лей испытывается ряд других препаратов на основе синтетических и природ-ных полимеров: гидроксиэтилкрахмал – 6 % - ный раствор частично гид-ролизованного и обработанного окисью этилена крахмала (по терапевтическо-му действию и побочным реакциям этот препарат близок декстрану); метил-целлюлоза – 2 % - ный солевой раствор натриевой соли карбоксиметил-целлюлозы, с молярной массой 30000 - 70000; сополимеры окиси этилена с окисью пропилена; растворы левана (биосинтетический препарат полифрукто-зы), гуммиарабика (молярная масса 2000), пектинов (молярная масса 4000 - 6000), фракций гидропектина яблок, амилопектина и др.

Ведутся широкие исследования по синтезу полимерных кровезамените-лей, которые, кроме вышеперечисленных основных свойств, обладали бы спо-собностью к переносу кислорода и углекислого газа, функциями лечебных пре-паратов направленного действия. Кровезаменители для парентерального пита-ния представляют собой продукты полного или частичного расщепления бел-ков.

4.18 Пролонгаторы

Действие ряда лекарственных веществ можно продлить, если их вводить в растворе вместе с полимерами. В качестве таких растворов используют крове-заменители (полиглюкин, поливинилпирролидон, поливиниловый спирт и др.). Чем выше молярная масса полимера и его концентрация, тем дольше действуют такие препараты. При этом улучшается растворимость, снижаются токсичность и побочные действия лекарственных веществ. Эффект пролонгации и умень-шение токсичности обусловлены тем, что лекарственные вещества более или менее прочно связываются с полимерами, затрудняется диффузия лекарства из

56

места введения. Большие молекулы (молярная масса более 50000) с трудом или вовсе не проходят через биологические барьеры и более длительно находятся в крови, лимфе или межклеточной жидкости. По-видимому, постепенно отщеп-ляясь и достигая соответствующего рецептора, лекарственное вещество прояв-ляет свое действие.

Применение пролонгированных лекарств позволяет уменьшить число приемов или инъекций; увеличить вводимые дозы без увеличения токсичности и в то же время уменьшить общее количество используемого лекарственного средства; уменьшить или устранить колебания концентрации активного веще-ства, неизбежные при периодических приемах обычных препаратов. В смеси с полимерами более длительным действием обладают, например, антибиотики, инсулин, новокаин и др. Некоторые из препаратов такого типа уже использу-ются в практике, другие проходят проверку на животных и в клинике. Пролон-гирующее действие полимеров может быть усилено, если использовать поли-меры, имеющие функциональные группы. В этом случае могут образовываться более прочные соединения типа комплексов или солей. Для их получения ис-пользуют поливинилпирролидон, крахмал, декстран, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль и сополимеры. Наиболее известны комплексы полимеров с йодом, которые обладают высокой бактерицидной активностью. Их применяют как в виде водных растворов, так и в виде гелей, пленок, нитей.

Препарат йодинол —1 % - ный водный раствор йодного комплекса по-ливинилового спирта, нашел широкое применение в медицине и ветеринарии. В качестве антисептиков предложены йодные комплексы поливинилпирроли-дона. Описано применение комплексов железа и декстрана (для лечения ане-мии), кобальта и декстрана, производных полиэтиленоксида и различных ле-карственных препаратов.

Ряд полимеров, в структуре которых нет специально введенных лекарст-венных соединений обладают также как и полимерные лекарственные вещества биологической активностью, свойствами терапевтически действующих препа-ратов. К таким полимерам можно относить плазмозаменители, поскольку они также осуществляют лечебные функции (лечение шока, ожоговой болезни и др.).

Сульфированный поливиниловый спирт может быть использован как антикоагулянт крови - заменитель гепарина. В качестве препаратов, нейтрали-зующих антикоагуляционное действие гепарина, используют полимерные чет-вертичные соли. Широкое практическое применение нашел препарат «поли-брен» — продукт взаимодействия тетраметилгексаметилендиамина с тримети-лендибромидом. Известно применение поли-N-окисей винилпиридина для ле-чения силикозов. Имеются сведения о синтезе длительно действующих поли-мерных веществ, обладающих защитным действием при облучении.

Полимеры и сополимеры с кислотными функциональными группами эффективны в борьбе с вирусными заболеваниями. В этом случае действие по-лимеров заключается в стимулировании выработки в организме особого защит-ного вещества белковой природы - интерферона, а также и в непосредственной инактивации вирусов. В качестве таких противовирусных и интерфероноген-

57

ных препаратов испытываются полимеры и сополимеры ненасыщенных карбо-ловых и сульфоновых кислот, малеинового ангидрида и др. Наибольшей ин-терфероногенной активностью обладают специфичные комплексы породных полимеров - полинуклеотидов (полигуаниловой, полицитидиловой кислот и др.), получение которых возможно путем ферментативного и химического син-тезов или их комбинацией.

Широкие возможности модификации известных и получения новых ле-карственных соединений представляют методы присоединения к полимерам терапевтических средств, с помощью химических связей, а также полимериза-ция или поликонденсации соответствующих производных. При этом получают-ся фармакологически или биологически активные препараты, специфика дейст-вия которых определяется макромолекулярной природой вещества: молярной массой, конфирмацией, прочностью связей в основной полимерной цепи или в боковых активных группах по отношению к гидролитическому или ферментативному расщеплению.

Для синтеза полимерных лекарственных препаратов методом полимер аналогичных превращений можно использовать практически любые водорас-творимые полимеры с функциональными группами (альдегидными, кислотны-ми, аминными и т. п.), например карбоцепные поликислоты (метакриловую, ак-риловую), сополимеры винилпирролидона или винилового спирта, окисленные или модифицированные иным образом декстраны, крахмал, целлюлозу и т.д. Описано применение в качестве лекарственных веществ, присоединяемых к по-лимерам, антибиотиков, гормонов, ферментов, салицилатов, анестетиков, алка-лоидов, противотуберкулезных и противоопухолевых препаратов, витаминов и др. Поведение полимерных лекарственных соединений в организме, их эффек-тивность, специфичность действия и возможность применения изучаются пока, в основном, в экспериментах на животных.

Полимер, используемый в качестве лекарства, например плазмозамени-теля или терапевтического препарата, остается в организме более или менее продолжительное время и должен выводиться в неизменном или деструктиро-ванном виде. Полимеры с молярной массой до 12000 выводятся практически полностью за несколько часов.

4.19 Вспомогательные вещества для создания различных лекарственных форм

Наиболее важное значение синтетические полимеры приобретают в соз-дании новых лекарственных форм уже известных терапевтических средств, а также в качестве заменителей восков, жиров и масел. Полимеры используют как безжировые основы паст, мазей и пластырей, для стабилизации растворов, эмульсий, суспензий.

Требования к полимерам в отношении их физиологической активности в этих случаях менее специфичны, поскольку практически все большие полимер-ные молекулы не проникают через кожные покровы и клеточные мембраны. Основными из применяемых для этих целей полимеров являются полиэтиле-

58

ноксид, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон. В экспериментальных и поисковых работах используют также ряд производных целлюлозы, гомо- и со-полимеры акриламида, винилпирролидона, винилового спирта, этиленоксида и др.

Низкомолекулярные формы полиэтиленоксида (молярная масса 4000—10000) используют как заменители жировых основ и вазелина. Преимущества их в том, что они растворяются в воде, обеспечивают хороший контакт введенных в их состав лекарственных веществ с кожей, слизистой или раневой поверхностью, что обеспечивает легкое всасывание лекарства. При на-ружном применении такие мази, в отличие от вазелиновых, образуют эластич-ную «кожицу», а затем легко смываются водой или снимаются. В состав мазей вводят лекарственные (главным образом против кожных заболевании), дезин-фицирующие или бактерицидные вещества. Такие мази не приобретают горь-кий привкус и могут храниться длительное время. Эффективно применение их для массажа, а также для смазки медицинских инструментов.

Поливиниловый спирт (ПВС) применяется в качестве основы водорас-творимых мазей при лечении кожных заболеваний. Широко используется дей-ствие ПВС как защитного коллоида и поверхностно-активного вещества для стабилизации растворов, суспензии и эмульсий. В гормонотерапии, например, при лечении диабета, ПВС используют для создания устойчивых суспензий, содержащих инсулин в тонкодисперсном состоянии, допускающем инъекции. Такие препараты обладают длительным и ровным действием. Известно приме-нение ПВС для создания кровеостанавливающих средств (порошки на основе ПВС и хлорного железа, растворы ПВС с добавкой сахара и мочевины), а также ряда др. лечебных препаратов, включая пероральные и инъекционные формы, пленки, растворы для пропитки марли и т.д.

Перспективной формой использования ПВС является создание на его основе гелей (студней) с включенными в их состав лекарственными вещества-ми. Гели могут содержать сшивающие агенты, образующие (в зависимости от целей и способа использования) более или менее прочные связи между молеку-лами ПВС. В частности, могут быть использованы борная кислота, бура, конго красный, йод и др. Температура плавления гелей может регулироваться соот-ношением ингредиентов, а также концентрацией и вязкостью исходного ПВС, Гели плавятся в интервале температур 50—70 0С и застывают при 30 — 45 0С. Скорость их рассасывания в организме можно регулировать, используя поли-меры (ПВС, его производные, сополимеры винилового спирта) различной мо-лярной массы, а также меняя условия обработки полимерных композиций. По консистенции и плотности гели могут быть мягкие или плотные (хрящевид-ные).

Поливинилпирролидон с успехом применяют в качестве основы различ-

ных мазей, кремов, косметических жидкостей и лекарств для кожи. В отличие от ПВС и полиэтиленоксида, он растворим не только в воде, но и в ряде орга-нических жидкостей, что бывает целесообразно использовать при приготовле-нии некоторых препаратов.

59

В качестве покрытий и составных частей таблеток используют гомопо-лимеры, композиции (смеси) полимеров и сополимеров, обеспечивающие тре-буемые свойства по проницаемости (размерам пор), растворимости, рассасы-ваемости в различных средах, адгезионным и др. показателям. Некоторые ле-карственные вещества должны быть защищены от инактивации или разруше-ния содержимым желудка, чтобы их действие проявилось после всасывания в том или ином отделе кишечного тракта.

Важным является и регулирование скорости всасывания лекарства. В качестве полимеров, растворимых в желудке, используются: поливинилпири-дин; поливинилалкилпиридины; ацетат и диэтиламиноацетат целлюлозы, бен-зиламинометилцеллюлозу; статистические и привитые сополимеры поливини-ламина, поливинилацетата, поливинилацеталей, эфиров целлюлозы и др.

В качестве соединений, не растворимых в желудке, но растворимых в кишечнике, применяют полимеры со свободными карбоксильными группами и их производные: производные целлюлозы (ацетилфталилцеллюлоза и ее аммо-нийная соль), сополимеры малеиновой, акриловой и метакриловой кислот.

В ряде случаев нужны соединения, обладающие способностью раство-ряться (с различной скоростью) как в щелочной, так и в кислотной среде, но не растворяющиеся в нейтральной среде. В качестве таких веществ используют тройные сополимеры, состоящие, например, из звеньев винилпиридина (или алкилвинилпиридина), акриловой кислоты и какого-либо винильного мономе-ра, служащего для регулирования гидрофобности макромолекул.

Таблетки с использованием пористых ионообменных смол применяют для пролонгации действия некоторых лекарств, вводимых перорально. Разрабо-таны методы создания таблеток с двух- и многослойными полимерными по-крытиями. Расширяется использование полимеров для создания оболочек кап-сул, в которые заключаются лекарственные вещества. Ранее такие оболочки (например, из желатины) создавались только для лекарств перорального при-менения. В последние годы разработаны способы получения микрокапсул та-ких размеров (несколько мкм в диаметре), что их суспензии можно вводит инъекционно.

Помещенные внутри микрокапсул белки, ферменты, субсидированные вещества не выходят за их пределы, но могут реагировать с проникающими внутрь оболочек капсул низкомолекулярными соединениями и осуществлять обменные процессы как в аппаратах (например, искусственная почка), так и в организме (изменение баланса ионов или молекул и др.). Делаются попытки за-ключения в микрокапсулы гемоглобина и создания искусственных эритроци-тов.

Известно применение ПВС и его сополимеров, декстрана, полиуретанов и производных целлюлозы для создания гемостатических (кровоостанавли-вающих) средств, применяемых в виде пористых материалов (губок), порош-ков, пленок, растворов для пропитки марли и т.п. В качестве композиций для пластырей используют бутилированные, ацетилированные или форматирован-ные полимеры и сополимеры ПВС (например, сополимеры с хлорвинилацета-том) и ряд др. сополимеров. Ведутся исследования по применению полимеров

60

(например, гомо- и сополимеров винилпирролидона, окиси этилена, винилового спирта) для консервации трансплантатов (в том числе мозговой ткани, крови).

4.20 Полимеры с не химически введенным БАВ

Диффузионные и эродируемые формы. Системы, содержащие БАВ, по-степенно выделяющееся за счет диффузии через слой полимера или в результа-те распада полимерной матрицы, находят применение в различных областях, в частности, наиболее широко в медицине. Диффузионные и эродируемые поли-мерные формы с контролируемым выделением БАВ используются не только в медицине. Примерами таких форм могут служить капсулированные в полимер-ную оболочку удобрения, применение которых значительно уменьшает расход элементов питания растений, пролонгированные формы феромонов, исполь-зуемые в ловушках для вредных насекомых, полимерные противообрастающие покрытия, для покраски днищ судов.

Таблетированные формы лекарственных веществ широко распростра-нены и хорошо известны. Наиболее часто их используют как препараты для пе-рорального введения. Известны также таблетированные формы, предназначен-ные для подкожной имплантации. Проводимые в последние годы работы по использованию специальных полимеров для оптимизации свойств таблетиро-ванных форм привели к созданию таблеток, целенаправленно доставляющих лекарственное вещество в требуемую область желудочно-кишечного тракта.

Так, таблетки, покрытые полимером, содержащим основные группы, на-пример, сополимерами диметиламиноэтилметакрилата с метил- или бутилме-такрилатами, распадаются в кислой среде желудка. В то же время таблетки, по-крытые полимерами с кислотными группами, например, сополимерами акрило-вой кислоты и этилметакрилата или метакриловой кислоты и метилметакрила-та, устойчивы в желудке и распадаются в средах кишечника, в разных участках которого рН колеблется от 7,2 до 9,0.

Липосомы, модифицированные полимерами. Липосомы - сферические частицы (с диаметром 110 - 400 нм), образующиеся при диспергировании в водной среде мембран животных клеток или фосфолипидов, как известно со-держащих полярную и неполярную группы. При образовании липосом их гид-рофильная часть обращена в водную фазу, а гидрофобная - внутрь липидной сферы при общей хорошей диспергируемости всей системы в воде. Это позво-ляет распределять в водной фазе плохо растворимые в воде лекарственные ве-щества, помещая их внутрь липосом.

Полимеры используют для модификации свойств липосом, в первую очередь, для повышения устойчивости липидного слоя, увеличения продолжи-тельности их циркуляции в кровеносном русле, снижения их захвата клетками ретикуло-эндотелиальной системы. В частности, для модификации липосомной оболочки используют амфифильные производные полиэтиленгликоля, поли-N-винилпирролидона, акриламида. При введении в фосфолипиды, применяемые для получения липосом, ненасыщенных групп повышение их устойчивости может быть достигнуто при полимеризации липидного слоя.

61

Наночастицы. Наряду с водорастворимыми полимерами и липосомами в водной среде в организм могут быть введены полимерные лекарственные формы субмикроскопического размера (10-1000 нм): наносферы (сферические сплошные полимерные частицы, в массу которых введено лекарственное веще-ство) и нанокапсулы (сферические полимерные оболочки, включающие лекар-ственное вещество).

Такие полимерные системы могут быть получены при полимеризации акриламида, метилметакрилата, эфиров цианакриловой кислоты или с исполь-зованием готовых полимеров - альбумина, полиэфиров гидроксикарбоновых кислот - молочной и гликолевой. Небольшой размер этих лекарственных форм позволяет создать на их основе устойчивые водные системы. Оптимальные пу-ти применения взвесей наночастиц - инъекционное (например, внутривенное) и пероральное введение. Используют наночастицы и в составе глазных капель.

Полимерные лекарственные пленки, приготовленные на основе био-разрушаемых полимеров и содержащие БАВ, нашли применение в офтальмоло-гии, а также для профилактики ишемической болезни. Лекарственные пленки, содержащие включенные БАВ, хорошо хранятся и легко применяются при-клеиванием к слизистой поверхности глаза или десны.

Трансдермальные системы (многослойные, наклеивающиеся на кожу терапевтические системы) - одна из наиболее перспективных форм лекарствен-ных веществ, использующих полимеры. В общем случае трансдермальные сис-темы состоят из верхнего покровного слоя, диффузионного слоя, содержащего БАВ, полимерной пленки, контролирующей за счет диффузии поступление ак-тивного вещества, адгезионного слоя, удерживающего систему на коже и обес-печивающего контакт с ней, и защитной пленки адгезионного слоя, снимаемой перед наклеиванием системы на кожу. БАВ, диффундирующее из системы про-никает через кожный покров и, достигая подкожных сосудов, разносится по ор-ганизму. Для приготовления всех слоев трансдермальной системы используют полимеры.

