Techniki niskotemperaturowe w Inżynierii Mechaniczno Medycznej prowadzący Waldemar Targański Patrycja Misiołek Inżynieria mechaniczno medyczna stopień II, semestr 2 grupa 2 Rok akademicki 2012/2013
Spis treści: 1. Podstawowe pojęcia kriogeniki. 2. Medyczne zastosowania kriogeniki 3. Własności ciał zmiany pod wpływem temperatur kriogenicznych. rozszerzalność cieplna zmiana wymiarów przewodność cieplna spadek wraz z obniżaniem temp. ciepło właściwe maleje wraz ze spadkiem temperatury ciepło parowania im niższa temp gazu tym niższe entropia zmniejsza się nadciekłość kruchość/ ciągliwość zeszklenie nadprzewodnictwo 4. Podsumowanie 5. Bibliografia
1. Podstawowe pojęcia kriogeniki. Kriogenika jest to dziedzina nauki zajmująca się badaniem i wykorzystaniem właściwości ciał w niskich temperaturach, a także uzyskiwaniem i mierzeniem tych temperatur. Temperatury takie nazywamy temperaturami kriogenicznymi i zaliczamy do nich temperatury niższe niż -150 stopni Celsjusza, czyli 120 Kalwinów. Kriogenika ma poważny udział w takich dziedzinach jak: badania przestrzeni kosmicznej, biologia i chirurgia, w przemyśle spożywczym, metalurgicznym, chemicznym i urządzeniach nadprzewodzących. Zastosowanie kriogeniki jest bardzo szerokie i wykorzystuje się ją w wielu naukach technicznych, biologicznych i elektrycznych. Zainteresowanie niskimi temperaturami było pierwotnie związane z próbami skraplania i ewentualnie zestalenia wszystkich znanych gazów. Próby te dzięki długotrwałym wysiłkom licznych eksperymentów zostały uwieńczone sukcesem. Przy okazji stwierdzono wiele niezwykłych właściwości, którymi odznaczają się ciała w bardzo niskich temperaturach. Jedną z nich stanowiło silne zmniejszenie się ciepła właściwego w obszarze niskich temperatur. Ekstrapolacja tego rezultatu do temperatury zera bezwzględnego oraz wykorzystanie statystycznej interpretacji entropii w ramach mechaniki kwantowej doprowadziły do sformułowania trzecie zasady termodynamiki Nernsta-Plancka. Inne bardzo ważne odkrycie w dziedzinie badań niskotemperaturowych to odkrycie nadciekłości helu i nadprzewodnictwa niektórych metali w bardzo niskich temperaturach. Częściowe wytłumaczenie obu tych zjawisk uzyskano przez uwzględnienie kwantowego zachowania się helu i gazu elektronowego w obszarze bardzo niskich temperatur. Wiele faktów pozostaje nadal zagadką i wymaga dalszych badań eksperymentalnych i teoretycznych. W tym paragrafie omówimy najpierw metody uzyskiwania niskich temperatur związane ze skraplaniem gazów oraz metodę oziębienia w drodze adiabatycznego rozmagnesowania soli paramagnetycznych. Dalszą część paragrafu poświęcimy trzeciej zasadzie termodynamiki.
