Материалы для современной медицины

Типовые термореактивные материалы или реактопласты - это эпоксидные стеклопластики. Они способны к длительной эксплуатации при температуре 200 ⁰С, фенолформальдегидные при температуре до 260 ⁰С, кремнийорганические и полиамидные до 350 ⁰С, смолы и непредельные полиэфиры 200 ⁰С. Все они обладают высокой адгезией (слипчивостью), химической стойкостью, 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 соединений химически стойкие, температура плавления 110 ⁰С. Они относятся к категории удовлетворительной прочности. Применяется в электроизоляционных деталях, в инструментальном деле. Однако в силовых конструкциях не используются.

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 шкивы, рукоятки, фланцы.

Различают следующие волокниты:

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

- стекловолокнит (наполнитель стекловолокно) химически стоек, возможно 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 (облицовка помещений);

- 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 термостойкого кокса, который замедляет процесс деструкции материала, защищая его. Они имеют высокую ударную вязкость и более высокую работоспособность с металлами. Недостатки: анизотропия, т.е. деформация решетки и термодинамическая неустойчивость, возможность возврата к исходному состоянию при повышенной температуре, невысокий модуль упругости. Его применение разнообразно: корпуса лодок, судов, кузова машин, корпуса для защиты дорогостоящей аппаратуры.

5.1 Низкотемпературные пластики для ортопедии

Традиционные методы лечения переломов и других травм опорнодвигательного аппарата и ведение больного после операций по поводу травм предполагают длительную иммобилизацию поврежденных частей тела - преимущественно в гипсовой повязке. Это не только приносит большие неудобства 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 наступление тугоподвижности в суставе, чем разрабатывать сустав после контрактуры. Необходимо всегда помнить, что статическую повязку нужно регулярно снимать и тренировать иммобилизованные части тела.

В настоящее время идея «динамической иммобилизации» успешно подтверждена опытом крупнейших травматологических клиник во всем мире. Активные движения (даже незначительные) способствуют сохранению насосного механизма в мышечной ткани, помогая предотвратить нарастающий отек мягких тканей и улучшить питание костных отломков. Как результат - ускорение образования костной мозоли и регенерации поврежденных тканей, предотвращение образования контрактур. Использование низкотемпературных пластиков в ортопедии, ортезировании, реабилитации и спортивной медицине позволит реализовать идею «динамической иммобилизации». Все термопластики разработаны после длительных технических и клинических исследований, произведенных при помощи профессиональных ортезистов.

Различают следующие низкотемпературные пластики:

Turbocast (Турбокаст)

Turbocast Ortho (Турбокаст Орто)

Beachcast (Бичкаст)

Turbotret Comfort (Турботрит Комфорт)

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 определенном 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 наложения.

Турбокаст сохраняет свои свойства до тех пор, пока материал нерастянут 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 возможность разогревать большие листы пластика в контейнерах с малыми объемами.

Вспененное покрытие способствует образованию тонкой, микроскопической, воздушной прослойки между термопластиком и кожей больного, предотвращая кожные раздражения и гиперпотливость.

Турбокаст не прилипает к волосяному покрову и повязкам. Это качество широко используется для изготовления давящих повязок, туторов и ортезов у ожоговых больных.

БИЧКАСТ - точно следует контурам и изгибам поверхности, на которую наложен. После затвердевания превращается в прочную конструкцию, не требующую дополнительной форсификации. Обладает повышенной эластичностью и умеренно-клейкой поверхностью.

Особые преимущества:

- экстра прочный;

- экстра жесткая конструкция;

- возможность вертикального моделирования;

- рекомендуем для изготовления изделий с большой поверхностью и циркулярных ортезов.

Характеристики формования:

- обработка. В связи с текучестью термопластики обладают исключительной 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 Бичкаст, обладают средним уровнем липкости. Это позволяет фиксировать материал даже к вертикальным поверхностям и добиться более точного моделирования. С целью скрепления участков материала между собой отпадает 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 разогретых участков. Применение фена, с последующим прочным сдавливанием участков термопластика, также способствует сварке материала между собой.