Таким образом, использование полимерных систем позволяет придать БАВ совершенно новые свойства и значительно повысить их эффективность. Кроме того, высокомолекулярные соединения сами могут обладать биологиче-ской активностью за счет своей макромолекулярной природы. В настоящее время разработка и исследование новых биологически активных систем, полу-чаемых на основе полимеров и предназначенных для применения в медицине, растениеводстве и животноводстве, биотехнологии, пищевой и косметической промышленности, интенсивно проводятся во многих лабораториях мира.

62

5 Термопластические материалы Пластмассами, пластиками, полимерами называют материалы, получае-

мые на основе природных или синтетических полимеров, которые при опреде-ленных условиях, температурном режиме приобретают определенные свойства и формы, в частности, пластичность, а затем, охлаждаясь, отвердевают, сохра-няя форму при эксплуатации.

Они могут состоять из одного полимера или составлять сложную компо-зицию. Кроме полимеров в их состав входят наполнители, пластификаторы, от-вердители, катализаторы, красители и др. элементы (все они могут придавать пластикам те или иные свойства).

Полиэтилен имеет низкую плотность 0,918 – 0,93 мг/м3 и зависит от степени кристалличности 55 – 65 %, высокой плотности 0,949 – 0,96 мг/м3 и степени кристалличности 74 - 95 %. Химически стоек, температурный интервал эксплуатации от минус 15 0С до +150 0С, обладает высокими физико-химическими свойствами. Применяется в текстильной промышленности в ка-честве пластических и эластичных волокон, пленки полиэтилена, для изготов-ления конструкционных деталей, различных емкостей.

Полистерол – твердый, жесткий, прозрачный, аморфный пластик, рас-творяется в бензолах, стоек к слабым кислотам, щелочам, спиртам, не раство-ряется в маслах и бензине. Используется в температурном интервале 20 – 80 0С, склонен к старению и образованию трещин, в большей степени, чем полиэти-лен. Нашел применение в радиотехнике, аппаратуре, в производстве ручек для различных машин, бытовых приборов, труб и др. изделий. Широко применяет-ся в медицине.

Фторопласт-4 используется в температурном интервале от минус 269 0С до +250 0С, содержит кристаллическую и аморфную фазу. Он отличается высокой химической стойкостью против сильных кислот и щелочей, окислителей, растворителей, не смачивается водой, характеризуется малым ко-эффициентом трения. Недостатки: хладотекучесть, возможно выделение фто-ра при различных реакциях и повышенных температурах, сложный процесс пе-реработки. Нашел применение в производстве деталей химической аппаратуры, труб для химикатов, в радиотехнике, нанесении антифрикционных покрытий на металлы.

Поливинилхлорид – имеет аморфную структуру, не горюч, атмосферо-стоек, упруг, высокопрочен.

Винипласт – разновидность поливинилхлорида, применяется в произ-водстве труб в агрессивных средах, для защиты покрытий металлов, гальвани-ческих ванн. Недостатки – не длительная прочность и термостойкость под на-грузкой.

Пластикат – разновидность поливинилхлорида, используется в виде пленки, печатных валиков, уплотнительных прокладок конвейерных лент, труб.

Полиамиды – кристаллизующиеся пластики под названием капрон, ней-лон и др. Они стойки к бензину, спирту, щелочам. Рабочая температура от 60 0С до 100 0С. Полиамиды хорошие конструкционные материалы, проч-

63

ные. Положительные качества: способны противостоять износу, обладают вы-сокой ударной прочностью (растяжение без разрыва), низким коэффициентом трения. Недостатки: гигроскопичность и старение за счет окисления. Нашел применение в производстве зубчатых колес, шкивов, подшипников уплотни-тельных, волокон, канатов, антикоррозийных и антифрикционных покрытий металлов. Представитель: лавсан – сложный полиэфир, кристаллический поли-мер, при быстром охлаждении переходит в аморфный полимер. Химически стоек, морозостоек (минус 70 0С), механическая прочность не велика, но она может быть увеличена за счет заданной ориентации молекул. Применяется при изготовлении волокон тканей, пленки, канатов, ремней. К термостойким пла-стикам относят полиимиды – они стойки к растворению маслом, слабыми ки-слотами. Температурный диапазон от минус 200 0С до +300 0С. Полиамиды прочны, имеют низкий коэффициент трения, из них производят пленки, раз-личные детали для машин. В полиимиды вводят стеклянные волокна, что по-вышает их прочность, особенно, так называемая усталостная прочность. Благо-даря таким волокнам, они становятся теплостойкими и износостойкими. Из них делают стеклоткани, которые не горят при нагреве до 220 0С.

Типовые термореактивные материалы или реактопласты – это эпок-сидные стеклопластики. Они способны к длительной эксплуатации при темпе-ратуре 200 0С, фенолформальдегидные при температуре до 260 0С, кремнийор-ганические и полиамидные до 350 0С, смолы и непредельные полиэфиры 200 0С. Все они обладают высокой адгезией (слипчивостью), химической стой-костью, малой усадкой, высокой технологичностью.

Порошковые пластмассы - пресс порошки, наполнителями которых служат органические древесные наполнители (древесная мука), целлюлоза или минеральные наполнители (графит, тальк, кварц). Пластмассы из таких соеди-нений химически стойкие, температура плавления 110 0С. Они относятся к ка-тегории удовлетворительной прочности. Применяется в электроизоляционных деталях, в инструментальном деле. Однако в силовых конструкциях не исполь-зуются.

Волокнистые пластмассы, или волокниты. В качестве наполнителей используются очесы хлопка, различные тканевые отходы. Они похожи на пресс порошки по химическим и физическим свойствам. Из них изготавливают шки-вы, рукоятки, фланцы. Различают следующие волокниты:

− астоволокнит (наполнитель асбест) более теплостойкий, не плавится до 200 0С, химически стоек к кислотам, щелочам и др. используется в тормоз-ных устройствах, из-за незначительной стераемости;

− стекловолокнит (наполнитель стекловолокно) химически стоек, воз-можно производство продукции любой конфигурации и конструкции, с резьбой и со стальной арматурой. Применяется для изготовления крепежных изделий и деталей машин;

− гетинакс (наполнитель бумага) применяется в электротехнической промышленности для декоративной отделки, электрощитах, панелях (облицов-ка помещений);

64

− текстолит (наполнитель хлопчатобумажное волокно) используется в зубчатых колесах, вкладышах подшипников. Устойчив к истеранию;

− древесно-слоистые пластики (ДСП) (наполнитель древесный шпон) используется в подшипниках, шкивах, деталях швейных и текстильных машин, в автомобильной и вагонной промышленности;

− асбест–текстолиты (наполнитель асбестовая ткань) конструкционные детали этой группы используются в тормозных устройствах;

− стеклотекстолиты (стеклоткань) не плавится при температуре от 200 0С до 400 0С. Свыше этой температуры способны образовывать слой тер-мостойкого кокса, который замедляет процесс деструкции материала, защищая его. Они имеют высокую ударную вязкость и более высокую работоспособ-ность с металлами. Недостатки: анизотропия, т.е. деформация решетки и тер-модинамическая неустойчивость, возможность возврата к исходному состоя-нию при повышенной температуре, невысокий модуль упругости. Его приме-нение разнообразно: корпуса лодок, судов, кузова машин, корпуса для защиты дорогостоящей аппаратуры.

5.1 Низкотемпературные пластики для ортопедии

Традиционные методы лечения переломов и других травм опорно-двигательного аппарата и ведение больного после операций по поводу травм предполагают длительную иммобилизацию поврежденных частей тела – пре-имущественно в гипсовой повязке. Это не только приносит большие неудобст-ва для больного, но и являет собой опасность потери функции, как результат мышечной атрофии, тугоподвижность в суставах из-за дегенерации хрящевой ткани и нарушения трофики капсулы сустава. Гораздо легче предупредить на-ступление тугоподвижности в суставе, чем разрабатывать сустав после кон-трактуры. Необходимо всегда помнить, что статическую повязку нужно регу-лярно снимать и тренировать иммобилизованные части тела.

В настоящее время идея «динамической иммобилизации» успешно под-тверждена опытом крупнейших травматологических клиник во всем мире. Ак-тивные движения (даже незначительные) способствуют сохранению насосного механизма в мышечной ткани, помогая предотвратить нарастающий отек мяг-ких тканей и улучшить питание костных отломков. Как результат – ускорение образования костной мозоли и регенерации поврежденных тканей, предотвра-щение образования контрактур. Использование низкотемпературных пластиков в ортопедии, ортезировании, реабилитации и спортивной медицине позволит реализовать идею «динамической иммобилизации». Все термопластики разра-ботаны после длительных технических и клинических исследований, произве-денных при помощи профессиональных ортезистов.

Различают следующие низкотемпературные пластики: Turbocast (Турбокаст) Turbocast Ortho (Турбокаст Орто) Beachcast (Бичкаст) Turbotret Comfort (Турботрит Комфорт)

65

Общая характеристика: − не выделяет токсичные вещества и газы в течении всего периода применения; − рентгено-неконтрастен; − после наложения и застывания превращается в жесткую конструкцию, не требующую форсификации; − длительный срок хранения (в темном сухом помещении); − точно следует контурам поверхности (на которую наложен); − минимальный вес конструкции; − быстрота применения и изготовления изделия; − широкие возможности переформования; − легко моется и подвергается гигиенической обработке.

ТУРБОКАСТ – низкотемпературный термопластический материал на основе поликапролактона и полиуретана с поверхностным (наружным) покрытием с обеих сторон, толщиной 0,6 мм. Термопластик обладает «рабочей» памятью, создающую во время нагревания непрерывное движение молекул в определен-ном направлении. После размягчения материала молекулы находят свой путь в гравитационном поле, что позволяет формовать пластик по поверхностям с различной кривизной. Материал не садится и не давит на поверхность наложе-ния.

Турбокаст сохраняет свои свойства до тех пор, пока материал нерастя-нут по поверхности более, чем на 15 %. Нагревание свыше 100 0С приводит к расплавлению мягкого поверхностного слоя. Покрытие огрубевает и теряет свои уникальные свойства.

Особым преимуществом покрытия является отсутствие непроизвольного склеивания участков материала между собой при разогревании. Это дает воз-можность разогревать большие листы пластика в контейнерах с малыми объе-мами.

Вспененное покрытие способствует образованию тонкой, микроскопи-ческой, воздушной прослойки между термопластиком и кожей больного, пре-дотвращая кожные раздражения и гиперпотливость. Турбокаст не прилипает к волосяному покрову и повязкам. Это качество широ-ко используется для изготовления давящих повязок, туторов и ортезов у ожого-вых больных. БИЧКАСТ - точно следует контурам и изгибам поверхности, на которую на-ложен. После затвердевания превращается в прочную конструкцию, не тре-бующую дополнительной форсификации. Обладает повышенной эластично-стью и умеренно-клейкой поверхностью. Особые преимущества:

− экстра прочный; − экстра жесткая конструкция; − возможность вертикального моделирования; − рекомендуем для изготовления изделий с большой поверхностью и цирку-лярных ортезов.

66

Характеристики формования: − обработка. В связи с текучестью термопластики обладают исключитель-

ной способностью сглаживаться по краям и всей поверхностью изде-лия(после разогревания). Уникальные покрытия Турбокаста и Турботрита Комфорт исключают возникновение отпечатков пальцев и особенностей кожного покрова на готовом ортезе;

− соединение. Материалы без покрытий, такие как Турбокаст Орто и Бич-каст, обладают средним уровнем липкости. Это позволяет фиксировать ма-териал даже к вертикальным поверхностям и добиться более точного мо-делирования. С целью скрепления участков материала между собой отпа-дает необходимость в использовании клея. Устойчивое соединение может быть достигнуто при применении горячего воздуха (фен). Покрытия Турбокаста и Турботрита Комфорт исключают возможность

непроизвольного склеивания участков материала в процессе разогревания и формования. Эти термопластики склеиваются только при сдавливании разогре-тых участков. Применение фена, с последующим прочным сдавливанием уча-стков термопластика, также способствует сварке материала между собой.

Не клеящееся покрытие такого материала, как Турбокаст Орто НС, пре-дотвращает непроизвольное склеивание участков материала. Для закрепления дополнительных аксессуаров, или при дополнительной форсификации тем же материалом, необходимо соскоблить поверхностное покрытие.

− температура плавления. Материалы без покрытий, такие как Турбокаст Орто и Бичкаст, разогреваются в водяной бане при температуре от 60 0С до 65 0С. Турбокаст и Турботрит Комфорт – при температуре от 70 0С до 75 0С. Все низкотемпературные пластмассы разработаны с иде-ей непосредственного моделирования по телу пациента. При разогревании в воде материал адсорбирует тепло, но после того, как термопластик вынут из водяной бани, его поверхностная температура автоматически падает до 30 0С (в течение 3-5 секунд);

− память. Все низкотемпературные материалы обладают стопроцентной пластической памятью. Это означает, что материал принимает прежнюю форму и возвращается к исходным размерам и толщине после повторного разогревания. Изделия могут быть переформованы столько раз, сколько это необходимо для производства;

− прозрачность. Турбокаст Орто, Турбокаст и Турботрит Комфорт (в поряд-ке убывания) становятся прозрачными после разогревания. Это дает техни-ку возможность контролировать полное разогревание материала и при на-ложении видеть все особенности рельефа части тела и кожных покровов;

− конгруэнтность. Все термопластики обладают исключительным качест-вом до минимальных деталей соответствовать контурам поверхности;

− растяжение. Турбокаст Орто Штифф максимально резистентен к растяже-нию под воздействием гравитационных сил. Турбокаст Орто, Турбокаст и Турботрит Комфорт имеют среднюю резистентность к растяжению, что да-ет возможность контролировать растяжение материала и применять раз-

67

личные способы формования. Бичкаст - наиболее эластичный материал. Это качество широко используется для изготовления циркулярных изде-лий;

− перфорация. Листы термопластика выпускаются как неперфорированные, так и перфорированные – микро (42 % перфорации), мульти (38 %) и мини (2,5 %) в соответствии с рисунком 8. Все материалы могут быть представ-лены в виде листа размерами 45см × 60см или 60см × 90см, а также в лека-лах-заготовках (вырезках).

Микро Мульти Мини

Рисунок 8 - Перфорация

5.2 Листовые пластики отечественного и зарубежного производства Широкое распространение в ортопедии получили листовые пластики

отечественного производства, такие как Полипропилен ПП, Полиэтилен ПЭ, Полиэтилен ПЭ 300, Полиэтилен ПЭ 500, Полиэтилен ПЭ 1000, а так же Ор-фит Эко и Орфит Классик. Рассмотрим краткие характеристики по каждому из указанных материалов (таблица 8). Таблица 8- Основные параметры листовых пластиков отечественного произ-

водства

Наименование

Темпера-тура фор-мования,

0С

Время нагрева, мин

Прочность раст

жение, Н/мм2

на я- Плот-ность, г/см3

Относи-тельное

удлинение при раз-рыве, %

Усадка, %

Полипропилен ПП 185-195 2-3 32 - 500 7

Полиэтилен ПЭ 300 150-165 3 - 0,96 500 Макс.7

Полиэтилен ПЭ 500 165-185 3 - 0,95 - 2

Полиэтилен ПЭ 1000 180-195 3,5 - 0,96 350 -

68

Полипропилен ПП отличается низким специфическим весом и высокой жесткостью. Высокая эластичность и прочность привели к широкому примене-нию этого материала, в частности, при изготовлении ортезов для нижних ко-нечностей. Для достижения хороших результатов требуются эффективные на-гревательные приборы и точное соблюдение технологии. Прежде всего, в ком-бинации с профилирующими элементами из ПП можно изготовить очень тон-костенные и стабильные детали ортезов. Также можно вставлять элементы шин. Этот полипропилен является гомополимером, т.е. полимеры (цепи моле-кул) построены из одного мономерного соединения. Высокая прочность и твер-дость связаны с уменьшенной ударной вязкостью материала. Из этого материа-ла предпочтительно изготавливать части ортеза, подверженные сильным на-грузкам, например, этот материал используется в ортезах, применяемых при параличе.

Полиэтилен имеет самую простую молярную структуру из всех синте-тических материалов. В ортопедической технике различают полиэтилен высо-кой плотности (ПЭВП) и полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). Одной из от-личительных особенностей является молекулярный вес материала.

Полиэтилен ПЭ300 - ПЭВП с низким молекулярным весом, самый по-пулярный в ортопедии материал. Легкость обработки и большой выбор цветов обеспечивает очень широкий диапазон областей применения ПЭ300, например, при изготовлении ортезов, корсетов, туторов и т.д.

Полиэтилен ПЭ500 - марка материала ПЭВП со средним молекулярным весом. Наряду с гомогенной молекулярной структурой и постоянным, неизмен-ным качеством, материал отличается высокой прочностью и незначительной тенденцией к усадке. Достаточная свариваемость и хорошая теплопроводность при нагреве гарантируют удовлетворительную обработку материала. Наличие различных цветов делает возможным индивидуальное оформление ортеза.

Полиэтилен ПЭ 1000 - материал с высоким молекулярным весом. Этот материал отличается высокой вязкостью и стойкостью к износу. Обработка ма-териала в термопластичном состоянии требует большой силы деформации. Данный материал часто применяется в качестве крепления внутри обуви. При-менение аппарата глубокой вытяжки с резиновой мембраной облегчает обра-ботку материала.