2. Zastosowanie kriogeniki w medycynie Leczenie zimnem jest najstarszą formą leczenia. Już od ponad 4500 lat jest wykorzystywana w świecie. Egipcjanie jako pierwsi użyli zimna w leczeniu, stwierdzając, że zimno działa uśmierzająco na miejsca urazu i ma działanie przeciwzapalne. Dzięki współczesnym technologiom można uzyskać dużo niższych temperatur niż ta, jaką zapewniał okład ze śniegu lub lodu. Rozwój kriogeniki umożliwił skroplenie gazów uznawanych wcześniej za gazy trudno- bądź nieskraplające się. Należą do nich między innymi: azot, tlen, hel, ksenon, argon, metan czy wodór. Aktualnie technika pozwala nie tylko na produkcję czynników (cieczy) kriogenicznych, ale także na ich przechowywanie i transport w fazie cieczowej. Czynniki kriogeniczne pełnią różnorodne role w medycynie. Ich własności wykorzystuje się w diagnostyce (rezonans magnetyczny), leczeniu (kriochirurgia), rehabilitacji (krioterapia) a także umożliwiają przechowywanie oraz transport materiałów biologicznych. Rys. 1. Sztucznie barwione zdjęcie przekroju zdrowego mózgu ludzkiego. [1]
Pierwszą dziedziną medycyny gdzie wykorzystywana jest kriogenika jest diagnostyka, czyli nauka o rozpoznawaniu chorób. Prawidłowe rozpoznanie, analiza objawów i wyników badań, stanowi pierwszy i podstawowy etap leczenia. Współcześnie jednym z najnowszych metod wspomagających badania nad narządami jest metoda wykorzystująca rezonans magnetyczny. Zjawisko rezonansu magnetycznego polega na wykrywaniu protonów (jąder wodoru) w badanym narządzie. Silne pole elektromagnetyczne, wytwarzane przez magnes nadprzewodzący pobudza protony do wysyłania promieniowania elektromagnetycznego. Opisane badanie wykonuje się tomografem NMR. Magnes nadprzewodzący chłodzony jest ciekłym helem, uzyskanym dzięki metodom kriogenicznym. Rys. 2. Pojemniki z suchym lodem do przechowywania materiałów biologicznych. [1] Ciekły azot oraz suchy lód są idealnymi środkami chłodzącymi podczas transportu i czasowego przechowywania preparatów biologicznych takich, jak: krew, tkanka lub narząd. Ciecze kriogeniczne zapewniają nieprzerwane utrzymanie temperatury przez określony czas. Dzięki izolacji pojemników do transportu materiałów biologicznych, suchy lód można w nich przechowywać przez wiele dni bez strat i zmian jego własności. Dzięki temu możliwe jest pobranie organu od dawcy, który przebywa w miejscu położonym w dużej odległości od szpitala, gdzie ma zostać wykonany przeszczep. Kolejną dziedziną gdzie wykorzystuje się temperatury kriogeniczne jest kriochirurgia, czyli miejscowe, kontrolowane niszczenie zainfekowanych komórek poprzez działanie na nie niskimi temperaturami. Zabiegi kriochirurgiczne mogą być
wykonywane za pomocą wacików, natryskowo lub za pomocą metody kontaktowej, stosując aplikator. Najczęściej w wyżej wymienianych zabiegach stosowany jest ciekły azot, który oprócz niskiej temperatury odparowania jest najbardziej dostępnym i najtańszym czynnikiem kriogenicznym. Ostatnim z najbardziej powszechnych zastosowań jest krioterapia. Polega ona na wykorzystywaniu zimna do leczenia powierzchni ciała, bez destrukcji tkanek. Działanie zimnem na tkanki łagodzi ból, zmniejsza obrzęk, tamuje krwawienie. Krioterapię stosuje się dla wywołania i wykorzystania fizjologicznych i ustrojowych reakcji na zimno w celu wspomagania leczenia podstawowego i ułatwienia leczenia ruchem. Gwałtowne oziębienie jest wystarczająco silnym bodźcem, który uruchamia miejscowe i ośrodkowe odczyny i ośrodki termoregulacyjne dla konserwacji, redystrybucji ciepła i gdy to konieczne jego produkcji. Wyróżniamy dwie grupy zabiegów krioterapii: zabiegi miejscowe, obejmujące niewielką powierzchnię ciała, oraz zabiegi ogólnoustrojowe obejmujące całe ciało. 3. Właściwości ciał Charakterystyczne własności ciał, które ulegają najczęściej zmianie podczas obniżania temperatury to: a) rozszerzalność cieplna; b) przewodność cieplna; c) ciepło właściwe; d) ciepło parowania; e) entropia; f) nadciekłość; g) kruchość; h) ciągliwość; i) zeszklenie; j) nadprzewodnictwo.
