Ocena własności fizykochemicznych, elektrochemicznych i mechanicznych implantów oraz narzędzi chirurgicznych w warunkach użytkowych

Transkrypt

1 Ocena własności fizykochemicznych, elektrochemicznych i mechanicznych implantów oraz narzędzi chirurgicznych w warunkach użytkowych Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska

2 Myśl przewodnia Tylko pokorna współpraca inżynierów i lekarzy, a także pracowników sterylizatorni może być źródłem sukcesu w postaci nowych technologii poprawiających jakość oraz bezpieczeństwo leczenia w medycynie Prof. Marian Zembala

3 Wprowadzenie Narzędzia chirurgiczne Sprzęt medyczny Protezy Implanty

4 Wprowadzenie c.d. Struktura Charakterystyka materiału Własności Trwałość Warunki wytwarzania ok. 50 Wymagania: konstrukcyjne, technologiczne i eksploatacyjne oraz ekonomiczne i ekologiczne

5 Wprowadzenie c.d. Odpowiedni zespół własności: mechanicznych, fizycznych, chemicznych i postaciowych

6 Materiał Właściwy dobór materiałów na implanty i instrumentarium chirurgiczne powinien zapewnić: odpowiedni zespół własności mechanicznych odpowiedni zespół własności fizykochemicznych odpowiedni zespół własności elektrochemicznych ISTOTA!!! bezpośredni kontakt ze środowiskiem tkankowym, płynów fizjologicznych oraz stosowanych leków, kontakt ze środkami używanymi do dezynfekcji i sterylizacji, Wymagania: implanty narzędzia tabletki np. konserwy mięsne SAL = 10E-6 produkt czysty sterylnie SAL = 10E-3 produkt czysty aseptycznie SAL = 10E-3 produkt czysty aseptycznie SAL = 10E-11 produkt czysty molekularnie

7 Materiał c.d. Materiały stosowane do wytwarzania instrumentarium chirurgicznego Materiały metalowe, m.in.: - Stale odporne na korozję - Stopy Ni-Ti - Miedź i jej stopy Materiały polimerowe, m.in.: - PCV - PTFE - PET - PP Materiały stosowane do wytwarzania implantów Materiały metalowe, m.in.: - Stal Cr-Ni-Mo - Stopy Ni-Ti - Ti i stopy Ti (np. Ti-6Al-7Nb) - Co i stopy Co (np. Co-Cr-W-Ni) Materiały ceramiczne, m.in.: - Bioszkła (np. 45S5 - Al 2 O 3, ZrO 2 - HAp - Tworzywa szkłoceramiczne Materiały polimerowe, m.in.: - Biostabilne (np. PE) - Bioresorbowalne (np. PLA) - Biodegradowalne (np. re-żele)

8 Materiał c.d. PN-EN : 1998 Stale odporne na korozję. Gatunki. Klasyfikacja stali odpornych na korozję: kryterium składu chemicznego: chromowe (Cr), chromowo-niklowe (Cr-Ni), chromowo-niklowo-manganowe (Cr-Ni-Mn), Cr > 13 % kryterium struktury w stanie użytkowania: martenzytyczne najczęściej stosowane, austenityczne, ferrytyczne.

9 Warstwa powierzchniowa Stanowi ona układ heterofazowy o innych niż rdzeń właściwościach Uogólnione równanie I i II zasady termodynamiki dg = dh TdS = -SdT + Vdp + sds + Sm1dn1 + jdq Zmiana energii Gibbsa Zmiana entalpii Zmiana energii swobodnej cieplnej mechanicznej powierzchniowej chemicznej elektrycznej Zmiana energii

10 Warstwa powierzchniowa Potencjalne własności: Dot. pow. rzeczywistej warstwy powierzchniowej Dot. materiału warstwy powierzchniowej Stereometryczne Stereometryczno - fizykochemiczne Fizykochemiczne Energetyczne Mechaniczne Cieplne Elektryczne Strukturalne Energia powierzchniowa Napięcie powierzchniowe Twardość Kruchość Naprężenia własne Przewodność Rozszerzalność Rezystywność Konduktywność Budowa Strukturalne Promienne Chemiczne Fizyczne Magnetyczne Chropowatość Falistość Nośność Emisyjność Odbijalność Pochłanialność Skład chemiczny Absorpcja chemiczna Adsorpcja chemiczna Rozpuszczalność Dyfuzja Kataliza Adsorpcja fizyczna Adhezja Koercja Przenikalność