ORFIT ECO - оптимальное соотношение цены и качества: − ортопедический материал, с которым исключительно просто работать; − привлекательная цена; − очень хорошая способность иммобилизации; − обладает адгезией при приложении давления, при этом сохраняется возмож-ность разделения слоев;

− удивительно высокая формуемость и растяжимость, при высокой жесткости материала;

− обладает эластичной «памятью»; − идеальная температура активации, 60 0С.

69

Простота в применении стала возможной благодаря свойствам исполь-зуемых сырьевых материалов. Достаточно нагреть и отформовать ORFIT ECO для достижения желаемого результата. Материал слипается только в том слу-чае, если это необходимо. Края могут быть «закатаны» с приложением мини-мального усилия. При легком надавливании на шину, в данном месте возникает временное сцепление. При надавливании с большей силой может быть получе-но постоянное сцепление. Важным моментом является низкая цена, которая ни-как не отразилась на качестве. Из материала ORFIT ECO получаются очень же-сткие шины, которые кажутся мягкими на ощупь и имеют отличную эластич-ную «память». Этот материал легко режется, имеет красивую поверхность и прост в хранении.

ORFIT CLASSIC обладает высокими характеристиками при обработке: − сверхвысокая эластичность, 1000 %, без образования разрывов; − «упругая» память, полная воспроизводимость без всяких ограничений; − надежная адгезия: обладает аутогезией (самослипанием), возможность при-

клеивания аксессуаров без каких-либо дополнительных усилий; − становится прозрачным при достижении температуры активации; − область применения – практически без ограничений; − цвет – телесный; − отличная способность к хранению.

Он может быть использован для изготовления как самых простых, так и наиболее сложных ортезов, приятными с эстетической точки зрения и имею-щими высокие рабочие характеристики. Отличные адгезионные свойства мате-риала ORFIT CLASSIC гарантируют, что ортез будет иметь надежное соедине-ние в течении длительного времени, никакой другой термопластик не сможет обеспечить такие характеристики. Без какого-либо клея или технического рас-творителя возможно просто прикрепить ленту Велькро, пружины, шарниры или элементы системы Orfitube.

5.3 Протезирование

Протезирование (от фр. и греч. слов «prot» – присоединение, прибавле-

ние) - вид лечебной помощи больным и инвалидам, обеспечивающий их разно-образными протезами и ортопедическими изделиями, как для восполнения ана-томических дефектов, так и с лечебной целью.

Протезы собираются на протезно-ортопедических предприятиях из го-товых узлов и деталей, поступающих с заводов по изготовлению протезных по-луфабрикатов. Конструкции протезов, аппаратов и ортопедической обуви раз-рабатывают НИИ протезирования и конструкторские группы предприятий практического протезирования.

Ведущая роль в протезировании принадлежит врачу – ортопеду, от ко-торого в большей степени зависит правильный выбор протеза с учетом индиви-дуальных особенностей, характера дефекта течения заболевания. Большой вклад в усовершенствование протезирования вносят инженеры, мастера проте-

70

зисты, а так же сами больные и инвалиды. В современных конструкциях проте-зов используются различные виды приводных систем: механические, электри-ческие, пневматические, электронные и биоэлектронные. Различают анатоми-ческие и лечебные протезы.

Анатомические – протезы суставов (эндопротезирование) и конечно-стей, зубов, челюстей, глаз, клапанов сердца, корсеты, а также создание эпите-зов (ушных раковин, носа, пальцев, молочных желез и т.д).

Лечебное протезирование обеспечивает больных корсетами, ортопеди-ческими аппаратами (ортопедическая обувь), слухопротезирование (слуховые аппараты).

Процесс протезирования включает ряд этапов: осуществляет выбор кон-струкции, снятие мерки, изготовление гипсового негатива и позитива культи, сборку протеза к примерке, примерку, окончательную отладку и выдачу проте-за, обучение пользователя. При этом учитывается индивидуальная особенность больного: пол, вес, возраст, общее состояние, профессия, время с момента ам-путации или заболевания. В процессе протезирования могут возникнуть ряд дополнительных работ и обследований. Эффективность протезирования оцени-вается, по показателю функционального восстановления органа или системы в целом. Протезирование может быть первичным или вторичным. Повторное или вторичное протезирование производится молодым растущим пациентам, а так-же и при износе протеза. Протезирование показано при компенсированном пе-риоде заболевания.

Биоэлектрическое протезирование - это специальный вид реабилита-ции больных, в основном культи верхних конечностей. Это протезы с биоэлек-трическим управлением. Такие приспособления (протезы) работают за счет по-дачи биотоков с мышц культи. В протезах с биоэлектрическим управлением есть возможность для улучшения работы существующих конструкций, и реше-ния проблем с помощью высоких технологий, применяя ультразвук (УЗ), плаз-му и др. К материалам, используемым для изготовления протезов предъявляют-ся определенные требования в зависимости от их конкретного применения. Так, материалы для нижних конечностей, не должны деформироваться в процессе эксплуатации, быть устойчивыми к колебаниям температур, легко подвергаться механической формовке и гигиенической обработке. Вместе с тем данный ма-териал должен быть достаточно удобным при подготовке протеза и безвредным для организма.

Требования, предъявляемые к протезированию: - долговечность функции; - минимальная инерционность запирательного элемента обеспечивающего раз-ницу давления на уровне протеза;

- отсутствие регургитации; - ламинарность потока к крови, уменьшающая опасность разрушения формен-ных элементов крови;

- отсутствие тромбоэмболических осложнений. Все протезы подразделяются на косметические, функционально – кос-

метические, рабочие, активные.

71

Косметические протезы лишь устраняют дефект в той или иной форме. Функционально-косметические протезы дают возможность кроме устранения дефектов, также осуществлять функциональные действия. Рабочие протезы по-зволяют выполнять большое число операций, благодаря наличию специальных приспособлений. Активные протезы компенсируют одновременно косметиче-ский и функциональный дефекты за счет механизмов, управляемых больными. Например, различные виды протезов верхних и нижних конечностей.

Интересным и весьма ответственным видом протезирования является протезирование клапанов сердца – это операция замены пораженного клапана (ов) протезом. Чаще всего заменяют митральный (левый предсердно-желудочковый) двустворчатый клапан или клапаны аорты у больных с врож-денными или приобретенными дефектами. Во многих случаях замена поражен-ного клапана протезом - единственная возможность нормализации гемодина-мики, восстановления здоровья и работоспособности больного. Современная операция возможна только при применении аппарата искусственного кровооб-ращения на остановленном сердце со вскрытием его полостей. Для протезиро-вания клапанов сердца используются механические, биологические (тканевые) протезы.

Механические протезы – искусственные клапаны, имеют запиратель-ные элементы лепесткового типа или вентильные, выполненные из искусствен-ного материала (тефлона, силиконовой резины, кремнийорганических соедине-ний) и помещенные в обшитый синтетической тканью металлический каркас различной конструкции.

Наилучшими гемодинамическими характеристиками обладают 3-х створчатые модели типа полулунной заслонки клапана аорты. Сердечные про-тезы бывают 2-х и 3-х лепестковые. Основной их недостаток - возникновение усталостного напряжения материала и его разрушение в результате изгиба створок. Наиболее широкое применение нашли клапаны с запирательным эле-ментом в виде шарика, ввиду его высокой функциональной надежности, что обеспечивается округлостью, долговечностью, высоким гемодинамическим функционированием и физическим износом. Недостаток данного вида клапана - большие размеры конструкции.

У больных с малым объемом левого желудочка или у больных с узкой аортой использование этой модели не рекомендуется. В практике нашли при-менение наклонные, поворачивающиеся, дисковые протезы, малогабаритные вентильные протезы. Вентильные протезы отличаются от шариковых неболь-шой высотой, малым весом, меньшей инерционностью запирательного элемен-та, приближенностью гемодинамического потока к центральному, что приводит к травме форменных элементов и образованию тромб и способствует снижению приема антикоагулянтов.

Биологические протезы клапанов сердца имеют, как правило, естест-венный или смоделированный 3-х створчатый запирательный элемент биологи-ческой природы, фиксируемый на искусственном опорном каркасе. биологиче-ские протезы используются в трансплантологии.

72

Трансплантация – пересаживание, вживление, замещение поврежден-ных или отсутствующих органов и тканей, реципиентами. В клинической прак-тике широкое распространение получила пересадка тканей и частей органов, например, мышц, сосудов, нервов, роговицы глаза, костного мозга и др. Осо-бый вид трансплантологии – переливание крови. Из числа органов чаще всего осуществляют пересадку почки, эндокринных желез (вилочковой), реже - лег-ких, сердца и печени. Трансплантацию органов применяют при заболевании данных органов в терминальных состояниях больным, потерявших единствен-ный парный орган (почку). Так же она применяется в экспериментальной био-логии и медицине (онкологии). Среди биологических протезов различают трансплантаты и биопротезы.

Трансплантаты – это клапаны биологического происхождения, пере-саженные без предварительной химической обработки, в жизнеспособном со-стоянии или после консервации и стерилизации в сохраняющих физиологиче-ских жидкостях и растворах антисептиков (антибиотиков). Видовые различия трансплантации:

1) аутотрансплантация – пересадка собственных органов и тканей организма; 2) изотрансплантация – пересадка органов и тканей идентичных по генетиче-

скому типу (пересадка от монозиготных близнецов); 3) сингенная трансплантация – пересадка от кровных родственников; 4) аллотрансплантация – пересадка органов или тканей в пределах одного и

того же вида, например, человек – человек; 5) ксеногенная трансплантация (межвидовая)– пересадка органов от других

видов, например, человеку от свиньи и т.д. Организм или орган, от которого берут орган или ткань для трансплан-

тации называется донором, а который берет - реципиентом. Ткань или орган который пересаживается, называется трансплантатом. Трансплантация на тоже место называется ортотопической, а на другое место в качестве добавки или помощника – гетеротопической. При этом пораженный орган сохраняют.

При трансплантации чаще всего применяют собственные ткани орга-низма, а также возможна пересадка органов и тканей от кровных родственников больного или от трупов людей, смерть которых наступила вследствие несо-вместимых с жизнью повреждений или травм. Подбор пар «донор – реципиент» осуществляют с учетом группы крови, т.е. по эритроцитарным антигенам сис-темы АВО, резус - фактору (Rh) и тканевым антигенам (HLA - система). Они представляют собой компоненты клеточной мембраны, которые распознают чужеродные антигены (белки), при этом главная роль принадлежит Т – лимфо-цитам. Развитие современной хирургии, а особенно развитие микрохирургии, связано с применением современного оптического оборудования, с помощью которого осуществляется сосудистый шов при шунтировании кровеносных со-судов, операциях по восстановительной хирургии и др. Такие операции прово-дятся с участием многих специалистов (хирургов, анестезиологов, реанимато-ров, кардиологов) и привлечением сложной аппаратуры, необходимой при трансплантации. Основными обстоятельствами, сдерживающими развитие трансплантологии, является биологическая несовместимость тканей, появляю-

73

щаяся в различные сроки после пересадки и проявляющаяся в отторжении трансплантируемого органа. С целью предотвращения данного процесса при-меняют иммунодепрессанты (димедрол, антигистаминные препараты, ионизи-рующее излучение), действие которых направлено на подавление транспланта-ционного иммунитета, т.е. на угнетение иммунной системы реципиента, что повышает, в свою очередь чувствительность к возбудителям инфекции и часто-ту возникновения опухолевых процессов. Проблемы трансплантологии побу-дили ученных к разработке моделей искусственных органов и трансплантатов: моделей искусственного сердца, его частей – клапанов сердца и аорты, сосудов кровообращения, а так же изобретение моделей поджелудочной железы, почек и других органов. Принимая во внимание вышеперечисленные проблемы воз-никает острая необходимость в получении достаточно глубоких знаний по во-просам касающихся трансплантологии инженерам медицинской техники.

Основные преимущества биотрансплантатов перед механическими – это отсутствие или небольшой риск тромбоэмболических осложнений, сроки рабо-ты около 10 лет (механические 6-8 лет).

Показания к замене митрального клапана: пороки митрального клапана, осложненные кальцинозом, грубый фиброз створок с потерей запирательной функции и развитием подключичного стеноза.

Показания к протезированию клапанов аорты: − пороки аорты (устья) с градиентом давления больше или равным

40 мм рт.ст.; − недостаточность с регургитацией больше или равной 10 % от ударного вы-броса;

− смешанные пороки аорты. По данным Всесоюзного центра АМН РФ выживаемость пациентов по-

сле протезирования митрального клапана, составляет десять лет это 65 – 75 % от числа оперированных, после вживления аортального клапана – 60 – 65 %, а в группе не прооперированных выживаемость пациентов не превышает 40 %. Требования, предъявляемые к протезам, определяются двумя факторами:

1) степенью сохранности насосной функции сердца; 2) механогидравлическими характеристиками протеза.

Протезирование или шунтирование кровеносных сосудов кровенос-ных сосудов – это хирургическая операция по созданию с помощью различных сосудистых трансплантатов нового пути кровотока в обход пораженного уча-стка артериального или венозного кровообращения, при частичном или полном нарушении его проходимости. Протезирование проводят путем резекции части сосуда или шунтирования (создания нового) пути кровотока восстанавливая гемодинамику. Показания к протезированию кровеносных сосудов: тромбоз, стеноз (сужение) артерий, вен различной этиологии.

В качестве аутотрансплантата используются собственные вены пациента (аутовены), чаще всего большая подкожная вена ноги или другие. Кроме ауто-вен используют аллотрансплантаты (устар. гомотрансплантация – пересадка органов или тканей в пределах одного вида) или ксенотрансплантаты (устар. гетеротрансплантация – пересадка органов или тканей от одного вида другому)

74

животных (бычьи, свиные сосуды). При трансплантации кровеносных сосудов часто применяются синтетические материалы: лавсан, капрон, политетрафторэ-тилен и другие полимеры, чаще при шунтировании аорты. Использование син-тетических материалов имеет большое преимущество перед другими (биологи-ческими) материалами, т.к. дает возможность создания шунтов любой длины и конструкции.

Тканевая (иммунологическая) совместимость или несовместимость обусловлена генетическим различием антигенного состава клеток донора и ре-ципиента, приводящим к иммунологическому конфликту. Основными проявле-ниями иммунологической несовместимости являются клеточные и гумораль-ные («chumor» - жидкость, пер. с лат.) реакции, направленные против чужерод-ных клеток и тканей, приводящих к их повреждению, гибели и патологическим процессам, что сопровождается отторжением трансплантата.

Иммунологическая несовместимость имеет большое значение в раз-витии трансфузиологии (переливание крови) и трансплантологии. Иммуноло-гическая несовместимость определяется в большей степени лимфоцитами, сре-ди которых основная роль принадлежит Т- лимфоцитам (тимусзависимые лим-фоциты). Реакция иммунологической несовместимости может протекать в виде реакции «реципиент против хозяина», особенно при пересадке органов, бога-тых собственными лимфоидными элементами, например, костного мозга, селе-зенки, печени. Реакция не возникает в пределах одного организма (кожа с одно-го участка на другой – при травмах и ожогах), но с общими проявлениями. Этот процесс называется аутологичным или изогенным. Данные процессы наиболее выражены при сингенной (между однородными линиями) и ксеногенной (меж-видовой) трансплантации.

5.4 Изучение миграции метилметакрилата из стоматологических

пластмасс в водную среду

На протяжении последних 60 лет широкое применение в ортопедиче-ской стоматологии нашли акриловые пластмассы. В настоящее время более 90% съемных зубных протезов изготавливаются из сополимеров полиметилме-такрилата. Однако, как показала клиническая практика, базисная акриловая пластмасса может вызывать патологические реакции у пациентов при пользо-вании зубными протезами. Установлено, что аллергические и токсикологиче-ские стоматиты вызывает остаточный мономер (ОМ) - метилметакрилат, кото-рый попадает в слюну вследствие вымывания или истирания пластмассы.

Для уменьшения отрицательного влияния ОМ в одних случаях реко-мендуют повторную полимеризацию готовых протезов, в других - разные виды физической и физико-химической обработки поверхностных слоев зубопротез-ного изделия, для чего порой требуются сложные и дорогостоящие приборы. Учитывая тот факт, что в большинстве стоматологических клиник нет соответ-ствующего оборудования, для снижения миграции ОМ предлагается простой метод обработки стоматологических изделий, не очень трудоемкий и не тре-бующий больших затрат. По данным литературы, для обработки акриловых

75

пластмасс могут быть применены органические растворители. Используя дан-ные относительно влияния различных растворителей на акриловые полимеры, проводят обработку образцов этанолом, который является хорошим раствори-телем для метилметакрилата (ММА) и в то же время практически не растворяет сам полимер, нетоксичен, доступен и легко поддается регенерации.

