Анализ структуры и свойств композиционных материалов на основе циркониевой керамики и кальций-фосфатных соединений

  Ройтберг Г.И. Исследование работоспособности конструкционных термопластов для эндопротезирования суставов. - Дис. … канд. мед. наук. - М., 1972. Мовшович И.А., Виленский

Анализ структуры и свойств композиционных материалов на основе циркониевой керамики и кальций-фосфатных соединений

Курсовой проект

Медицина, физкультура, здравоохранение

Другие курсовые по предмету

Медицина, физкультура, здравоохранение

Сдать работу со 100% гаранией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Анализ структуры и свойств композиционных материалов на основе циркониевой керамики и кальций-фосфатных соединений

Введение

 

Повреждения и заболевания опорно-двигательного аппарата занимают одно из первых мест среди причин смертности, временной нетрудоспособности развития инвалидности, а их удельный вес неуклонно растет и принимает характер эпидемии. Все это дает толчок развитию такому направлению в медицине, как эндопротезирование.

Эндопротезы - вживляемые в организм механические приспособления, которые заменяют отсутствующие органы и части тела. Создание эндопротезов - одно из величайших достижений человеческого разума, сравнимое с освоением мирового океана и космоса. Немногие новшества современной медицины могут сравниться с эндопротезированием по улучшению качества жизни людей. Эндопротезирование суставов - современный наиболее эффективный метод восстановления подвижности суставов путем их полной или частичной замены искусственными компонентами

Современные успехи эндопротезирования являются результатом не только возросшего мастерства хирургов, но и большего понимания того, как ткани организма взаимодействуют с имплантатами. Эндопротезы суставов стали изготавливать из материалов, которые сами, а также продукты их коррозии и изнашивания не вызывают в живых тканях острую реакцию отторжения. Биологическое воздействие организма на имплантированные материалы, обусловливающее их старение, а значит - снижение прочности и ухудшение триботехнических характеристик подвижных сопряжений, происходит в пределах, не приводящих к неплановому отказу эндопротезов.

Ткани живого организма в контакте с инородными материалами формируют поверхность раздела, на которой они могут агрессивно воздействовать на имплантат. Жидкости организма содержат активные биологические вещества, например, ферменты - биологические катализаторы на основе белков, присутствующие во всех живых клетках. Они могут вырабатывать радикалы, разрушающие полимерные имплантаты. Сложные электролиты, входящие в состав биологических жидкостей, инициируют электрохимическую коррозию металлов и могут вызвать растворение керамических материалов. Поэтому немногие материалы остаются нетронутыми после имплантации. В чрезвычайных случаях организм инициирует комплексные реакции, «атакующие» имплантат в результате чего возникает воспаление. Поэтому в современном эндопротезировании большое распространение получили композиционные материалы на основе циркониевой керамики и кальций-фосфатных соединений.

Эти материалы высокобиосовместимы, не вызывают отрицательных аллергических, иммунологических реакций, не обладают канцерогенным и мутагенным эффектами и хорошо интегрируются с костной тканью.

Не менее важными также являются вопросы, касающиеся обеспечения жесткости фиксации костных фрагментов. Поэтому огромное значение имеет пористость материала. Костная ткань человека, также как и животных способна к регенерации и через некоторое время после операции прорастает в поры имплантата, повышая жесткость фиксации в несколько раз. С появлением пористости изменяется не только прочность и способность к деформированию, но и характер зависимости между напряжением и деформацией. На деформационных диаграммах, в этом случае, присутствует участок с нелинейным характером зависимости s=f(e). В материалах такого рода наблюдается довольно медленное распространение трещины, которую можно остановить путём разгрузки испытательной машины.

 

1.Эндопротезирование костной ткани

 

1.1Материал, используемый в эндопротезах

 

В эндопротезировании используется множество материалов в зависимости от их биологических и прочностных свойств.

Металлы и их сплавы используют в эндопротезах в виде литых и кованых изделий. Их биомеханические характеристики и химические свойства являются важным фактором, определяющим конструкцию эндопротезов суставов.

Была сделана попытка применить в эндопротезах сплавы на основе меди, никеля, железа и кобальта, используемые для изготовления морского такелажа [1]. Их биоинертность, в отличие от благородных металлов, зависела от свойств пассивирующих пленок, которые возникали на поверхности изделий в солевой среде. Эксперименты на лабораторных животных показали, что промышленные латуни, бронзы, хромо-никелевые и углеродистые стали не применимы для имплантации из-за плохой биосовместимости и потери прочности вследствие коррозии.

Литые изделия из сплава CoCrMo под названием Стеллит (Stellite) и кованые - из нержавеющей стали, т.е. из сплава FeCrNi, были применены в качестве имплантатов в 40-е годы ХХ в. В работе [2] автор отмечает, что их биоинертность также определялась свойствами пассивирующей пленки на поверхности изделий. В 50-е годы появились имплантаты на основе титана, циркония и их сплавов.