Не клеящееся покрытие такого материала, как Турбокаст Орто НС, предотвращает 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 идеей 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 порядке убывания) становятся прозрачными после разогревания. Это дает технику возможность контролировать полное разогревание материала и при наложении видеть все особенности рельефа части тела и кожных покровов;

- конгруэнтность. Все термопластики обладают исключительным качеством до минимальных деталей соответствовать контурам поверхности;

- растяжение. Турбокаст Орто Штифф максимально резистентен к растяжению под воздействием гравитационных сил. Турбокаст Орто, Турбокаст и Турботрит Комфорт имеют среднюю резистентность к растяжению, что дает возможность контролировать растяжение материала и применять различные способы формования. Бичкаст - наиболее эластичный материал. Это качество широко используется для изготовления циркулярных изделий;

- 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 представлены в виде листа размерами 45 см х 60см или 60см х 90см, а также в лекалах-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 Орфит Эко и Орфит Классик. Рассмотрим краткие характеристики по каждому из указанных материалов (таблица 8).

Таблица 8 - Основные параметры листовых пластиков отечественного производства

Наименование	Температура формования, 0С	Время нагрева, мин	Прочность на растяжение, Н/мм2	Плотность, г/см3	Относительное удлинение при разрыве, %	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	-

Полипропилен ПП отличается низким специфическим весом и высокой жесткостью. Высокая эластичность и прочность привели к широкому применению этого материала, в частности, при изготовлении ортезов для нижних конечностей. Для достижения хороших результатов требуются эффективные нагревательные приборы и точное соблюдение технологии. Прежде всего, в комбинации с профилирующими элементами из ПП можно изготовить очень тонкостенные и стабильные детали ортезов. Также можно вставлять элементы шин. Этот полипропилен является гомополимером, т.е. полимеры (цепи молекул) построены из одного мономерного соединения. Высокая прочность и твердость связаны с уменьшенной ударной вязкостью материала. Из этого материала предпочтительно изготавливать части ортеза, подверженные сильным нагрузкам, например, этот материал используется в ортезах, применяемых при параличе.

Полиэтилен имеет самую простую молярную структуру из всех синтетических материалов. В ортопедической технике различают полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). Одной из отличительных особенностей является молекулярный вес материала.

Полиэтилен ПЭ300 - ПЭВП с низким молекулярным весом, самый популярный 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, неизменным 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 материала в термопластичном состоянии требует большой силы деформации. Данный материал часто применяется в качестве крепления внутри обуви. Применение аппарата глубокой вытяжки с резиновой мембраной облегчает обработку материала.

ОЯР1Т ЕСО - 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 возможность разделения слоев;

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

- обладает эластичной «памятью»;

- идеальная температура активации, 60 ⁰С.

Простота в применении стала возможной благодаря свойствам используемых сырьевых материалов. Достаточно нагреть и отформовать ORFIT ECO для достижения желаемого результата. Материал слипается только в том случае, если это необходимо. Края могут быть «закатаны» с приложением минимального усилия. При легком надавливании на шину, в данном месте возникает временное сцепление. При надавливании с большей силой может быть получено постоянное сцепление. Важным моментом является низкая цена, которая никак не отразилась на качестве. Из материала ORFIT ECO получаются очень жесткие шины, которые кажутся мягкими на ощупь и имеют отличную эластичную «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 приклеивания 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 имеющими высокие рабочие характеристики. Отличные адгезионные свойства материала ORFIT CLASSIC гарантируют, что ортез будет иметь надежное соединение в течении длительного времени, никакой другой термопластик не сможет обеспечить такие характеристики. Без какого-либо клея или технического растворителя возможно просто прикрепить ленту Велькро, пружины, шарниры или элементы системы Orfitube.

5.3 Протезирование

Протезирование (от фр. и греч. слов «prot» - присоединение, прибавление) - вид лечебной помощи больным и инвалидам, обеспечивающий их разнообразными протезами и ортопедическими изделиями, как для восполнения анатомических дефектов, так и с лечебной целью.

Протезы собираются на протезно-ортопедических предприятиях из готовых узлов и деталей, поступающих с заводов по изготовлению протезных полуфабрикатов. Конструкции протезов, аппаратов и ортопедической обуви разрабатывают НИИ протезирования и конструкторские группы предприятий практического протезирования.