Обычно в качестве образцов, используют заготовки из пластмассы Фто-ракс, которые могут иметь форму прямоугольных пластинок, толщина которых составляет от 0,3 см до 0,4 см, а длина сторон – от 1,5 см до 3,0 см, в соответст-вии с инструкцией изготовления базисов съемных зубных протезов. Для полу-чения сравнительных характеристик проводится исследование нескольких об-разцов различных серий обработки, например, по три образца в каждой серии: − 1-я серия - контрольные образцы, не подвергаемые обработке; − 2-я серия – образцы, выдержанные в 100 мл этанола при комнатной темпера-

туре в течение суток; − 3-я серия – образцы, погруженные на 1,5 минуты в этанол, нагретый до тем-

пературы 700 0С; − 4-я серия – образцы, выдержанные 3 минуты в этаноле при 700 0С; − 5, 6, 7-я серии – образцы, перед обработкой спиртом прокипяченные в тече-

ние 3 часов в дистиллированной воде, а затем погруженные в спирт как в се-риях 2, 3, 4 соответственно.

После этого каждый образец помещают в бюкс со 100 мл 0,14М раство-ра хлорида натрия и термостатировали при температуре 370 0С. Проводят на-блюдение за выходом метилметакрилата в водную среду, по изменению опти-ческой плотности растворов в ультрафиолетовой (УФ) области. Для каждой се-рии образцов проводится по три последовательных экстракции. Всякий раз экс-тракция длится до установления в системе равновесия. В общей сложности за выходом ММА наблюдают в течение 25 суток. Результаты проведенных иссле-дований заносятся в таблицу (таблица 9).

Как видно из приведенных данных, любой вид обработки протезов при-водит к уменьшению выхода ММА. Однако выдерживание образцов в спирте в течение суток, хотя и ведет к снижению ММА более, чем на 30 %, нецелесооб-разно ввиду длительности обработки (серии 2-я и 5-я). Более эффективной ока-зывается кратковременная обработка горячим спиртом, в этом случае выход ММА уменьшается на 40 – 48 %. По литературным данным, кратковременное погружение изделий из пластмасс в горячий растворитель приводит к сглажи-ванию мелких дефектов и неровностей на поверхности изделий и образованию защитной пленки. Вероятно, уменьшение миграции ММА в сериях 3-й, 4-й мо-жет быть объяснено образованием такой пленки. Лучшие результаты, возможно получить при комплексной обработке образцов - кипячение и погружение в го-рячий спирт (серии 6-я и 7-я), что может привести к снижению выхода ММА более, чем на 70 %. Это может быть связано с тем, что в результате кипячения образцов происходит частичная деполимеризация пластмассы, что снижает со-держание остаточного мономера в образце, а обработка горячим этанолом при-

76

водит к появлению защитной пленки, препятствующей выходу низкомолеку-лярных компонентов в водную среду.

Однако вопрос о причинах снижения миграции ММА требует отдельно-го исследования. Следующим этапом при изучении миграции ММА из образ-цов, выполненных из пластмассы Фторакс, является установление влияния рН водной среды на этот процесс. С этой целью образцы 1-й и 7-й серий помещают в водно-солевые растворы с рН 7,0; 5,5 и 4,5 и термостатировали при темпера-туре 37 0С. Как и в предыдущем случае, за выходом ММА следили в течение 25 дней. Оказалось, что уменьшение рН растворов с 7,0 до 4,5 приводит к увели-чению выхода ММА как из обработанных, так и необработанных образцов. Но если из обработанных образцов 7-й серии выход ММА при этом увеличился на 10 – 15 %, то из необработанных - более чем на 30 %. Таким образом, и в этом случае обработка изделий этиловым спиртом дает положительные результаты по уменьшению выхода ММА, доказана возможность использования органиче-ских растворителей, в частности этанола, для обработки стоматологических ак-риловых материалов. Данный способ значительно повышает биологическую индифферентность материалов за счет снижения миграции остаточного моно-мера, а также высокую эффективность комбинированных способов обработки, сочетающих термическое воздействие и физическое действие растворителя, не изменяющее самой структуры полимера. Таблица 9 - Миграция метилметакрилата в водную среду после обработки об-разцов этиловым спиртом

Серия Вид обработки Выход ММА за 25 дней, мкг/г, базиса

1 Необработанные образцы 91+/-2

2 1 сутки в этаноле при 20 0С 51+/-1

3 1,5 минуты в этаноле при 70 0С 67+/-6

4 3 минуты в этаноле при 70 0С 39+/-4

5 кипячение 3 часа + 1 сутки в этаноле при 20 0С 53+/-9

6 Кипячение 3 часа + 1.5 минуты в этаноле при 70 0С 28+/-1

7 кипячение 3 часа + 3 минуты в этаноле при 70 0С 19+/-3

Одним из требований, предъявляемых к материалам для базисов зубных

протезов, является их достаточная механическая прочность. Проверка воз-можного влияния описанной выше обработки на степень прочности при изгибе обработанных (7-я серия) и необработанных (1-я серия) образцов показала, что

77

образцы обеих серий характеризуются примерно одинаковыми величинами разрушающей силы - 95 + 3 МПа и 96 + 6 МПа, соответственно. Различия сред-них значений (n = 3, Р = 0,95) статистически недостоверны. Следовательно, можно сделать вывод, что данный способ обработки не снижает механической прочности стоматологических изделий.

Таким образом, обработка горячим спиртом зубочелюстных протезов, изготовленных из пластмассы Фторакс, представляется весьма перспективной и требует дальнейших исследований, в том числе и клинических.

5.5 Комплекс физико-механических свойств металлических и интерметаллических материалов

Конструкционная прочность субмикро- и микрокристаллических мате-риалов в сплавах на основе железа, титана, никеля и алюминия, различающихся типом кристаллической решетки, энергией дефектов упаковки, все эти особен-ности сплавов позволяют более детально рассматривать формирование субмик-рокристаллической (СМК) структуры с размером зерен от 50 нм до 100 нм при больших пластических деформациях, достигаемых с использованием методов равноканального углового прессования, многократной всесторонней ковки, кручения со сдвигом под высоким квазигидростатическим давлением. Образо-вание СМК структуры происходит в результате динамической рекристаллиза-ции в ходе деформационного упрочнения сплавов.

При переходе в область СМК размеров зерен существенно изменяется деформационное поведение сплавов: уменьшается скорость деформационного упрочнения, увеличивается скорость релаксации напряжений, снижается про-тяженность стадии равномерной деформации. Пластическая деформация СМК сплавов при комнатной температуре развивается в условиях, при которых на процессы упрочнения накладываются процессы разупрочнения, связанные с поглощением дислокаций границами зерен. Другим процессом релаксации на-пряжений выступает образование макро- и микрополос вследствие локализации деформаций.

В массивных полуфабрикатах СМК структуры могут быть использованы при изготовлении различных высоконагруженных деталей в машиностроении, авиастроении, медицинской технике, нефтехимии. В настоящее время изготав-ливаются заготовки из сталей, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов в виде дисков диаметром до 400 мм, брусков до 100x100x200 мм и плит 100x100x20 мм. Внедрение уникальных технологий предполагается на машино-строительных предприятиях, а также в рамках создаваемых с зарубежными фирмами совместных предприятий.

На примере никелида титана рассмотрим возможность термической об-ратимости мартенситного превращения – основного механизма, обеспечиваю-щего эффект «памяти» формы. Из-за низкого значения температур начала и конца мартенситного превращения, а также малой диффузионной подвижности атомов компонентов, обратное мартенситное превращение в данных сплавах реализуется при любых скоростях нагрева. На сплавах никелида титана, содер-

78

жащих менее 50,5 % Ni, не происходит диффузионного распада И2-фазы и фа-зовый состав этих сплавов не чувствителен к термической обработке. Поэтому единственным способом управления характеристиками возврата формы, в дан-ном случае, является изменение структурного состояния В2-фазы путем термо-механической обработки. Сочетание пластической деформации с термической обработкой позволяет получить необходимую для проявления эффекта памяти формы дислокационную структуру.

При высокой плотности дислокаций после холодной пластической де-формации сильно расширяется интервал мартенситного превращения и пони-жаются значения температур начала и конца мартенситного превращения. При деформации более 35 % эффект памяти формы полностью подавляется. Влия-ние на эффект «памяти» формы предварительной обработки материала с целью создания внутренних ориентированных напряжений могут быть использованы в медицинской практике для изготовления имплантатов с «памятью» формы. Например, в производстве спиралей используемых для лечения заболеваний, обусловленных сужением кровеносных сосудов.

79

6 Композиционные материалы

После того как современная физика металлов позволила установить причины их пластичности, увеличение прочности, началась интенсивная сис-тематическая разработка новых материалов. Такое развитие науки вероятно, уже в вообразимом будущем приведет к созданию высокопрочных материалов, в несколько раз прочнее сегодняшних сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюми-ниевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами фор-мирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Комбинированные материалы могут быть усилены (упрочнены) либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами, так в неорга-ническую металлическую или органическую полимерную матрицу вводят уп-рочнители - тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бе-риллия, стали или нитевидные монокристаллы (карбидов, бериллов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жестко-стью. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими мате-риалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционные материалы — это искусственные материалы, полу-чаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы.

При составлении композиции эффективно используются индивидуаль-ные свойства составляющих компонентов. Свойства композиционных материа-лов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочно-сти связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопогло-щающими и другими специальными свойствами. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными во-локнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.

Прогрессирующее вытеснение стали новыми материалами связано с их уникальными свойствами, с физической природой тел. В кристаллических твердых телах, в том числе в стали и во всех других металлах, присутствуют линейные дефекты – дислокации, число которых достигает многие миллиарды на 1 см2 сечения. Они ослабляют металл и не дают возможности существенно повысить прочность стали, которая теоретически может достигать 10 кН/мм2. С повышением прочности стали и алюминиевых сплавов значительно вырастают трудности их производства и применения, усиливается чувствительность ме-талла к концентраторам напряжений, коррозийным воздействиям, переменным и динамическим нагрузкам. Важно так же отметить, что другая важнейшая ха-

80

рактеристика металла, определяющая работоспособность конструкции в усло-виях сжатия и изгиба – модуль упругости – имеет невысокие значения и прак-тически мало поддается улучшению. Модуль упругости, отнесенный к удель-ному весу – удельный модуль – практически одинаков у всех металлических сплавов, за исключением бериллия, но этот металл редкий, дорогой и токсич-ный и не может быть использован для массовых изделий. На модуль упругости металлических сплавов практически не оказывают влияния различные виды термической обработки или способы деформирования. Реализовать такой про-ект удалось только применением композиционного материала – углепластика.

Появление и развитие композиционного материала явилось результатом многочисленных многолетних исследований ряда ученых, показавших, что по мере уменьшения диаметра волокон их прочность повышается. Так в очень тон-ких волокнах она достигает значений, близких к теоретической прочности, а в структуре при этом не наблюдается дефектов. Удельный модуль упругости наиболее высокомодульного углеродного волокна почти в 20 раз превосходит удельный модуль упругости стали. Для получения монолитного материала во-локно соединяют в одно целое с матрицей.

По типу матриц композиционные материалы разделяются на 3 класса: полимерные, металлические, керамические.

Самые распространенные – полимерные композиционные материалы, которые получают в автоклавах путем пропитки волокон смолами с последую-щей полимеризацией. Однако эти композиционные материалы не достаточно жаропрочны, поэтому при повышенных температурах используются металли-ческие композиционные материалы, а при очень высоких - керамические. Ме-таллические и керамические композиционные материалы получают в газоста-тах или под прессами при повышенных температурах и давлении.

Другой метод производства металлических композиционных материалов – пропитка волокон жидким металлом под давлением. Среди полимерных ком-позиционных материалов самые распространенные – стеклопластики, в кото-рых в качестве матрицы используют эпоксидные смолы. Данный материал не горит, при высоких температурах сохраняет прочность, не боится воды, не на-бухает, стоек к коррозии. В настоящее время стеклопластики находят широкое применение для разводящих нефте- и газопроводов, химических емкостей, цис-терн, в автомобилестроении, судостроении, в электронике и электротехнике.

Основными направлениями применения полимеров и в общем компози-ционных материалов медицинского назначения, являются следующие области медицины: ортопедия, офтальмология, стоматология, хирургия, фармакология, иммунология, урология, отоларингология, онкология.

Классификация полимеров медицинского назначения: − медико-технического направления; − как имплантаты в восстановительной хирургии; − полимеры, используемые для разделения и диффузии веществ; − формы с не химическим введением БАВ; − полимеры в иммунологии.

81

6.1 Углеродные композиты и катализ

Углерод называют неисчерпаемым и вездесущим. Его соединения и их превращения − основа всех известных биологических процессов. Переход от эпохи бронзы к эпохе железа в начале I тыс. до н.э. был в первую очередь обу-словлен получением древесного кокса − продукта пиролиза (превращения од-ного продукта в другой под влиянием высоких температур без доступа воздуха) древесины. Именно тогда повышение содержания углерода в коксе позволило поднять температуру в плавильных печах с 1000 0С (точка плавления меди) до 1500 0С (точка плавления железа). А в XVIII в. на смену древесному углю при-шел каменный. Короче говоря, рассматривая развитие цивилизации, можно, на-ряду с традиционным делением ее на периоды камня, бронзы, железа, ввести химическую или энергетическую хронологию: переход эпохи дерева к эпохам древесного, затем каменного угля, а ныне − нефти и газа, также «замешанных» на углероде. С этой точки зрения конец нашего столетия обещает стать началом эпохи углерод – углеродных композитов, т.е. материалов, состоящих из двух и более видов углеродов.

Особое место среди них занимает активный углерод. Его можно пред-ставить как конструкцию, построенную из слоев атомов, образующих структу-ру, подобную графиту. Отличие от последнего обусловлено различной степе-нью внутри- и межслоевой разупорядоченности атомов. В результате активный углерод имеет пространство, объем, и размер пор которого определяются вели-чиной первичных кристаллитов, характером их упаковки и взаимной ориента-цией. Вот почему активный углерод еще называют «пористый углеродный ма-териал» (ПУМ).

Из почти бесконечного многообразия исходных материалов, после соответствующих обработок способных превратиться в ПУМ с заданными свойствами, рассмотрим только полученный из газообразных углеродсодержащих соединений − природного газа, метана, а также газов крекинга и т.д. Эти превращения можно проводить путем термического или термокаталитического пиролиза. На первом процессе основано производство сажи (технического углерода), а также пироуглерода (РуС) − вещества, по упорядоченности атомов занимающего среднее положение между сажей и графитом. Во второй половине 80-х годов в Институте катализа им. Г.К. Борескова О РАН ( . овосибирск) совместно с Конструкторско-С г Нтехнологическим институтом технического углерода О РАН (г. Омск) под Сруководством доктора химических наук Ю.И. Ермакова начали работы по созданию нового класса пористых материалов. Они были названы сибунитами (сибирский углеродны носитель).й Пироуглерод получают пиролизом пропан-бутановой смеси (при 850 - 950 0С) или других углеродсодержащих газов, согласно рисунка 9. Затем его осаждают на предварительно сформованные гранулы сажи. Размер их первичных частиц может меняться в широком диапазоне − от нанометров до микрон, а количество РуС варьирует в пределах 0,01-10 г/1 г сажи.

82

Происходящее при этом уплотнение гранул сопровождает-ся значительным ростом их проч-ности (например, они выдержива-ют давление в сотни кг/мм2 сече-ния). Причем выбирается такой режим уплотнения, при котором РуС осаждается в виде слоев напо-добие слагающих кристаллы гра-фита, ориентированных парал-лельно поверхности первичных частиц сажи (так называемый ла-меллярный РуС). По сравнению с исходной сажей данный пироугле-род обладает более плотной и хи-мически инертной структурой.

Далее проводится термо-окислительная активация (газифи-кация) полученных гранул в пото-ке паров воды при 700 - 850 0С. Вначале в пироуглеродном покры-тии развивается система щелевид-ных пор шириной 1,5 - 2,0 нм. Ко-гда они достигают частиц сажи, начинается выгорание последней. Это приводит к образованию сфе-

рических полостей, чей размер определяется дисперсностью исходной сажи. При необходимости можно повторить операцию нанесения РуС или других компонентов, провести высокотемпературную обработку и т.д.

а - гранулы сажи; b - сажа с нанесенным пароуглеродом; с, d, e, f - стадии активации. Рисунок 9 − Схема формирования струк-туры сибунита

Данная технология позволяет получать новый класс композиционных ПУМ с широко варьирующими текстурными и структурными характеристика-ми. Скажем, величина удельной поверхности сибунитов (площадь поверхности, деленная на массу гранул) колеблется в диапазоне 0,1 - 900 м2/г. Аналогично можно направленно менять объем и распределение пор практически всех раз-меров. Так, объем макропор − размером 102 - 104 нм регулируется дисперсно-стью, условиями обработки и формовки исходной сажи; мезопор − величиной 2 · 102 нм − дисперсностью сажи, количеством нанесенного и затем удаленного РуС; размер микропор (до 2 нм) − условиями газификации, количеством нане-сенного пироуглерода, дополнительным его нанесением после активации, усло-виями высокотемпературной обработки. Кстати, при традиционной технологии выработки ПУМ из каменного угля, древесины, торфа и других твердых угле-родсодержащих материалов преимущественно растительного происхождения текстура конечного продукта существенно зависит от исходной.

83

Ранее серьезные проблемы возникали в связи с накоплением минераль-ных и других примесей, остающихся в составе ПУМ в виде золы. Да и механи-ческая прочность получаемого материала была недостаточно высока. Техноло-гия сибунитов решает все эти задачи. Поэтому она запатентована в США и дру-гих странах. Полупромышленное производство сибунитов организовано в Кон-структорско-технологическом институте технического углерода СО РАН, пер-вые опытные партии его закуплены рядом отечественных предприятий и зару-бежных фирм.