Литьевые сплавы на основе кобальта происходят из группы материалов, называемых Стеллитами. Самый технологичный метод их переработки в изделия - литье по выплавляемым моделям на воздухе. После того, как кобальт, как компонент сплавов, подвергают исходной промышленной очистке, в нем остается около 1% никеля. Последний оказывает определенное влияние на свойства литьевых сплавов, т.к. кобальт является их основным компонентом, образуя матрицу, в которой располагаются фазы на основе хрома и молибдена. Хром придает сплавам прочность и, что наиболее важно, химическую инертность, благодаря формированию на поверхности имплантатов пассивирующей оксидной пленки. Молибден обеспечивает стойкость к коррозии (сплошной, питтинговой и локальной), а также длительную прочность и надежность имплантатов.

Железо и другие примеси взаимодействуют с основными компонентами кобальтовых сплавов, образуя карбиды и прочие вторичные фазы, придающие матрице стойкость к абразивному изнашиванию. Концентрация углерода в сплаве должна быть низкой, чтобы предотвратить чрезмерный рост карбидной фазы, т.к. это уменьшает прочность и вязкость сплавов. Изделия из литьевых сплавов подвергают отжигу, в результате чего карбидная фаза приобретает сферическую структуру, улучшая упругость сплавов.

Достоинствами кобальтовых сплавов являются высокие жесткость и износостойкость, а также хорошая полируемость, позволяющая получать имплантаты с очень гладкой поверхностью. Поэтому большинство головок, а также сферических и конических чашек эндопротезов тазобедренного сустава изготавливают литьем из сплавов Со (66%) - Cr (27%) - Mo (7%) по стандарту ISO 5832-4. В 1950-60-е годы из этого сплава стали изготавливать ножки эндопротезов Мура, Томпсона и Мюллера, которые часто ломались из-за ограниченной усталостной прочности. Поломки прекратились после перехода на кованые ножки.

 

Таблица 1. Свойства металлов и сплавов, применяемых для изготовления эндопротезов суставов [2]

Состав материала (% масс.)Модуль упругости, ГН/м2Предел прочности при растяжении, МН/м2Относительное удлинение при разрыве, %Состав поверхностного слоя образцаТi (99)97240-550> 15ТiО2Ti (90) + Al(6)+V(4) кованый117860-896> 12ТiО2Ti (90) + Al(6)+ V(4) литьевой117860> 8TiO2Нержавеющая сталь Fe (70)+Cr(18)+Ni(12) 193 480-1000 > 30 Cr2O3Co(66)+Cr(27)+Mo(7) литьевой235655> 8Cr2O3Сo(55)+Cr(20)+W(15)+Ni(10)235860> 30Cr2O3Co(45)+Ni(35)+Cr(20)+Mo(10)235793-179350-8Cr2O3Co(52)+Ni(20)+Cr(20)+Mo(4)+W(4)235600-131050-12Cr2O3Zr(99)9755220ZrO2Au(99)97207-310> 30Au

Поковочные сплавы перерабатывают в изделия прокаткой, ковкой, штамповкой и волочением.

Кованые изделия из кобальтовых сплавов превосходят литые по прочности и вязкости. Аналогичная закономерность характерна и для сплавов на основе железа. Нержавеющая сталь подвержена коррозии (межкристаллитная и питтинговая), если пассивирующая пленка на поверхности имплантата растворилась или растрескалась под действием циклических нагрузок. Чтобы не создавать концентраторы напряжения в пассивирующей пленке, не применяют стальные имплантаты с грубо обработанной или пористой поверхностью.

Титановые сплавы сочетают высокие прочность и вязкость с коррозионной стойкостью. При экспозиции на воздухе и в контакте с живыми тканями на титановых имплантатах образуется оксидная пленка. Титановые сплавы, в отличие от сплавов на основе кобальта и нержавеющих сталей, очень чувствительны к фреттинг-коррозии (возникает при колебательном перемещении сопряженных элементов в коррозионной среде). Поэтому на поверхности титановых имплантатов часто образуются задиры, а контактирующие с ними ткани обесцвечиваются. С целью повышения износостойкости детали из титановых сплавов подвергают азотированию или ионной имплантации азотом.

ПОЛИМЕРЫ

К настоящему времени ортопедия накопила опыт применения в эндопротезах суставов практически всех конструкционных полимерных материалов, которыми располагает техника [1, 4, 5]. Одни из них (полиамиды, полистиролы, поливинилхлориды) недостаточно отвечают критериям биосовместимости из-за миграции в контактирующие с имплантатом ткани технологических добавок (пластификаторов, низкомолекулярных компонентов, стабилизаторов и др.). Вторая группа пластиков, признанных биосовместимыми (большинство полиолефинов, фторопласты, силиконовые полимеры) не пригодна для использования в узлах трения эндопротезов из-за низкой износостойкости или неблагоприятного (проявляющегося в разные сроки) влияния на организм продуктов их изнашивания. На рубеже ХХ и ХХI веков в эндопротезах суставов нашли постоянное применение только три типа полимеров: сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), полиметилметакрилат (ПММА) и силиконовая резина. СВМПЭ, который предложил использовать в эндопротезах еще Дж. Чанли, до сих пор остается непревзойденным материалом трения в парах с метал

Лучшие

Похожие работы

1 2 3 4 5 > >>