Ведущая роль в протезировании принадлежит врачу - ортопеду, от которого в большей степени зависит правильный выбор протеза с учетом индивидуальных особенностей, характера дефекта течения заболевания. Большой вклад в усовершенствование протезирования вносят инженеры, мастера протезисты, а так же сами больные и инвалиды. В современных конструкциях протезов используются различные виды приводных систем: механические, электрические, пневматические, электронные и биоэлектронные. Различают анатомические и лечебные протезы.

Анатомические - протезы суставов (эндопротезирование) и конечностей, 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, ортопедическими аппаратами (ортопедическая обувь), слухопротезирование (слуховые аппараты).

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

Биоэлектрическое протезирование - это специальный вид реабилитации больных, в основном культи верхних конечностей. Это протезы с биоэлектрическим управлением. Такие приспособления (протезы) работают за счет подачи биотоков с мышц культи. В протезах с биоэлектрическим управлением есть возможность для улучшения работы существующих конструкций, и решения проблем с помощью высоких технологий, применяя ультразвук (УЗ), плазму и др. К материалам, используемым для изготовления протезов предъявляются 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 материал должен быть достаточно удобным при подготовке протеза и безвредным для организма.

Требования, предъявляемые к протезированию:

- долговечность функции;

- минимальная инерционность запирательного элемента обеспечивающего разницу давления на уровне протеза;

- отсутствие регургитации;

- ламинарность потока к крови, уменьшающая опасность разрушения форменных элементов крови;

- отсутствие тромбоэмболических осложнений.

Все протезы подразделяются на косметические, функционально - косметические, рабочие, активные.

Косметические протезы лишь устраняют дефект в той или иной форме. Функционально-косметические протезы дают возможность кроме устранения дефектов, также осуществлять функциональные действия. Рабочие протезы позволяют выполнять большое число операций, благодаря наличию специальных приспособлений. Активные протезы компенсируют одновременно косметический 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 предсердножелудочковый) двустворчатый клапан или клапаны аорты у больных с врожденными или приобретенными дефектами. Во многих случаях замена пораженного клапана протезом - единственная возможность нормализации гемодинамики, восстановления здоровья и работоспособности больного. Современная операция возможна только при применении аппарата искусственного кровообращения на остановленном сердце со вскрытием его полостей. Для протезирования клапанов сердца используются механические, биологические (тканевые) протезы.

Механические протезы - искусственные клапаны, имеют запирательные элементы лепесткового типа или вентильные, выполненные из искусственного материала (тефлона, силиконовой резины, кремнийорганических соединений) и помещенные в обшитый синтетической тканью металлический каркас различной конструкции.

Наилучшими гемодинамическими характеристиками обладают 3-х створчатые модели типа полулунной заслонки клапана аорты. Сердечные протезы 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 элементом 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 применение наклонные, поворачивающиеся, дисковые протезы, малогабаритные вентильные протезы. Вентильные протезы отличаются от шариковых небольшой высотой, малым весом, меньшей инерционностью запирательного элемента, 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, естественный или смоделированный 3-х створчатый запирательный элемент биологической природы, фиксируемый на искусственном опорном каркасе. биологические протезы используются в трансплантологии.

Трансплантация -- пересаживание, вживление, замещение поврежденных или отсутствующих органов и тканей, реципиентами. В клинической практике широкое распространение получила пересадка тканей и частей органов, например, мышц, сосудов, нервов, роговицы глаза, костного мозга и др. Особый вид трансплантологии - переливание крови. Из числа органов чаще всего осуществляют пересадку почки, эндокринных желез (вилочковой), реже - легких, сердца и печени. Трансплантацию органов применяют при заболевании данных органов в терминальных состояниях больным, потерявших единственный парный орган (почку). Так же она применяется в экспериментальной биологии и медицине (онкологии). Среди биологических протезов различают трансплантаты и биопротезы.

Трансплантаты - это клапаны биологического происхождения, пересаженные без предварительной химической обработки, в жизнеспособном состоянии или после консервации и стерилизации в сохраняющих физиологических жидкостях и растворах антисептиков (антибиотиков).