История другого − термокаталитического метода выработки углеродных композитов началась в конце XIX века, когда американцы Хьюгес и Чемберс обнаружили и в 1889 году запатентовали способ получения углеродных воло-кон при пиролизе смеси метана и водорода в железном тигле, а на рубеже 1920-1930-х годов Фишер и Гофман (Германия) впервые описали образование тех же волокон при разложении окиси углерода на железе. Оказалось, причина их появления − так называемая каталитическая коррозия. От нее разрушаются металлические дымоходы, химические реакторы, трубопроводы: при обработке органических соединений образовываются побочные продукты в виде катали-тического волокнистого углерода (KBУ); он-то и действует столь негативно. Много лет усилия специалистов были направлены на борьбу с этим явлением.

В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН занялись не только борьбой с ним, но и поиском условий и катализаторов, позволяющих получать максимальное количество углерода на единицу массы последних до момента их полной дезактивации, используя наиболее дешевые углеродсодержащие газы (например, метан). И работа увенчалась успехом.

Дезактивация – потеря способности катализатора разлагать углеродсо-держащие газы на углерод и водород.

На сегодня к лучшим можно отнести никелевые и никелево-медные ка-тализаторы, содержащие 75 - 90 % металла и позволяющие получать из метана при температуре примерно 500 0С до 300 г КВУ на 1 г исходного катализатора, в соответствии с рисунком 10. В результате газ трансформируется в ПУМ, со-держащий всего до 0,3 % минеральных примесей (меньше, чем в природном графите), его состав определяется катализатором.

На сегодня к лучшим можно отнести никелевые и никелево-медные ка-тализаторы, содержащие 75 – 90 % металла и позволяющие получать из метана при температуре примерно 500 0С до 300 г КВУ на 1 г исходного катализатора. В результате газ трансформируется в ПУМ, содержащий всего до 0,3 % мине-ральных примесей (меньше, чем в природном графите), его состав определяется катализатором. Получают КВУ следующим образом. Метан разлагается на по-верхности катализатора (никеля) на водород и углерод; последний растворяется в металлических частицах до образования неустойчивого при таких температу-рах карбида. Этот процесс сопровождается реконструкцией и частичным спе-канием частиц металла. В результате на их поверхности формируются несколь-ко кристаллических граней. Одни из них наиболее активны в каталитическом разложении углерода, а у других структура комплементарна (геометрически подобна) структуре основной плоскости графита.

84

(100) − каталитически активная грань кристалла никеля, где проис-ходит (разложение метана на водород и углерод (С*)); (111) − грань кристалла, на которой происходит выделение углеродав виде графитоподобных слоев; С − атом углерода, находящийся в объеме кристалла. Рисунок 10 − Схема механизма образования слоев углерода при пи-ролизе углеводородов на металлических катализаторах (на примереникеля)

Разложение метана происходит на поверхности первых граней, после чего образующийся углерод диффундирует через частицу металла и выделяется на поверхности других граней в виде графитоподобных слоев. Итак, образова-ние КВУ идет трехстадийно: индукция, стационарный рост и дезактивация. Пе-ренос углерода в кристаллах катализатора из зоны образования в зону выделе-ния обусловлен разницей химических потенциалов фазы углерода в различных его состояниях. В силу того, что углерод непрерывно выделяется, частицы ка-тализатора разделяются и начинают «уходить» друг от друга, двигаясь подобно ракетам, в головных частях которых находятся активные частицы катализатора, а «хвосты» образованы растущими в случайно изменяющихся направлениях углеродными волокнами, что приводит к их переплетениям в клубки, по форме повторяющих исходные гранулы катализатора, в соответствии с рисунком 11.

Необходимым условием образования КВУ является каталитическая ак-тивность металла при разложении углеводородов до углерода и низкая химиче-ская устойчивость соединений этого металла с последним. Большинство метал-лов образует очень стабильные и термостойкие карбиды (вольфрам, ванадий, титан и др.). Атомный радиус у них равен или превышает 0,13 нм, в этом слу-чае углерод занимает октаэдрические пустоты в решетке металла и стабилизи-рует ее. Лишь атомные радиусы Fe, Co, Ni, Сг, Мn меньше 0,13 нм, и внедрение углерода «разрыхляет» их решетку, ослабляет межатомные связи. Карбиды этих металлов малостабильны при температурах образования КВУ. Наиболее активны Ni, Co, Fe и их сплавы (например, с медью). Типы строения волокон

85

КВУ могут быть различны. Они свернуты в цилиндры, если кристаллы катали-затора представляют собой цилиндры, где активными поверхностями являются торцевые грани, а выделение углерода в виде графита происходит на боковых поверхностях, в соответствии с рисунком 12.

Так бывает при разложении углекислого газа на никеле или метана на железе. Если же каталитически активны цилиндрические поверхности кристал-

ла, то графит выделяется на торцах в виде пластин, и они р сполагаются перпен-дикулярно оси волокна и параллельно друг другу как колода карт (разложение метана на никелево-медных сплавах). Возмож-ны и другие варианты.

а

Морфология воло-кон, определяемая соста-вом катализатора и исход-ных газов, температурой и другими факторами, тоже может принимать различ-ные формы: от простых прямолинейных или скру-ченных волокон (в том числе в виде спиралей) до весьма причудливых форм, похожих на елочки, празд-ничные фейерверки или рисунком 13. Такие формы

образуются при спонтанном диспергировании активных частиц катализатора. Каталитический

синтез углеродных ма-териало

а - исходный катализатор; b, с - стадии насыщения; d, e - стадии роста волокон.

Рисунок 11 − Схема формирования структурыКВУ

даже букеты цветов черного цвета, в соответствии с

1 − свернутые в цилиндры, ориентированныевдоль оси волокна; 2 – конусообразные; 3 – плоские, расположенные перпендикулярнооси волокна.

Рисунок 12 − Типы строения графитоподобных слоев КВУ

в дает неисчер-паемые возможности при получении новых модификаций ПУМ и

углерод-углеродных композиционных мате-риалов с уникальной

ологией. Например, нанося частицы етал-млического никеля на по-верхность сибунита и проведя на них разложе- ние метана, можно по-

морф

86

лучить углерод-углеродный композиционный материал «КВУ на сибуните» со структурой, в которой полые глобулы пироуглерода, слагающие сибунит, до-полнительно «переплетены» волокнами КВУ. Если же частицы никеля нанести на поверхность КВУ, то при разложении метана на таком катализаторе образу-ется углерод-углеродный композиционный материал «КВУ на КВУ» с морфо-логией частиц, имеющих вид «осьминогов» и «морских ежей».

Контролируемое нанесение пироуглерода на внешнюю поверхность клубков КВУ позволит по-лучать технологические материалы ущего - уг-будлеродные молекулярные сита, пористое пространст-во которых «связано» с внешней с дой калибро-

ванными отверстиями размером 3 - 5 А. Причем термин «молекулярное сито» реально отражает предназначение материала − разделить смеси на две фракции:

1) с молекулами, имеющими размеры меньше, чем у калиброванных от

ре

верстий

большеотверст

ь все области практического

- гранул молекулярного сита (эта фракция будет накапливаться внутри

пористого пространства гранул материала); 2) с молекулами, размеры которых , нежели у калиброванных ий гранул молекулярного сита (эта фракция станет накапливаться меж-

ду гранулами материала). Трудно перечислит применения пористых

углеродных материалов. Это пищевая промышленность и медицина, водо- и воздухоочистка. Материалы из ПУМ используют в аэрокосмонавтике, для про-тезирования и изготовления спортинвентаря. Из них можно изготавливать де-тали автомобилей, мебель, элементы зданий и многое другое. Они же − основа нового поколения электроаккумуляторов. Углерод-углеродные композиты пре-тендуют на роль важнейшего конструкционного материала XXI века.

6.2 Металлофторопластовые композиционные материалы

Для изготовления антифрикционных узлов различного назначения ши-роко применяется политетрафторэтилен (ПТФЭ), или фторопласт-4. Однако его использование в чистом виде ограничено из-за низких механических характе-ристик, теплопроводности, износостойкости. Эффективным способом устране-ния перечисленных недостатков является введение ПТФЭ в пористый металли-ческий каркас, который обеспечивает высокую механическую прочность, жест-кость и теплопроводность полученного композиционного материала. ПТФЭ, в свою очередь, придает материалу высокие антифрикционные свойства и позво-ляет работать без смазки.

При продолжительной работе происходит постепенное изнашивание ан-тифрикционного слоя и обнажения металлического каркаса, что приводит к его

Рисунок 13 − Виды морфологии КВУ

87

взаимодействию с валом. При этом выделяется значительное количество тепла, которое вызывает расширение ПТФЭ и его выход на поверхность трения. На-рушение рабочего слоя делает невозможным проведение финишных операций с использованием механической обработки для придания соосности опорам.

Предлагаются различные металлофторопластовые композиционные ма-териалы, структура которых представляет собой объемные, взаимно располо-женные друг в друге, каркас ПТФЭ и каркас металла. Материалы с данной структуро становятся теплопров дными и электропроводными, обладают изо-й отропностью свойств, что позволяет использовать механическую обработку со снятием стружки для придания с осности опорам. Особенно необходимыми остановятся теплопроводность и электропроводность при использовании данных материалов в антифрикционных системах, так как способствуют снятию стати-ческого электричества и снижению термонапряженности всей системы в целом.

В качестве армирующего сплава используют: олово, свинец, баббит Б-83 (ГОСТ 1320-74); припо ПОС-40 и ПОСК 50-1.8; сплав 0% олова, и Вуда (440% висмута, 20% свинца). Для придания дополнительной жесткости и прочно-сти ПТФЭ предварительно наполняют бронзовым порошком марки БРОФ-10-1, дисперсность частиц которого составляла ~ 0,063 мм.

Для установления эксплуатационных характеристик разработанных ме-таллофторопластов проводят следующие испытания: определение прочности при растяжении (ГОСТ 11262-80), при сжатии (ГОСТ 4651-80); проверка теп-лопроводности (ГОСТ 236630.2-79), электрического сопротивления (ГОСТ 6433.2-71), антифрикционных характеристик (ГОСТ 110-12-79, ГОСТ 11629-85), твердости (ГОСТ 4670-К1); испытани на старение е (ГОСТ 17171-81). Основные механически характеристики приведены в табли-еце 10.

Результаты по определению теплопроводности и удельного электриче-ского сопротивления металлофторопластов приведены в таблице 11.

В таблице 12 приведены данные по определению влияния старения на свойства разработанных металлофторопластов (хранение в полевых условиях в течение 5 и складских помещениях − 10 лет).

На основании вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы: 1 существует взаимопроникающая структура металлофторопластов, в кото-

рых металлический каркас представляет собой замкнутую решетку в таком же каркасе полимера; армирование ПТФЭ взаимопроникающим металлическим каркасом в 74 - 162 раза увелич

2 ивает теплопроводность, в 1010-1012 раз электриче-

скую проводимость по равнению с чистым полимером; металлофторопласты с взаимопроникающей структурой обладают ста-бильными объемными свойствами, что позволяет успе

с3

шно использовать финишные операции, например, резку, подпрессовку, калибрование, для обеспечения соосности опорам; хранение в полевых условиях в течение 5 лет и складском помещении - 10 лет не влияет на свойства металлофторопластов.

4

88

ние, Ом⋅м Вт/(м·°С) ый оловом 8,95×103 34,8

1,66×104 22,2 ПТФЭ, пропитанный ПОСК 50-18 1,09×105 17,3 Бронза - 13,5%, свинец - 15%, ПТФЭ 2,5×105 35,4 Бронза - 13,5%, припой ПОСК 50-18 - 15%, ПТФЭ 0,85×104 36,8 Бронза – 11,5 %, баббит Б-83 – 15 %, ПТФЭ 0,93×104 37,8

89

стовТаблицa 10 – Основные механические характеристики металлофторопла-

Состав материала

жатииМПа

растяже-нии, МПа лю, НВ трения ×10-8 ность,

МПа торопласт-4

оловом 20,2 41,2 10,5 0,181 2,1 5,6

ПТФЭ, про-питанный припоем ПОС-40 ПТФЭ, про-питанный припоем ПОСК 50-1ПТФЭ, про-питанный баббитом Б-8Бронза - 13,5%, свинец - 15%, ПТБронза - 13,5%, ПОСК 50-18 -15%, ПТФЭ Бронза - 11,5%, баббит Б-83 -1 5%, ПТФЭ

Таблиц

Проч-ность при с ,

Прочность при Твердость

по Брине-Коэффи-циент

Интенсив-ность износа,

Грузо-подъем-

Ф , пропитанный

20,5 40,1 10,0 0,164 1,8 5,0

8

21,2 40,2 10,3 0,160 1.S 5,5

3 37,2 47,8 11,3 0,151 1,3 6,0

ФЭ 39,8 47,8 12,2 0.144 0,83 6,3

43,5 50,2 16,8 0,155 1,01 7,5

45,6 57,1 18,2 0,159 0,90 8,0

а 11 - Теплопроводность и удельного электрического сопротивления ме-

таллофторопластов

Состав материала

Удельное электри-ческое сопротивле-

Теплопро-водность

ПТФЭ, пропитаннПТФЭ, пропитанный баббитом Б-83

Таблица 12 - Показатели влияния старения на свойства металлофторопла-стов

Состав материала Прочность при сжатии, МПа

Коэффици-ент трения

Грузоподъем-ность предель-ная, МПа

Износ при предель-ной грузоподъемно-сти, ×10-8

ПТФЭ, пропитан-ный баббитом Б-83 37,2 0,151 6,0 1.3

ПТФЭ, пропитан-ный баббитом Б-83 и подвергнутый старению

37,22 0,150 6,0 1,31

Бронза – 11,5%, баббит Б-83 – 15%, ПТФЭ остальное, не подвергнут ста-рению

45,6 0,165 8,0 0,90

Бронза − 11. 5%, баббит Б-83 − 15% ПТФЭ - остальное, подвергнут старе-нию

45,39 0,159 8,0 0,89

Это позволяет рекомендовать металлофторопласты с взаимопроникаю-щей структурой для антифрикционных элементов различных узлов и устройств, работающих при средних нагрузках в сухом режиме трения.

90

7 Композиционные материалы медико-технического назна-чения

Целанекс Это торговое наименование ассортимента частично кристаллических

полиэфиров на базе полибутилентерефталата (ПБТ). ПБТ производится мето-дом поликонденсации в расплаве диметилового эфира терефталевой кислоты с 1,4- бутандинолом.

Основные марки - марки от экстремально текучей 2500 (показатель те-кучести 40) до вязкотекучих марок 1700 А (с показателем текучести 5).

Армированные марки - наполненные марки стекловолокном от 10 % до 50 %. В этом случае в маркировке присутствует обозначение GV, где «GV»- обозначает что данная марка армирована, следующая цифра «1»обозначает наполнение стекловолокном, а «3» - стеклянными шариками. Второе значение дроби указывает количественное в «%» наполнение. Сущест-вуют 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 50 % наполнения.

С антигорючими добавками - специальные марки с минеральными или иными присадками для улучшения свойств материала. Маркируются, как пра-вило, дополнительным буквенным обозначением «FL» в маркировке. Однако, для материалов, произведенных в США, маркировка указывается без данных букв.

Со стекловолокном и глянцевой поверхностью - данные марки были специально разработаны для применения их при производстве газовых и элек-трических плит, а также в других применениях, где необходимы высокая теп-лостойкость и отличительный внешний вид детали. Эти марки 2302 GV1/15 c 15 % содержанием стекловолокна, 2302 GV 1/20 с 20 % содержанием и 2302 GV 1/30 с 30 % стеклонаполнением являются смесью с ПЭТ, который придает высокий глянец изделию.

Марки со стекловолокном и минеральными добавками - это также специальные марки с улучшенными характеристиками.

Целанекс предназначен преимущественно для изготовления высокока-чественных и ответственных технических формованных деталей в электротех-нике, в автомобилестроении и в бытовых приборах.

В точной механике и машиностроении Целанекс находит применение в качестве материала для шестерен, подшипников и других деталей скольжения. Причем он идеально комбинируется в этом применении с ацеталевым сополи-мером Хостаформ. Основными свойствами Целанекс является комбинация замечательных качеств: − высокая твердость и жесткость; − длительная прочность; − высокая теплостойкость, особенно армированных стекловолокном типов

(температура до 140 0C); − благоприятные скользящие параметры и износостойкость; − высокая стабильность формы и размеров, малое влагопоглощение;

91

− хорошие электрические свойства; − хорошая стойкость по отношению к воздействию химикатов; − хорошая стойкость по отношению к климатическим воздействиям; − быстрая кристаллизация, в следствии этого оптимальное время цикла; − возможность покрытия лаком.

Celstran (Цельстран) Производственный ассортимент Цельстран охватывает термопласты,

усиленные длинным волокном, которые могут иметь различные свойства в за-висимости от требований клиентов. В качестве термопласта - матрицы исполь-зуются практически все частично кристаллические и аморфные термопластич-ные пластмассы.