11 Warstwa powierzchniowa c.d. Metody modyfikacji powierzchni polerowanie elektrochemiczne biomateriałów metalowych pasywacja chemiczna biomateriałów metalowych anodyzacja powierzchni stopów tytanu powłoki tlenkowe otrzymywane metodą zol-żel elektroliza przy stałym potencjale biomimetyczne wytwarzanie powłok elektroforetyczne nakładanie powłok metoda CVD metoda PVD powłoki otrzymywane metodą plazmy niskotemperaturowej metoda z wykorzystaniem promieniowania UV metoda płomieniowa utleniania powierzchni modyfikacja powierzchni poprzez immobilizację biomolekuł

12 Warstwa powierzchniowa c.d. Cel modyfikacji: nadanie odpowiedniej gładkości lub celowej chropowatości, ochrona lub celowe przyspieszenie degradacji, poprawienie lub celowe uniemożliwienie adsorpcji białek, poprawienie lub celowe uniemożliwienie adhezji i wzrostu komórek, nadanie własności antybakteryjnych lub bakteriostatycznych,

13 Warstwa powierzchniowa c.d. Statystyka!!! 15-25% - 15 Lat Całkowite zniszczenie 20% - 5 Lat Obluzowanie 30% - 10 Lat Obluzowanie szansa Bionanomateriały porowate: Ti, Si, Al2O3, ZrO2 Bionanokompozyty porowate typu: Ti-HA, Ti-SiO2, Ti-45S5 BioGlass, Ti-Al2O3 oraz FeCrMo

14 Badania symulacyjne Dokumentacja techniczna Analizy wytrzymałościowe - MES

15 Badania Własności mechaniczne materiału, jak i gotowego wyrobu Statyczna próba rozciągania (mat. metalowe, polimerowe) Statyczna próba ściskania (mat. ceramiczne) Statyczna próba zginania (mat. polimerowe) Pomiar twardości (mikro lub nano) Pomiar adhezji warstw do podłoża Badania odporności na ścieranie

16 Badania c.d. Własności mechaniczne materiału, jak i gotowego wyrobu

17 Badania c.d. Własności mechaniczne materiału, jak i gotowego wyrobu

18 Badania Odporność na korozję Badania odporności korozyjnej metoda kropelkowa roztwór do badań: 1616 cm 3 wody destylowanej, 57 g H 2 SO 4, 142 g CuSO 4, naniesieniu roztworu w trzech dowolnie wybranych miejscach - t = 10 min., usunięcie kropli roztworu z powierzchni narzędzi, wyniki pozytywny brak śladów korozji lub czerwonego osadu miedzi.

19 Badania c.d. Odporność na korozję Korozja równomierna Korozja cierna Korozja szczelinowa Korozja wżerowa Korozja naprężeniowa Korozja zmęczeniowa

20 Badania c.d. Odporność na korozję badania laboratoryjne

21 Badania c.d. Badania impedancyjne Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna

22 Badania fizykochemiczne dot. powierzchni Topografia i chropowatość powierzchni Grubość warstwy powierzchniowej Zużycie cierne Zwilżalności powierzchni

23 Badania uzupełniające Estetyka konstrukcji, jak i samego wykonania ocena makroskopowa jakości powierzchni pomiar chropowatości powierzchni

24 Badania uzupełniające c.d. Badanie odporności na czyszczenie Metodyka badania: płukanie narzędzi w bieżącej wodzie, zanurzenie narzędzi w na okres min. w roztworze myjącym (T = 50±5 o C), powtórne płukanie przez 3 min. w bieżącej i ostatecznie destylowanej wodzie. Badanie odporności na dezynfekcję Dezynfekcję przeprowadza się jednym z następujących sposobów: suchym gorącym powietrzem o temperaturze 130 C, trzyskładnikowym roztworem o składzie: 2% formaliny, 0,3 % fenolu, 1,5 % wodorowęglanu sodowego. Proces ten powinien trwać minut w temperaturze T 18 C. Sprawdzenie wymiarów Sprawdzenie jakości materiału Badanie odporności na sterylizację Metodyka badania: przed procesem sterylizacji imadła należy wysuszyć gorącym powietrzem o temp. 85 C, proces sterylizacji przeprowadza się w sterylizatorze na suche, gorące powietrze w temperaturze nie wyższej niż 200 C przez godzinę.

25 Wniosek Odpowiedni zespół własności: mechanicznych, fizycznych, chemicznych i postaciowych własności użytkowe

26 Zapraszamy do współpracy Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych Wydział Inżynierii Biomedycznej Politechnika Śląska Ul. Ch. de Gaulle a Zabrze tel witold.walke@polsl.pl