Видовые различия трансплантации:

1) аутотрансплантация - пересадка собственных органов и тканей организма;

2) изотрансплантация - пересадка органов и тканей идентичных по генетическому 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 трансплантации 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 организма, а также возможна пересадка органов и тканей от кровных родственников больного или от трупов людей, смерть которых наступила вследствие несовместимых с жизнью повреждений или травм. Подбор пар «донор - реципиент» осуществляют с учетом группы крови, т. е. по эритроцитарным антигенам системы АВО, резус - фактору (КЬ) и тканевым антигенам (ИЬЛ - система). Они представляют собой компоненты клеточной мембраны, которые распознают чужеродные антигены (белки), при этом главная роль принадлежит Т - лимфоцитам. Развитие современной хирургии, а особенно развитие микрохирургии, связано с применением современного оптического оборудования, с помощью которого осуществляется сосудистый шов при шунтировании кровеносных сосудов, операциях по восстановительной хирургии и др. Такие операции проводятся с участием многих специалистов (хирургов, анестезиологов, реаниматоров, кардиологов) и привлечением сложной аппаратуры, необходимой при трансплантации. Основными обстоятельствами, сдерживающими развитие трансплантологии, является биологическая несовместимость тканей, появляю- щаяся в различные сроки после пересадки и проявляющаяся в отторжении трансплантируемого органа. С целью предотвращения данного процесса применяют иммунодепрессанты (димедрол, антигистаминные препараты, ионизирующее излучение), действие которых направлено на подавление трансплантационного иммунитета, т.е. на угнетение иммунной системы реципиента, что повышает, в свою очередь чувствительность к возбудителям инфекции и частоту возникновения опухолевых процессов. Проблемы трансплантологии побудили 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 возникает острая необходимость в получении достаточно глубоких знаний по вопросам касающихся трансплантологии инженерам медицинской техники.

Основные преимущества биотрансплантатов перед механическими - это отсутствие или небольшой риск тромбоэмболических осложнений, сроки работы 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 выброса;

- смешанные пороки аорты.

По данным Всесоюзного центра АМН РФ выживаемость пациентов после 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 кровеносных сосудов - это хирургическая операция по созданию с помощью различных сосудистых трансплантатов нового пути кровотока в обход пораженного участка 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 аутовен используют аллотрансплантаты (устар. гомотрансплантация - пересадка органов или тканей в пределах одного вида) или ксенотрансплантаты (устар. гетеротрансплантация - пересадка органов или тканей от одного вида другому) животных (бычьи, свиные сосуды). При трансплантации кровеносных сосудов часто применяются синтетические материалы: лавсан, капрон, политетрафторэтилен и другие полимеры, чаще при шунтировании аорты. Использование синтетических материалов имеет большое преимущество перед другими (биологическими) материалами, т.к. дает возможность создания шунтов любой длины и конструкции.

Тканевая (иммунологическая) совместимость или несовместимость обусловлена генетическим различием антигенного состава клеток донора и реципиента, приводящим к иммунологическому конфликту. Основными проявлениями иммунологической несовместимости являются клеточные и гуморальные («еЬишог» - жидкость, пер. с лат.) реакции, направленные против чужеродных клеток и тканей, приводящих к их повреждению, гибели и патологическим процессам, что сопровождается отторжением трансплантата.

Иммунологическая несовместимость имеет большое значение в развитии трансфузиологии (переливание крови) и трансплантологии. Иммунологическая несовместимость определяется в большей степени лимфоцитами, среди которых основная роль принадлежит Т- лимфоцитам (тимусзависимые лимфоциты). Реакция иммунологической несовместимости может протекать в виде реакции «реципиент против хозяина», особенно при пересадке органов, богатых собственными лимфоидными элементами, например, костного мозга, селезенки, печени. Реакция не возникает в пределах одного организма (кожа с одного 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 (межвидовой) трансплантации.

5.4 Изучение миграции метилметакрилата из стоматологических пластмасс в водную среду

На протяжении последних 60 лет широкое применение в ортопедической 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 пользовании зубными протезами. Установлено, что аллергические и токсикологические стоматиты вызывает остаточный мономер (ОМ) - метилметакрилат, который попадает в слюну вследствие вымывания или истирания пластмассы.