Производство осуществляется специальным запатентованным методом пултрузии, который позволяет получить высокое качество импрегнирования без повреждения волокна и пропитку каждого сегмента усиливающего волокна. Усиливающие волокна могут быть при этом из стекла, угля, арамида или не-ржавеющей стали. Длина волокна - 10-15 мм. Цельстран перерабатывается преимущественно литьем под давлением.

Цельстран S - содержит волокно нержавеющей стали для электрическо-го экранирования

Наполненные стекловолокном специальные марки на базе матриц: ПК/АБС, ПФС, ПУ, ПБТ, ПОМ

- наполненные стекловолокном (40 %), матрицы: ПА, ПФС, ПУ; - наполненные арамидом (30 %), матрицы: ПА, ПФС, ПОМ.

Цельстран предлагается к применению там, где предпочтительна замена металла на современные, более легкие, экономичные и подвергающиеся сто-процентной вторичной переработке материалы. Обычные, наполненные или армированные коротким стекловолокном пластмассы не удовлетворяют по-ставленным требованиям. В качестве примеров могут быть названы: структур-ные, функциональные и декоративные детали в автомобиле (аккумуляторный отсек, педаль сцепления, рычаг коробки передач, всасывающие трубы, резер-вуары для кабеля и приборов управления), в электротехнике и электронике (эк-ранированные к электромагнитному излучению корпуса), в машиностроении (износостойкие шестерни), изделия для спорта и отдыха (детали лыжных креп-лений и др). Применяемый в качестве концентрата Цельстран способствует значительному улучшению свойств вторично перерабатываемого полимерного материала.

Формованные детали из Цельстран имеют максимально длинные волок-на и большую долю волокна. Как результат, они демонстрируют высокую ста-бильность размеров и замечательные механические свойства. Достижимые зна-чения ударной вязкости, трещиностойкости, прочности, жесткости и усталост-ной прочности варьируют в зависимости от конкретных целей и могут регули-роваться комбинацией и соотношением волокна и матрицы, что включает также разнообразие их химического соединения. Экономичный метод переработки и краткое время цикла при производстве деталей позволяют получить продукцию

92

с привлекательным соотношением цены и качества. Материал может много-кратно перерабатываться вторично. Компел® / Фиберод® - термопласты, наполненные длинным стекловолокном.

Компел - торговое наименование термопластов с содержанием длинного стекловолокна для пластифицирующего прессования в композитной области. Длина гранул Компел составляет 25 мм, длина волокна идентична длине грану-лы. Длина волокна Фиберода бесконечна. Как и Цельстран, Компел и Фиберод производятся методом пултрузии. Компел поставляется преимущественно в ви-де наполненного длинным стекловолокном полипропилена. Возможны также другие матричные материалы, как например, полиамид и другие типы волокна, как например, углеволокно.

Материалы Компел могут поставляться в зависимости от предъявляе-мых требований в рецептуре с повышенными прочностными характеристиками или с повышенной ударной вязкостью. Все марки Компел термостабилизирова-ны. В случае применения стекловолокна его содержание варьируется от 30 до 55 %, стекловолокно химически связано. Ассортимент марок Цельстрана довольно широк.

Основные марки - марки, усиленные стекловолокном: доля стеклово-локна: 30-60 %, матрица: ПП, ПА 66, ПЭНД

Свойства Компел Профиль свойств Компел сравним со свойствами Цельстран. Благодаря

более длинному волокну и щадящему процессу пластикации крупногабаритные структурные детали из Компел демонстрируют более высокую ударную вяз-кость и поглощение энергии. Компел находит применение в основном в авто-мобильной промышленности для крупных структурных деталей, таких как бамперы, детали защиты подкапотного пространства и приборная панель. При применении Компел в качестве концентрата для перерабатываемых вторично полимерных материалов достигается заметное улучшение их свойств.

Свойства Фиберод Фиберод - торговое наименование различного вида полуфабрикатов

(ленты и профили), содержание волокна в которых может достигать 80 %. Фи-берод имеет замечательные механические свойства в комбинации с хорошей химической стойкостью. Полуфабрикаты используется в качестве полос и про-филей с бесконечным и ненаправленным волокном или перерабатывается в ко-нечные изделия при помощи ламинирования или техникой скатывания. Фибо-род применяется также для усиления деталей, изготовленных из других мате-риалов.

Фортрон Фортрон является линейным, частично кристаллическим полифенилен-

сульфидом. Бензольные кольца и атомы серы образуют основу макромолекулы и придают этому материалу ряд необычных свойств. Фортрон поставляется в виде порошка и гранул. Ассортимент охватывает:

1) армированные типы - для экструзии и литья под давлением, различаю-щиеся видом и количеством добавок;

93

2) особо текучие и армированные типы - для изготовления тонкостенных деталей с неблагоприятным соотношением пути течения к толщине стен-ки;

3) неармированные типы в гранулах - для специальных областей приме-нения;

4) порошковые типы – имеют широкий спектр применения для методов порошковой технологии, например, в качестве теплостойкого связующего и в качестве добавки для ПТЭФЭ-компаундов. Фортрон предлагается для изготовления механических и термически вы-

соконагрузочных деталей. Важнейшими областями применения являются: − электроника и электротехника: штекеры и вилки, корпуса катушек, детали

реле, переключатели, герметизация конденсаторов и транзисторов; − автомобилестроение: воздуховсасывающие системы, насосы, вентили, уп-

лотнения, компоненты для выхлопной и рециркуляционной системы, газо- , водо- счетчики;

− машиностроение и точная механика. Фортрон может применяться для функциональных деталей, формован-

ных деталей, испытывающих высокие нагрузки. Фортрон является лучшей аль-тернативой по отношению к сплавам из легких металлов, реактопластам и не-которым другим термопластам.

Неармированный ПФС имеет сравнительно низкую теплостойкость. Только посредством добавления стекловолокна и смеси стекловолокна с мине-ральными добавками достигается значительное повышение теплостойкости и жесткости неусиленного Фортрон. К свойствам, характеризующим Фортрон как высокопроизводительный материал относятся: − эксплуатационная температура до 240 0C , кратковременно до 260 0C; − собственная сопротивляемость возгоранию (UL 94: V-0, частично 5VA); − очень хорошая стойкость к воздействию химикатов и окислению; − высокая твердость и жесткость; − низкое водопоглощение, незначительная ползучесть даже при повышенных

температурах. GUR (ГУР) GUR - является полиэтиленом с очень высокой степенью полимериза-

ции, изготовленным методом низкого давления. Определенный с помощью вискозомера усредненный молярный вес находится в пределах от 3 · 10 6 г/моль до 8 · 10 6 г/моль.

Ассортимент марок GUR охватывает основные и модифицированные типы и специального исполнения для различных требований. Материал постав-ляется в порошке, экструдируется в полуфабрикат и профили, а также подвер-гается обработке прессованием и спеканием в форме.

Кроме того, Тикона предлагает GUR 8110 в качестве модифицированно-го типа материала, способного к литью под давлением. С недавнего времени для литья под давлением предлагается также гранулянт GUR 579.

94

Вследствие высокого молекулярного веса GUR может применяться там, где низкомолекулярные полиэтилены не удовлетворяют требованиям. Кроме того, комбинация свойств GUR позволяет отнести его к классу технических пластмасс и открывает ему соответствующие области применения: − машиностроение - элементы конструкций, подверженные истиранию, на-

пример: ходовые катки, зубчатые колеса, направляющие цепей, опорные втулки, натяжители цепи;

− химическая промышленность: лопастные насосы, краны, вентили, облицовка силосохранилищ;

− горное дело и углеобогащение: облицовка транспортных желобов, скатов, вагонов, бункеров;

− гальванотехника: барабаны для гальванического покрытия, вкладыши для подшипников, шестерни;

− ортопедия, хирургия: особо чистая форма для протезов и имплантатов; − электроника: детали изоляции, соединения, держатели, кабельные щипцы; − фильтрационная техника, акустика: пористые детали для фильтрации жид-

костей, гашения звука и колебаний; − спорт, отдых: покрытия для горных и беговых лыж.

Основные свойства: − чрезвычайно высокая ударная вязкость и благодаря этому очень высокая ра-

ботоспособность; − очень высокие качества скольжения; − достаточно маленький износ; − незначительные потери на трение; − очень высокая стойкость к воздействию, например: кислот, щелочей, агрес-

сивных газов; − высокая стойкость к растрескиванию; − высокий эффект шумогашения; − широкий спектр применения вследствие температурной стойкости в диапа-

зоне от минус 200 0С до + 90 0С . Импет Импет - торговое наименование марок термопластичного полиэфира

для литья под давлением на базе полиэтилентерефталата, известного уже более сорока лет как полиэфирное сырье для синтетических волокон (например, Тре-вира). Полиэтилентерефталат (ПЭТ) производится поликонденсацией в рас-плаве терефталевой кислоты или диметилового эфира терефталевой кислоты с этиленгликоленом.

Для получения высоких механических свойств все марки Импет армиро-ваны стекловолокном различного процентного соотношения в зависимости от марки. С помощью специальных комбинаций аддитивов во время литья под давлением достигается быстрая кристаллизация.

Как высококачественный технический полимер Импет используется преимущественно, для технических деталей, к которым предьявляются высокие требования по нагрузкам. Благодаря его хорошей текучести сложные и тонко-

95

стенные детали, легко изготавливаются методом литья под давлением. Главны-ми областями применения Импет являются: − электротехника и электроника; − машино- и автомобилестроение; − бытовые приборы; − точная механика.

По сравнению с другими армированными стекловолокном термопласта-ми Импет имеет лучшие свойства скольжения, что дает более широкие возмож-ности применения для износостойких элементов в точной механике, например, для изготовления шестерен, подшипников, кулачков, дисков управления, муфт, деталей замков.

Жесткость и долговечность делают Импет весьма важным материалом в машиностроении, например, для изготовления цепей, роликов, фасонных дета-лей вентилей, корпусов и рабочих колес насосов и многого другого.

Этот термопластичный полиэфир характеризуется следующими свойствами: − высокая жесткость и твердость; − очень хорошая длительная прочность; − способность покрываться лаком; − высокая теплостойкость (эксплуатационная температура до 150 0С ); − хорошие антифрикционные свойства; − очень хорошие электрические и диэлектрические свойства; − высокая стойкость по отношению к химикатам и к воздействию атмосфер-

ных явлений; − при соответствующих добавках стойкость к воспламенению (UL 94 V-0 при

0,8 мм). В сравнении с полиэфиром Импет имеет некоторые особые преимуще-

ства: − более высокие показатели механических свойств, не только при комнатной

температуре, но и при более высоких температурах; − более высокая размероустойчивость; − более высокая эксплуатационная температура.

Ритефлекс Ритефлекс - торговое наименование Тиконы для ассортимента термо-

пластичных полиэфирных эластомеров (ТЭП). Они сочетают в себе преимуще-ства вулканизированных резин с легкостью переработки термопластов. Моле-кулярная структура состоит из мягких блоков простого полиэфира, сочетаю-щихся с жесткими блоками сложного полиэфира. При этом степень твердости определяется относительной долей мягких блоков по отношению к твердым.

Термопластичные полиэфирные эластомеры могут применяться при бо-лее высоких температурах, чем ТЭП на базе полиолефинов, полистирола и по-лиуретана.

Тикона предлагает ряд основных марок различной степени твердости. Наряду с применениями в автомобилестроении, как например, детали интерье-

96

ра, бамперы, решетки радиатора, «гармошка», шланги, Ритефлекс может найти свое применение для таких деталей как манжеты, уплотнения, гибкие соедине-ния, в машино- и приборостроении. Помимо этого, Ритефлекс может приме-няться для модификации других полимеров. Возможно также покрытие Ритеф-лексом стальных деталей для придания им свойств шумогашения.

Ритефлекс характеризуется следующими свойствами: − очень высокая вязкость и эластичность, как при комнатной температуре, так

и при низких температурах; − высокая прочность; − высокая износостойкость; − способность к возврату в исходное положение; − высокая химическая стойкость, долговечность; − прекрасный глянец поверхности и хорошая окрашиваемость; − легкая и экономичная переработка.

Благодаря химическому соединению твердых кристаллических сегмен-тов с мягкими аморфными сегментами в одной молекуле блока сополимера не требуется дополнительных пластификаторов. Свойства полимера остаются не-изменными, так как никаких выделений пластификатора не происходит.

Topas (Топас) Topas - представляет собой в отличие от частично кристаллических по-

лиолефинов ПЭ и ПП – аморфные, прозрачные сополимеры на базе цикличе-ских и линейных олефинов. Топас – новый класс полимерных материалов, свойства которых могут варьировать в процессе полимеризации в широком диапазоне. Ассортимент Топас охватывает различные прозрачные типы мате-риала. Основные марки различаются по теплостойкости (HDT/B). Специальная марка с выдающимися оптическими свойствами и марка с теплостойкостью до 170 0C дополняют ассортимент. Ведется работа по расширению марочного ассортимента Топас.

Топас предлагается для изготовления оптически прозрачных деталей в тех случаях, где необычные свойства этого материала имеют преимущества пе-ред уже известными пластмассами. В качестве отправных пунктов для развития применений можно назвать: − пленки в специальных областях применений; − оптически прозрачные детали (линзы, лупы); − медицинские изделия, подвергающиеся стерилизации паром и гамма-

излучением; − осветительные приборы, лампы; − прозрачное рассеивающее стекло, элементы деталей, пластины; − функциональные детали в электротехнике/ электронике.

Благодаря химическому строению этих сополимеров они обладают осо-бенными свойствами: низкой плотностью, высокой степенью прозрачности, низким двойным лучепреломлением, чрезвычайно низким водопоглощением. Их отличают выдающиеся барьерные свойства по отношению к водяным па-рам, варьируемая теплостойкость (HDT/B) до 170 0С , высокая жесткость, проч-

97

ность и твердость, хорошая стойкость к крови, биологическая совместимость, высокая стойкость к воздействию кислот и щелочей, хорошие электроизоляци-онные свойства и поведение при переработке / текучесть.

Вандар Вандар - представляет собой модифицированный эластомерами тип по-

либутилентерефталата. Несмотря на модификацию эластомерами, жесткость даже неармированных типов достаточно высокая. Более высокие требования по жесткости удовлетворяются посредством армирования стекловолокном. Поли-бутилентерефталат, обладающий высокой ударной вязкостью, находит все воз-растающее применение. Поэтому Тикона предлагает широкий ассортимент Вандар: наряду с неармированными и армированными стекловолокном и мине-ралами типами имеются также устойчивые к возгоранию типы продукта. Кроме того, по специальному запросу изготавливаются продукты, находящиеся в ста-дии разработки. Переработка Вандар перерабатывается исключительно мето-дом литья под давлением.

Наибольшее применение находит для изготовления деталей кузова в ав-томобилестроении и в частности бамперов. Преимуществом является высокая теплостойкость, которая позволяет проводить горячее покрытие лаком вместе со всем кузовом. Помимо экономичного литья под давлением даже сложней-ших деталей, вследствие хорошей текучести материала имеются преимущества и для потребителя: − экономия энергии за счет небольшого веса деталей из Вандар; − ударопрочные детали кузова препятствуют повреждениям, что уменьшает

расходы на дорогостоящий ремонт; − хорошая ударная вязкость при низких температурах позволяет найти Вандар

и другие применения, например, для изготовления деталей для лыжных кре-плений, сельскохозяйственных машин, багажников и транспортных ящиков.

Маркировка типов продукта Основные марки - Армированные марки -

4602 Z - 4612 R 2100 - 4632 Z 9116 - 4662 Z Негорючий тип - специально разработанная негорючая марка Вандар

маркирована 8000. Все типы Вандар могут поставляться как черного, так и натурального

(опаково-белого) цвета. Также имеется возможность производить и все другие необходимые цвета по RAL.

Частично кристаллические, модифицированные по ударной вязкости полиэфиры на базе полибутилентерефталата характеризуются следующими свойствами: − высокая ударная вязкость и ударная вязкость образца с надрезом и при низ-

ких температурах;

98

− высокая теплостойкость, особенно усиленных стекловолокном типов (экс-плуатационная температура до 120 0С);

− высокая стойкость по отношению к органическим растворителям, горючему, смазочным материалам, тормозным жидкостям;

− высокая износостойкость; − хорошая перерабатываемость; − возможность покрытия лаком.

Главные преимущества Вандар в сравнении с поликарбонатом: Вандар обеспечивает более высокую стойкость по отношению к растворителям, что имеет огромное значение при изготовлении деталей, находящихся в контакте с бензином или чистящими средствами.

Главные преимущества Вандар, как высоковязкого полибутилентераф-талата в сравнении с высокоударопрочным полиамидом заключается в более высокой стабильности размеров из-за небольшого поглощения влаги. Проч-ность на разрыв, растяжение при разрыве, модуль упругости и ударная вязкость практически не меняются

Вектра Характерной особенностью жидкокристаллических полимеров (ЖКП)

является молекулярная структура. Они состоят из жестких, стержнеобразных макромолекул, которые при плавлении образуют параллельные и жидкокри-сталлические структуры. Если жидкокристаллический полимерный расплав подвергают сдвигающему или растягивающему потоку, что имеет место при всех процессах переработки термопластов, то жесткие макромолекулы упоря-дочиваются в волокна и фибриллы. Они при охлаждении «замерзают».

В результате этого образуется специфическая морфология жидкокри-сталлического полимера в жестком состоянии: в матрицу ЖКП закладываются волокна из одинакового полимера. Поэтому говорят также о самоусиливаю-щихся полимерах. Прочность, жесткость и вязкость при растяжении, повыша-ются в направлении течения настолько, насколько сильнее ориентирован рас-плав. Поэтому в тонких стенках эти показатели выше, чем в толстых.

Свойства ЖКП Вектра, которые определены высокой ориентацией мак-ромолекул, показывают ярко выраженную анизотропию. Так, прочность и же-сткость в направлении ориентации существенно выше, чем в поперечном на-правлении. Коэффициент теплового линейного расширения в перпендикуляр-ном направлении больше, чем в продольном. Эта анизотропия несколько смяг-чается наполнителями и усиливающими материалами и доводится до уровня других армированных волокнами полимеров.

Широчайший ассортимент Вектра базируется на различных основных полимерах, которые отличаются температурой плавления, термостойкостью, жесткостью, текучестью. Путем многообразной модификации наполняющими и усиливающими материалами (стекловолокно, углеродные волокна, минералы, графит, ПТФЭ и их комбинации) имеется возможность согласовывать базовые полимеры с требованиями области применения. Вектра находит применение в электротехнических и электронных деталях, в кабелях и соединительных дета-

99

лях волоконной оптики, в аппаратах для химических процессов, в медицинских приборах, автомобиле- и машиностроении, а также в авиации и космосе. Вектра содержит только крайне незначительный процент ионных загрязнений и поэто-му имеет преимущество в области электроники по сравнению с другими мате-риалами. Многие формованные детали из сплавов легких металлов, реактопла-стов и некоторых других термопластов могут быть экономично и легко изго-товлены из материала Вектра.

Жесткая, стержнеобразная структура полимера приводит, по сравнению с исходными полимерами, к значительному улучшению механических свойств, преимущественно, в направлении ориентации, и к целому ряду других неорди-нарных свойств: − эксплуатационная температура - до 240 0С , при кратковременном воздейст-

вии даже выше; − собственная сопротивляемость возгоранию (UL 94 V-0, частично 5VA); − очень высокая прочность при растяжении, а также очень высокий модуль

упругости в направлении течения; − высокая ударная вязкость; − очень низкий коэффициент линейного термического расширения, сравни-

мый со сталью и керамикой; − очень малая температура плавления (возможно очень короткое время цикла); − очень низкая вязкость расплава; − очень низкое водопоглощение.

7.1 Композитные (композиционные) материалы, применяемые в стоматологии

Для быстрой и качественной подготовки зуба к протезированию на сто-матологическом рынке в середине 90-х годов появились материалы, специально разработанные для формирования культи, отличительными особенностями ко-торых являются текучая консистенция и двукомпонентность. Обычно они вы-пускаются в виде систем «паста-паста» или порошок-жидкость.

Композитный материал LuxaCore®, разработанный немецкой компани-ей DMG-Hamburg стал первым продуктом этой серии, поставляемым в кар-триджах автоматического смешивания. Такая упаковка позволяет избежать ошибок в процессе приготовления, благодаря смешиванию катализатора и ос-новной пасты в равных пропорциях. LuxaCore®, получивший по данным неза-висимого каталога Reality высшую оценку — знак «Пять звезд», выпускается двух типов: LuxaCore® Automix — химического отверждения и LuxaCore® Dual — двойного отверждения. С 2002 года компания DMG-Hamburg выпускает LuxaCore® Smartmix — новую аппликационную форму в виде эргономичных шприцев, позволяющих точно контролировать расход материала. Качественные материалы для создания культи зуба должны отвечать следующим требовани-ям: самоотверждение или двойное отверждение.

100

Двойной механизм полимеризации дает возможность при помощи одно-го материала зафиксировать эндоканальный штифт и одновременно сформиро-вать культю под коронку. Время работы при этом составляет 2 минуты. LuxaCore® Automix отверждается 3,5 минуты, а полимеризацию LuxaCore® Dual можно ускорить с помощью лампы до 40 секунд. При толщине слоя материала до 2 мм это время сокращается до 20 секунд.

Рентгеноконтрастность необходима для контроля прилегания плом-бировочного материала к стенкам полости и оценки качества выполненной рес-таврации. Рентгеноконтрастность LuxaCore® по отношению к алюминию (Аl) составляет 150 %. Общее содержание неорганического наполнителя (бариевое стекло и пирогенный кремень) в LuxaCore® составляет 72 %, что обуславливает высокую прочность и долговечность реставрации.

Физико-механические свойства LuxaCore® очень близки аналогичным свойствам дентина, что является необходимым качеством при восстановлениях сильно разрушенных зубов. Цветовая гамма LuxaCore® представлена тремя от-тенками: голубой — для более удобного и контролируемого препарирования культи, А3 и D-B2 — оптимальный цвет для создания базы при реставрациях I и II классов. Система автоматического смешивания в картриджах включает, помимо смесительной, специальную интраоральную насадку для быстрого и точного внесения материала непосредственно в полость. Применение LuxaCore® в технике направленной полимеризации по Bertolotti позволяет эко-номить время при обширных реставрациях I и II классов. В этих случаях LuxaCore® Automix можно применять для создания базового слоя, с последую-щим внесением микрогибридного или пакуемого светооотверждаемого компо-зита. Такая техника реставрации создает идеальное краевое прилегание базово-го слоя и решает проблему полимеризационной усадки. Таким образом, ис-пользуя LuxaCore® достигаются следующие преимущества: - оптимальное соотношение компонентов и хорошая гомогенность благодаря автоматическому смешиванию;

- быстрота и экономичность внесения материала из-за специальной интрао-ральной насадки;

- высокая скорость отвержения материала, даже без применения фотополиме-ризации;

- возможность одновременного создания культи и фиксации эндоканальных конструкций;

- длительное выделение фторидов, обеспечивающее стойкий противокариозный эффект;

- высокая прочность и долговечность готовой реставрации. Revolution kit - текучий светоотверждаемый гибридный композит, удо-

бен для классов 3, 4, 5. Revolution kit может использоваться для: восстановления дефектов эма-

ли, починки фарфоровых восстановлений, восстановление окклюзионных буг-ров в зонах, не подлежащих повышенному окклюзионному давлению, для запе-чатывания бороздок и фиссур, для цементировки керамических и композитных виниров (накладок), для восстановления режущего края и культей зуба.

101

Это уникальный композит, который включает в себя химию BIS – GMA с наполнителем из стекла (приблизительно 55 %). REVOLUTION включает в себя комбинацию текучести и прямой системы размещения материала в полос-ти зуба, что упрощает нанесение материала и минимизирует дальнейшую поли-ровку. Условия хранения: хранить жидкий композит рекомендуется только при комнатной температуре. Срок хранения 2 года.

Protect It - композитный запечатывающий материал. Назначение: запе-чатывание фиссур и микротрещин в эмали и композитных реставрациях.

PRODIDGY CONDENSABLE - конденсируемый композит. Новый материал Prodigy Condensable: удобный в работе, устойчивый и

конденсируемый композит для достижения отличного краевого прилегания; прочный материал с минимальной усадкой и отверждаемый единым слоем в 5 мм; проверенный материал, имеющий более 5 лет клинической апробации; материал с отличной эстетикой и полируемостью. Выделим несколько основ-ных свойств Prodigy Condensable:

− уверенная конденсируемость. Большинство «альтернативных» материалов созданы на основе полного изменения уже существующих продуктов или путем разработки новых составов. В Prodigy Condensable фирма Kerr ис-пользовала проверенные временем наполнители из Herculite XRV и Prodigy. Это дает уверенность в технологии, имеющей 5-летнюю историю, подтвер-жденную клинически. Вдобавок, как основа превосходной эстетики, сохра-нен размер частиц в 0,6 микрон. Конденсируемость материала достигается за счет добавления дисперсанта и реологической контрольной добавки (РКД). Дисперсант уменьшает вязкость и позволяет увеличить наполненность мате-риала частицами по весу с 78 % до 80 %. РКД удерживает частицы на рас-стоянии друг от друга в однородном состоянии, что позволяет локализовать эффект направленного давления и уменьшает скорость движения частиц, ко-торые создают сопротивление при конденсации. Результатом является улучшенное краевое прилегание;

− отверждение большой массы материала. Фотополимеризующая лампа Optilux 500 с лампочкой высокой мощности позволяет провести полимери-зацию на глубину до 5 мм. Одно из главных преимуществ Prodigy Condensable состоит в том, что химическая структура материала плавно мо-дифицируется при полимеризации, что дает возможность производить по-лимеризацию единым слоем;

− уменьшение усадки. В Prodigy Condensable достигнут показатель в 1,8 %. По сравнению с обычными композитами – это уменьшение усадки более чем на 41 %.

Prodigy - светоотверждаемый микрогибридный композит. Prodigy явля-ется новейшим композитным полимерным пломбировочным материалом свето-вого отверждения, который содержит приблизительно 79 % (по весу) неоргани-ческого наполнителя со средним размером частиц 0,6 микрон. Все оттенки, кроме Incisal являются рентгеноконтрастными. Рекомендуемая температура хранения материала от 18 0С до 24 0С. Срок хранения – 3 года со дня изготовле-ния. Срок годности указан на шприцах и на монодозовых заправляемых тюби-

102

ках. По истечении срока годности не использовать. Также рекомендуется ис-пользовать видимые источники света, такие как «Demetron 401 light-curing unit». Композит должен быть защищен от воздействия видимого света до ис-пользования. Для сохранения оптимального качества материала: после выдав-ливания композита необходимо уменьшить давление внутри шприца, повернув шток на два деления назад. Это поможет предотвратить накапливание материа-ла в колпачке и позволит сохранить качество материала при повторном исполь-зовании.

Система цветов Prodigy составлена таким образом, чтобы упростить процесс выбора необходимого цвета, и предлагает наиболее часто используе-мые цвета, как в наборах, так и в тюбиках. Предлагаются следующие оттенкипо шкале VITA: A1, A2*, A3*, A3.5, B1*, B2, C2*, D2*, D3, INCISAL, UNIVERSAL OPAQUE (A3.5 VITA EQUIV). Звездочкой (*) помечены оттенки, которые входят в стандартный набор восстановительной системы Prodigy Composite Restorative System. Остальные оттенки можно приобрести дополни-тельно как в форме шприцов, так и тюбиках. Некоторые замечания:

Incisal - этот оттенок имеет высокий уровень прозрачности и может ис-пользоваться для формирования резцового края или прозрачных слоев, для вос-становления естественной прозрачности зуба. Может быть использован в каче-стве поверхностного материала с различными композитами.

Universal Opague - этот оттенок используется в тех случаях, когда для восстановления необходимы «блокирующие» непрозрачные оттенки. Напри-мер, для глубокого кариеса класса II, для восстановления нарушенной ткани требуется материал, схожий по оптическим свойствам с дентином.

OptiGuard (ОптиГард) OptiGuard - поверхностный композитный герметик (с выделением фто-

ра), который применяется как покрывающий материал после восстановления композитами. Современные высокоскоростные полировочные материалы могут образовывать микротрещины, которые являются причиной преждевременного износа композита и могут распространяться под поверхность. Применение гер-метика, который позволяет предотвратить преждевременный износ, повышает его прочность и долговечность. Также OptiGuard обеспечивает дополнительную защиту краев реставрации благодаря выделяемому им фтору, содержащегося фосфорной кислоте.

Это свойство позволяет использовать OptiGuard как композитный запе-чатыватель (силант), который является окончательным шагом при пломбирова-нии и наносится сверху композитного восстановления. Современная обработка материала, с помощью высокоскоростной системы, при использовании карбид-ных боров, может создавать небольшие трещины и сколы в наружной поверх-ности композитного материала, которые в дальнейшем могут служить причи-ной нарушения поверхности композитного восстановления. Нанесение силанта (запечатывателя), который запечатывает композитную поверхность на самом раннем этапе использования композитной пломбы повысит шансы того, что восстановление нарушенной ткани будет более эффективным по времени и

103

прочным. Более того, ОптиГард выделяя свободный фтор, предотвращает обра-зование вторичного кариеса, т.к. протравка содержит фосфорную кислоту.

Призмафил (по лицензии «Dentsply») - композитный пломбировочный материал светового отверждения предназначен для восстановления полостей зубов III, IV и V классов у взрослых и детей, а также для устранения космети-ческих недостатков формы зуба. Композитный пломбировочный материал от-верждается видимым светом длиной волны 450-500 нм.

Свойства: материал представляет собой композит на основе органиче-ского связующего и бариевоалюмоборосиликатного наполнителя. По размеру частиц наполнителя материал классифицируется как мининаполненный. Мате-риал «Призмафил» готов к применению и не требует введения дополнительных компонентов перед пломбированием. Комплект композитного материала «Призмафил» состоит из пломбировочной пасты трех тонов: светлого, промежуточного и темного. Присутствие в составе светоотверждаемого адгезива, обеспечивает адгезию пломбировочной композитной пасты к тканям зуба, геля для обработки зуба, который после использования для протравливания эмали создает микрошероховатости ее поверхности. Материал «Призмафил» цветостабилен и рентгеноконтрастен.

Отверждение: каждый слой композитной пломбировочной пасты отвер-ждается видимым светом не менее 20 секунд. Для определения времени отвер-ждения композитной пломбировочной пасты используются специальные таб-лицы. Для полостей III и IV классов время отверждения следует увеличить, об-лучая материал дополнительно с внутренней и внешней стороны, а также через лингвальные и букальные поверхности эмали.

Хранение: комплект композитного пломбировочного материала светово-го отверждения «Призмафил» должен храниться в темном помещении. При температуре не выше + 24 0С, срок хранения материала 2 года. Хранение при температуре + 4 0С увеличивает срок годности. При хранении в холодильнике перед использованием выдерживают материал в комнатных условиях не менее 1 часа.

LUTE IT - является новым многоцелевым набором для цементировки полностью керамических и полностью композитных непрямых реставраций (виниров, коронок, вкладок и накладок), а также для ремонта фарфоровых про-тезов в ротовой полости пациента. Набор содержит цементы с четырьмя оттен-ками цвета (с тремя различными уровнями прозрачности). Они могут отвер-ждаться светом или химически, рентгено - контрастны и выделяют флюорид.

Набор содержит цементы следующих степеней прозрачности: - Clear - полностью прозрачный; - Light и Dark - уровень непрозрачности 1; - Opaceous White - уровень непрозрачности 2 - непрозрачный белый.

Понимание варьировки прозрачностей может быть очень полезным при подборе правильного агента для любой косметической реставрации. Поскольку цементы сделаны с различными уровнями прозрачности, это позволяет макси-мально приблизить реставрацию к натуральному виду зубов. При необходимо-сти комбинирование цементов позволяет провести границу между натурально и

104

мертво выглядящими реставрациями. Полностью прозрачный цемент не изме-няет цвета реставрационного материала и является идеальным, при соответст-вии цвета композита или фарфора требуемому цвету.

Комбинирование прозрачного цвета с любым другим, снизит уровень прозрачности, тем самым привнесёт легкий сероватый оттенок. Цементы с уровнем непрозрачности 1 попадают в нормальную цветовую гамму сущест-вующую для цементов. Light добавит реставрации белизны - эквивалент по шкале VITA А1; Dark соответствует цвету А 3,5 по шкале VITA. Смешение этих цементов вместе позволит подобрать промежуточные цвета подкладочно-го слоя. Opaceous White используется для полного отбеливания подкладочного слоя ввиду его непрозрачного экстремально белого цвета. При смешивании с другими цветами можно добиться необходимого уровня прозрачности.

Комподент-М - композитный пломбировочный материал химического отверждения. Предназначен для использования при пломбировании кариозных полостей III, IV, V классов в области передних зубов. Допустимо использовать «Комподент-М» для пломбирования кариозных полостей I и II классов.

Свойства: «Комподент-М» относится к материалам химического отвер-ждения типа «паста-паста». Содержит в качестве связующего смесь нелетучих диметакрилатов и до 80 % неорганического наполнителя. Материал соответст-вует классу В тип 1 по классификации ISO 4049.

Хранение: материал «Комподен-М» необходимо хранить в сухом месте в закрытых помещениях, исключающих попадание прямых солнечных лучей и на расстоянии не менее 1 м от отопительных приборов при температуре от минус 10 0С до +20 0С или в холодильнике. Гарантийный срок сохраняемости материала «Комподент-М» - 1,5 года с даты изготовления при соблюдении ус-ловий хранения. Хранение в холодильнике увеличивает срок сохраняемости.

Адмира (Admira) - светоотверждаемый композиционный пломбировоч-ный материал основанный на ормоцерах и испытанной композитной техноло-гии. Соответствует стандартам EN24049/ISO 4049. Адмира содержит ком-плексные пространственно-отверждаемые неорганически-органические копо-лимеры (ормоцеры), аддиционные алифатические и ароматические диметилак-рилаты. Ормоцеры как тип материала защищен патентом. Пломбировочный ма-териал отверждают галогеновым светом (синий свет). Адмира содержит 78 % неорганического наполнителя (56 % по объёму микронаполнителя, размер час-тиц около 0,7 дм). Адмира используется вместе с Адмира Бондом - дентин-эмалевым бондом, главные компоненты которого - специально разработанные адгезивные ормоцеры. Адмира выпускается в шприцах и капсулах Адмира Капс (Композитная Аппликационная Система) для прямой аппликации.