Для уменьшения отрицательного влияния ОМ в одних случаях рекомендуют повторную полимеризацию готовых протезов, в других - разные виды физической и физико-химической обработки поверхностных слоев зубопротезного изделия, для чего порой требуются сложные и дорогостоящие приборы. Учитывая тот факт, что в большинстве стоматологических клиник нет соответствующего оборудования, для снижения миграции ОМ предлагается простой метод обработки стоматологических изделий, не очень трудоемкий и не требующий больших затрат. По данным литературы, для обработки акриловых пластмасс могут быть применены органические растворители. Используя данные относительно влияния различных растворителей на акриловые полимеры, проводят обработку образцов этанолом, который является хорошим растворителем 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 соответствии с инструкцией изготовления базисов съемных зубных протезов. Для получения сравнительных характеристик проводится исследование нескольких образцов 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 температуре в течение суток;

- 3-я серия - образцы, погруженные на 1,5 минуты в этанол, нагретый до температуры 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 течение 3 часов в дистиллированной воде, а затем погруженные в спирт как в сериях 2, 3, 4 соответственно.

После этого каждый образец помещают в бюкс со 100 мл 0,14М раствора хлорида натрия и термостатировали при температуре 370 ⁰С. Проводят наблюдение за выходом метилметакрилата в водную среду, по изменению оптической плотности растворов в ультрафиолетовой (УФ) области. Для каждой серии образцов проводится по три последовательных экстракции. Всякий раз экстракция длится до установления в системе равновесия. В общей сложности за выходом ММА наблюдают в течение 25 суток. Результаты проведенных исследований заносятся в таблицу (таблица 9).

Как видно из приведенных данных, любой вид обработки протезов приводит к уменьшению выхода ММА. Однако выдерживание образцов в спирте в течение суток, хотя и ведет к снижению ММА более, чем на 30 %, нецелесообразно ввиду длительности обработки (серии 2-я и 5-я). Более эффективной оказывается 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 сглаживанию мелких дефектов и неровностей на поверхности изделий и образованию защитной пленки. Вероятно, уменьшение миграции ММА в сериях 3-й, 4-й может быть объяснено образованием такой пленки. Лучшие результаты, возможно получить при комплексной обработке образцов - кипячение и погружение в горячий 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 содержание остаточного мономера в образце, а обработка горячим этанолом приводит к появлению защитной пленки, препятствующей выходу низкомолекулярных компонентов в водную среду.

Однако вопрос о причинах снижения миграции ММА требует отдельного исследования. Следующим этапом при изучении миграции ММА из образцов, 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 температуре 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 увеличению 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 органических растворителей, в частности этанола, для обработки стоматологических акриловых материалов. Данный способ значительно повышает биологическую индифферентность материалов за счет снижения миграции остаточного мономера, 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 образцов 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 возможного влияния описанной выше обработки на степень прочности при изгибе обработанных (7-я серия) и необработанных (1-я серия) образцов показала, что

образцы обеих серий характеризуются примерно одинаковыми величинами разрушающей силы - 95 + 3 МПа и 96 + 6 МПа, соответственно. Различия средних значений (п = 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 материалов в сплавах на основе железа, титана, никеля и алюминия, различающихся типом кристаллической решетки, энергией дефектов упаковки, все эти особенности 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. Образование СМК структуры происходит в результате динамической рекристаллизации 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 протяженность 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 напряжений 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 изготавливаются 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 машиностроительных предприятиях, а также в рамках создаваемых с зарубежными фирмами совместных предприятий.

На примере никелида титана рассмотрим возможность термической обратимости мартенситного превращения - основного механизма, обеспечивающего 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, содержащих менее 50,5 % N1, не происходит диффузионного распада И2-фазы и фазовый состав этих сплавов не чувствителен к термической обработке. Поэтому единственным способом управления характеристиками возврата формы, в данном случае, является изменение структурного состояния В2-фазы путем термомеханической обработки. Сочетание пластической деформации с термической обработкой позволяет получить необходимую для проявления эффекта памяти формы дислокационную структуру.



6. Композиционные материалы

При высокой плотности дислокаций после холодной пластической деформации сильно расширяется интервал мартенситного превращения и понижаются значения температур начала и конца мартенситного превращения. При деформации более 35 % эффект памяти формы полностью подавляется. Влияние 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.