Адмира имеет 10 цветовых оттенков: красно-коричневые оттенки - А1, А2, A3, A3.5, А4; жёлтые оттенки - В2, ВЗ; серые оттенки - С2; режущий край – I; универсальный опаковый - UO.

Показания: - пломбирование дефектов всех классов; - восстановление фронтальных зубов после травм; - винирование измененных в цвете фронтальных зубов;

105

- коррекция формы и цвета для улучшения эстетики; - шинирование подвижных зубов; - восстановление фасеток; - моделирование культи под коронку; - композитные вкладки.

Хранение в прохладном месте, при комнатной температуре от 15 0С до 25 0С в течение 2-х лет. Шприцы и флакон с бондом сразу после применения необходимо закрыть, чтобы предотвратить воздействие света. Не применять после истечения срока годности.

АЛЕРТ (ALERT) - подобный амальгаме реставрационный композит, разработанный компанией Дженерик /Пентрон и является революционно но-вым конденсируемым композитом, разработанным как превосходная альтерна-тива амальгаме.

Традиционные постериорные композиты никогда не были идеальной альтернативой амальгаме, поскольку требовали больше времени для создания реставрации и полировки, не могли быть конденсированы в полости и не могли с легкостью создать адекватный проксимальный контакт. Конденсируемый композит АЛЕРТ меняет эти представления. Этот высоконаполненный тради-ционными и микростекловолоконными наполнителями композит отличают следующие качества: - высоко конденсируемый; - глубина полимеризации более 5 мм (возможно создание реставрации в один прием);

- очень малая усадка при полимеризации - менее 2 %; - чрезвычайно низкая стираемость - менее 3,5 мкм в год; - не липкий и не "выскакивающий" из полости; - высочайшие прочностные характеристики; - легко формируемые контактные области (при помощи обычной амальгамной техники);

- легко создаётся анатомическая форма зуба; - рентгеноконтрастен; - выпускается в трех оттенках по шкале VITA - А2, В1, С2 и в трех размерах - 1 порция, 2 порции, 3 порции;

- стартовый набор содержит все необходимое для работы. Cement-It - композитный цемент для фиксации металлических, метал-

локерамических реставраций и металлических постов, химического отвержде-ния. Используется с универсальными бондинговыми системами 4 и 5 поколе-ний (Bond It, Bond 1). Толщина слоя - 21 микрон. Рентгеноконтрастен, выделяет флюорид. Рабочее время - 3 минуты. Время полимеризации – 4 минуты (через минуту после окончания рабочего времени). При использовании смеси прайме-ров А и Б (Bond It) время полимеризации сокращается на 1-1,5 минуты. При не-обходимости использования стандартного времени используют входящий в комплект Metal Bond. При использовании праймер/адгезива Bond 1 время по-лимеризации остается тем же.

106

FLOW IT - светотверждаемый гибридный текучий композит Показания к применению:

− класс 5, небольшие полости классов 1,3 и 4 (по Блэку); − внутриротовое композитное винирование; − ремонтные работы на фарфоре; − исправление маргинальных дефектов, запечатывание микротрещин и фис-

сур в профилактических целях; − небольшие работы по надстройке культи.

Общая информация: - полностью заполняет подготовленные полости, образуя теснейшее соединение с их стенками;

- не уступает по физическим характеристикам традиционным композитам и превышает показатели всех композитов по стойкости цвета;

- хранение при комнатной температуре, хранение в холодильнике может вы-звать изменение консистенции и текучести;

- после выдавливания необходимого количества материала необходимо вернуть поршень немного назад для предотвращения вытекания лишнего материала;

- соответствие требуемому цвету может быть достигнуто путём наложения сло-ев различных оттенков с их промежуточной полимеризацией или смешивани-ем различных оттенков до полимеризации;

- материал является идеальным для пломбирования небольших полостей с за-труднёнными или длительными доступом и обработкой;

- выпускаемые оттенки: A-l,A-2,A-3,B-2,B-3,C-2,C-3,Clear,Univ., Opaquer. VALUX-PLUS - это универсальный композитный пломбировочный ма-

териал светового отверждения, который не пропускает рентгеновские лучи и является светореактивным. Он предназначен для пломбирования фронтальных и боковых зубов. Наполнитель в VALUX-PLUS состоит из циркония/двуокиси кремния. Неорганический наполнитель занимает 66 % объема и состоит из час-тиц размером от 0,01 микрон до 3,5 микрон. Адгезив SCOTCHBOND использу-ется для прочного связывания пломбировочного материала со структурой зуба.

Условия хранение и применение: 1) нельзя подвергать пломбировочные материалы воздействию повышенных

температур и интенсивного света; 2) рекомендуется хранение в холодильнике при температуре 4 0С или 40 F,

перед употреблением температура материала доводится до комнатной температуры;

3) материал нельзя хранить вблизи веществ, содержащих евгенол; 4) композитные пасты используются при комнатной температуре -

от 21 0С до 24 0С или от 70 F до 75 F. При этом срок хранения составляет - 36 месяцев. Дата истечения срока годности материала расположена обычно на наружной стороне упаковки. Te-Econom - композит из группы TETRIC, является светоотвердеваю-

щим, рентгеноконтрастным мелкозернистым гибридным композитом (тетра-микрогибрид). Он отвердевает под действием света с длиной волны в диапазоне

107

400-500 нм (синяя часть света галогеновой лампы). Мономер является смесью UDMA, Bis-GMA и TEGDMA. Общая доля неорганического наполнителя со-ставляет 62 % по объему или 82 % по весу. Размер частиц от 0,04 дм до 3 дм.

Состав: в 1 г материала (все цвета) содержатся следующие компоненты: - изопропилиден-бис[2(3)-гидрокси-3(2)-(4-фенокси)пропил]-бис (метакрилат)

(Bis-GMA) 0,073 г; - [2,2(4), 4-триметиленгекса-метилен-бис-(2-карбамоил-оксиэтил)] диметакри-

лат (UDMA) 0,063 г; - триэтиленгликол-диметакрилат (TEGDMA) 0,037 г; - декаметилендиметакрилат (D3MA) 0,0006 г; - сферозил (силанизированный) 0,165 г; - высокодисперсная двуокись кремния (Si02), силанизированная 0,038 г; - бариевое стекло (стеклонаполнитель, силанизированный) 0,468 г; - трифторид иттербия (Yb F3) 0,154 г; - дополнительно содержатся: катализаторы, стабилизаторы, пигменты.

Показания: - не подвергающиеся жевательной нагрузке пломбы боковых зубов I и II клас-сов у пациентов с хорошей гигиеной полости рта, а также пломбы III, IV и V классов;

- восстановление травматически поврежденных передних зубов; - облицовка передних зубов при цветоизменении; - коррекция формы и цвета для улучшения эстетики; - шинирование передних зубов при расшатывании опорного аппарата; - герметизация более глубоких фиссур моляров и премоляров; - ремонт фасеток; - изготовление вкладок Inlay/Onlay при конечной полимеризации вне полости рта.

Хранение: - материал с истекшим сроком годности использованию не подлежит; - упаковки, находящиеся в употреблении, хранить при комнатной температуре от 18 0С до 25 0С, крупные запасы хранить в прохладном месте при темпера-туре от 2 0С до 8 0С;

- закрывать шприцы сразу после употребления; - срок хранения - 3 года.

SCULPT IT - светоотверждаемый микрогибридный композит Показания: реставрационные работы полостей всех классов по Блэку.

Выпускается в унидозах и шприцах (16 оттенков по шкале VITA и режущий край).

7.2 Амальгама или композит Споры между приверженцами серебряной амальгамы и сторонниками

применения композитных пломбировочных материалов не теряют своего нака-ла на протяжении вот уже целого десятилетия. Скорее даже наоборот. С появ-лением новых, более совершенных материалов и развитием адгезивных техно-

108

логий, число приверженцев композитов становится все больше и больше. Это и неудивительно. Накопленный статистический материал и результаты послед-них клинических исследований подтверждают законное право композитов на существование в качестве пломбировочного материала для боковых зубов. За-тронутая тема вызывает большое количество откликов и комментариев со сто-роны как ученых, так и практикующих врачей.

На протяжении многих лет серебряная амальгама успешно использова-лась в стоматологии. Несмотря на критику со стороны отдельных врачей и сто-матологических учреждений, амальгама по прежнему остается простым в ис-пользовании, дешевым и сравнительно долговечным материалом. Однако за последние годы применение амальгамы в качестве пломбировочного материала стало предметом горячих профессиональных споров. В частности, дискуссия по поводу способности амальгамы вызывать аллергические реакции и некоторые хронические заболевания продолжается до сих пор - впрочем, без каких-либо четко обозначенных выводов и рекомендаций. Постепенный отход от исполь-зования амальгамы связан не столько с приведением научно обоснованных до-казательств ее непригодности, сколько с развитием технологии, предоставив-шей в распоряжение стоматологов новые материалы, которые не только пре-восходят амальгаму по эстетическим характеристикам, но и не уступают ей в долговечности.

Согласно последним исследованиям, американскими стоматологами в 20 процентах случаев в качестве пломбировочных материалов используются ком-позиты. Это свидетельствует об активизации применения композитных мате-риалов. В то же время напрашивается вполне очевидный логический вывод, что в остальных 80 % случаев для лечения американских пациентов по прежнему использовалась амальгама. Мировая стоматологическая статистика показывает, что целый ряд стран значительно снизили использование амальгамовых пломб, а некоторые страны практически полностью отказываются от них (Швеция, Германия, Япония, Швейцария и другие). В учебных программах стоматологи-ческих ВУЗов и факультетов этих стран отсутствуют вопросы по технике при-менения амальгамы.

Статистика свидетельствует, что применение амальгамы американскими стоматологами постепенно снижается год от года и, скорее всего, в недалеком будущем приведет к исчезновению его из стоматологической практики.

Многочисленные долгосрочные клинические исследования, проводив-шие сравнительный анализ лечебных характеристик серебряной амальгамы и композитных материалов (рисунок 14), показали, что композиты не только не уступают амальгаме в износостойкости, но в некоторых случаях и превосходят ее. Чем меньше размер композитной пломбы, тем благоприятнее прогноз ее долговечности. Впрочем, та же самая закономерность справедлива и для амаль-гамовых пломб.

Можно с уверенностью констатировать, что композитные пломбы мало-го и среднего размеров имеют хороший прогноз, если они правильно поставле-ны. Вопрос заключается в том, возможно ли правильно поставить композитную пломбу? Многие исследования показывают, что в среднем на постановку ком-

109

позитной пломбы в полость второго класса требуется значительно больше вре-мени, чем на постановку традиционной амальгамовой пломбы. Вместе с тем имеются и данные несколько иного рода: опыт докторов, использующих ком-позиты в качестве основного материала, свидетельствует о том, что время, за-трачиваемое на изготовление композитной пломбы, постепенно сокращается при постоянном применении этой технологии. До какой степени? В конце кон-цов доктору становится проще и быстрее поставить композитную пломбу, чем амальгамовую.

Амальгама является сравнительно дешевым материалом. Так, по крайней мере, считают страховые компании и некоторые административные

организации. Это связано с тем, что стои-мость постановки амальгамовых пломб сегодня неоправданно занижена. Квали-фикация доктора и время, необходимое на изготовление амальгамовой пломбы, должны обусловливать более высокую стоимость этой процедуры. Соответствен-но реальная стоимость композитных пломб должна быть еще выше.

Необходимо отметить, что средний уровень стоимости стоматологических процедур, непосредственно связанных с пломбированием зубов, гораздо ниже стоимости процедур, связанных, напри-мер, с протезированием или эндодонтией

(в расчете на единицу времени), поэтому цены на композитные пломбы должны быть соответственно повышены до уровня, позволяющего достаточно оплачи-вать работу врача и обеспечивать применение правильной техники ее изготов-ления и хорошее качество.

Рисунок 14 – Пломбы из амаль-гамы и композита

7.3 Конструкционные композиционные материалы с заданными

свойствами на основе пропилена

Созданы опытные образцы конструкционных композиционных материа-лов на основе непрерывных стекловолокон и пропилена по волоконной и пле-ночной технологиям (рисунок 15). Проведенные исследования механических свойств опытных образцов на основе непрерывных стекловолокон и термопла-стичных полимеров (полипропилена и капрона) показали их высокую проч-ность (до 300 МПа), что в несколько раз выше, чем на основе коротко-рубленных волокон. Композиты на основе непрерывных волокон имеют более высокую температуру от 80 0С до 90 0С разупрочнения (снижения упругих и прочностных характеристик) по сравнению с коротко-рубленными волокнами от 50 0С до 60 0С. Для выбора основных технологических параметров изготов-ления термопластичных композиционных материалов методом прессования по волоконной и пленочной технологиям получены расчетные зависимости давле-

110

ний прессования от длины пути пропитки армирующих стеклянных нитей рас-плавом пропилена и капрона.

На основании модели пропитки рассчитаны зависимости давлений прес-сования от температуры матричного расплава с учетом диаметров армирующих нитей, линейной плотности нитей, соотношения числа армирующих и матрич-ных нитей, коэффициента армирования. Результаты научно-исследовательской работы по созданию конструкционных композиционных материалов на основе непрерывных стекловолокон и термопластичной матрицы (полипропилен, ка-прон, полиэтилен, полистирол) принципиально решают вопрос о замене эколо-гически «грязного» производства композиционных материалов на основе эпок-

сидных смол, полиэфирных, фенолформальдегидных и других термореактив-ных смол на экологически «чистые» и более производительные производства композиционных материалов на основе термопластичных связующих.

сечения изделий

Рисунок 15 - Образцы конструкционных композиционных материалов на осно-ве непрерывных стекловолокон и пропилена

111

Список использованных источников 1 Афиногенов Г.Е., Панарин Е.Ф. Антимикробные полимеры.- СПб: Гиппо-

крат, 1993.- 264 с. 2 Бакеев Н.Ф. Влияние органических жидкостей на механические свойства

полимеров // Механические свойства конструкционных материалов при эксплуатации в различных средах / Под ред. А.Н. Тынного.- Львов.- 1972.- С. 52-54

3 Биомедицинские полимеры - в кн. Биополимеры: Пер. с япон./Под ред. Иманиси.- М.: Мир, 1988, 360с.

4 Бондаренко В.А., Богодухов С.И., Синюхин А.В. Материаловедение в во-просах и ответах: Учебн.пособие.-Оренбург:ОГУ, 2001.-210с.

5 Власова И.В. Кузьмин Г.В., Блинникова А.В. Спектрофотометрическое оп-ределение метилметакрилата как способ контроля качества стоматологиче-ских изделий // Вестник Омского университета.-1999.- N 1.- С.5-8

6 Гарнер М.М., Нападов М.И. и др. Материаловедение в стоматологии. - М., 1969.- 235с.

7 Гожая Л.Д. Аллергические заболевания в ортопедической стоматологии. - М.: 1988.- 190с.

8 Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: Учебн. пособие для ву-зов/Под ред. А.Г. Рахштадта. –М.: Металлургия, 1989.- 454с.

9 Джалилов Х.Р. и др. Влияние гамма-излучения на свойства полимерных ба-зисных материалов, применяемых в стоматологии // Стоматология. - 1982. - N 4.- С.18- 35

10 Дойников А.И. и др. Зуботехническое материаловедение. - М., 1986.- 400с. 11 Журнал ВХО им. Д.И.Менделеева, 1985, т. 30, № 4. 12 Итоги науки и техники: Сб. Сер. "Химия и технология медико-

биологических полимеров" /Под ред. Н.А.Платэ - М.: Химия (т. 10, 1976.; т. 16, 1981; т. 20, 1985; т. 21, 1986).

13 Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие на-учно-технических решений в медицине: Учебное пособие. – Оренбург: ОГУ, т.2, 2001. – 255с.

14 Коршак В.В., Штильман М.И. Полимеры в процессах иммобилизации и модификации природных соединений.- М.: Наука, 1998.- 281 с.

15 Лаппо В.Г. Современные проблемы токсикологии полимерных материалов для медицины //Синтетические полимеры медицинского назначения.–Ташкент, 1984.- С.25- 40

16 Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для вузов.-М: Машиностроение, 1990.-528с.

17 Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебное пособие. - М.: Высш.шк., 1991.-448с.

18 Петров Р.В., Хаитов Р.М. Искусственные антигены и вакцины. - М.: Меди-цина, 1988. - 288 с.

19 Платэ Н.А., Васильев А.Е. Физиологически активные полимеры. - М.: Хи-мия, 1986.- 296 с.

112

20 Платэ Н.А. Полимеры для медицины // Наука в СССР, 1986, № 1, с.2-9 21 Полимеры медицинского назначения: Пер. с япон./Под ред. С.Манабу.- М.:

Медицина, 1981. - 248 с. 22 Торчилин В.П. Иммобилизованные ферменты в медицине. - М.: ВНТИЦ.,

1998.- 198 с. 23 Штурман А.А., Авраменко В.Я. К вопросу упрочнения пластмасс в среде

растворителя // Механика полимеров.- 1972.- N 5.- С.6-10 24 Энциклопедия полимеров, в 3т.,- М.: СЭ, 1977, т.т. 2,3.

113