После того как современная физика металлов позволила установить причины их пластичности, увеличение прочности, началась интенсивная систематическая 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 алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Комбинированные материалы могут быть усилены (упрочнены) либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами, так в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу вводят уп- рочнители - тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы (карбидов, бериллов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционные материалы -- это искусственные материалы, получаемые 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 индивидуальные свойства составляющих компонентов. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности 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, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, 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 см сечения. Они ослабляют металл и не дают возможности существенно повысить прочность стали, которая теоретически может достигать 10 кН/мм . С повышением прочности стали и алюминиевых сплавов значительно вырастают трудности их производства и применения, усиливается чувствительность металла к концентраторам напряжений, коррозийным воздействиям, переменным и динамическим нагрузкам. Важно так же отметить, что другая важнейшая характеристика металла, определяющая работоспособность конструкции в условиях сжатия и изгиба - модуль упругости - имеет невысокие значения и практически мало поддается улучшению. Модуль упругости, отнесенный к удельному весу - удельный модуль - практически одинаков у всех металлических сплавов, за исключением бериллия, но этот металл редкий, дорогой и токсичный 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 проект 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 тонких 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 волокно 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 последующей полимеризацией. Однако эти композиционные материалы не достаточно жаропрочны, поэтому при повышенных температурах используются металлические композиционные материалы, а при очень высоких - керамические. Металлические и керамические композиционные материалы получают в газостатах или под прессами при повышенных температурах и давлении.

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

Основными направлениями применения полимеров и в общем композиционных 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.

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 обусловлен получением древесного кокса - продукта пиролиза (превращения одного 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 пришел каменный. Короче говоря, рассматривая развитие цивилизации, можно, наряду 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 представить как конструкцию, построенную из слоев атомов, образующих структуру, подобную графиту. Отличие от последнего обусловлено различной степенью внутри- и межслоевой разупорядоченности атомов. В результате активный углерод имеет пространство, объем, и размер пор которого определяются величиной первичных кристаллитов, характером их упаковки и взаимной ориентацией. Вот почему активный углерод еще называют «пористый углеродный материал» (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 СО РАН (г. Новосибирск) совместно с Конструкторско- технологическим институтом технического углерода СО РАН (г. Омск) под руководством доктора химических наук Ю.И. Ермакова начали работы по созданию нового класса пористых материалов. Они были названы сибунитами.

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.

Происходящее при этом уплотнение гранул сопровождается значительным ростом их прочности (например, они выдерживают давление в сотни кг/мм² сечения). Причем выбирается такой режим уплотнения, при котором РуС осаждается в виде слоев наподобие слагающих кристаллы графита, ориентированных параллельно поверхности первичных частиц сажи (так называемый ламеллярный РуС). По сравнению с исходной сажей данный пироуглерод обладает более плотной и химически инертной структурой.

а - гранулы сажи;

Ь - сажа с нанесенным пароуглеродом; с, ё, е, Г - стадии активации.

Рисунок 9 - Схема формирования структуры сибунита

Далее проводится термоокислительная активация (газификация) полученных гранул в потоке паров воды при 700 - 850 ⁰С. Вначале в пироуглеродном покрытии развивается система щелевидных пор шириной 1,5 - 2,0 нм. Когда они достигают частиц сажи, начинается выгорание последней.

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

Данная технология позволяет получать новый класс композиционных ПУМ с широко варьирующими текстурными и структурными характеристиками. Скажем, величина удельной поверхности сибунитов (площадь поверхности, деленная на массу гранул) колеблется в диапазоне 0,1 - 900 м /г. Аналогично можно направленно менять объем и распределение пор практически всех размеров. Так, объем макропор - размером 10² - 10⁴ нм регулируется дисперсностью, условиями обработки и формовки исходной сажи; мезопор - величиной 2* 10 нм - дисперсностью сажи, количеством нанесенного и затем удаленного РуС; размер микропор (до 2 нм) - условиями газификации, количеством нанесенного пироуглерода, дополнительным его нанесением после активации, условиями высокотемпературной обработки. Кстати, при традиционной технологии выработки ПУМ из каменного угля, древесины, торфа и других твердых углеродсодержащих материалов преимущественно растительного происхождения текстура конечного продукта существенно зависит от исходной.

...