Wraz z obniżaniem temperatur zmieniają się wymiary materiałów, zarówno objętościowe jak i powierzchniowe. Wykorzystuje się to między innymi w wykonywaniu połączeń skurczowych po oziębieniu jednej z łączonych części, transporcie gazów technicznych w postaci ciekłej oraz jako czynnik nośny do balonów i sterowców. W niskich teperaturach często zmienia się także stahn skupienia materii. Dlatego też do pomiaru bardzo niskich temperatur nie można stosować rtęci, gdyż krzepnie w temperaturze -38 C. Przewodnictwo cieplne ciał dąży do zera, gdy temperatura dąży do zera absolutnego. Wykorzystuje się to do izolacji strat ciepła, gdzie wykorzystuje się takie materiały, które wykazują bardzo duży spadek przewodności cieplnej w miarę obniżania temperatury. Korzystne działanie temperatur kriogenicznych na wymianę ciepła stanowi również zależność energii promieniowania od czwartej potęgi temperatury. W takich warunkach wartość temperatury jest bardzo mała, zatem i wpływ promieniowania maleje. Ciepło właściwe wszystkich cieczy i ciał stałych zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. Natomiast ciepło parowania cieczy mających niski punkt wrzenia jest bardzo małe. Prowadzi to do konieczności przechowywania ich wyłącznie w naczyniach doskonale izolowanych (najlepszym izolatorem jest próżnia). W przypadku ciekłego helu bardzo małe ciepło parowania daje niewielki efekt chłodzenia. Obniżeniu temperatury ciał powoduje zmniejszenie ich entropii, czyli miary stopnia nieuporządkowania układu. Zanikają szumy wewnętrzne. Zjawisko to wykorzystuje się w radiokomunikacji, detektorach podczerwieni i laserach [5]. Nadciekłość (całkowity zanik lepkości) - ciecz dąży do wyrównania poziomów nawet wbrew prawu ciążenia, powstaje w warunkach bardzo niskich temperatur. Najlepszym przykładem jest hel, który osiąga stan nadciekły poniżej 2,17K. Służy on do kriostatowania (chłodzenia) magnesów wysokopolowych oraz wnęk rezonansowych o wysokiej częstotliwości np. w akceleratorach cząstek [4]. W niskich temperaturach niektóre materiały konstrukcyjne stają się bardzo kruche, np. stal węglowa. Nie należy ich stosować do instalacji kriogenicznych ze względu na to, że nie wykazują one trwałego odkształcenia poprzedzającego pęknięcie. Metale, które zachowują ciągliwość mimo obniżania temperatury maja sieć krystaliczną płasko centrowaną, ułatwiającą dyslokacje. Przykładami są:
aluminium i jego stopy, miedź, stale austenityczne i stal nierdzewna. Przy spadku temperatury wzrastają naprężenia, ponieważ dochodzi do deformacji poprzez dyslokację. Materiał wtedy traci plastycznośc i staję się bardziej kruchy. Przyjmuje się, że materiały, które w teście wykazały odporność większą niż 20Nm mogą być stosowane w konstrukcjach kriogenicznych [4]. Często Stosuje się tzw. obróbkę podzerową (umieszczenie przedmiotu w komorze zasilanej ciekłym azotem) w celu uzyskania wysokiej twardości materiału, redukcji naprężeń wewnętrznych, wytrącenie węglików lub poprawa struktury krystalicznej. Przy obniżaniu temperatury należy zwrócić uwagę na możliwość wystąpienia skurczy termicznych. Kolejnym zjawiskiem jakie zachodzi w temperaturach kriogenicznych jest zeszklenie (witryfikacja) polimerów i elastomerów, które powoduje wzrost kruchości. Znalazło to zastosowanie w recyklingu opon zbrojonych i przewodów izolacyjnych. Nie zawsze efekt zeszklenia jest czymś pozytywnym, jak np. podczas zamrażania tkanek. Stosuje się wówczas krioprotektanty (np. glicerol). Obniżają one temperaturę zeszklenia zamrażanego obiektu, poniżej temperatury topnienia, lub w ogóle mu zapobiegają. Metale czyste w niskich temperaturach wykazują bardzo małe oporności elektryczną, a nawet niektóre z nich poniżej określonej temperatury (temperatura krytyczna) posiadają oporność zerową. Zjawisko takie nazywamy nadprzewodnictwem. Nadprzewodniki możemy spotkać w akceleratorach cząstek lub w rezonansie magnetycznym. Nadprzewodniki można traktować jako doskonałe diamagnetyki, gdyż wypierają linie pola magnetycznego. Jest to tzw. efekt Meissnera (lewitacja magnetyczna). Przykładem zastosowania jest kolej magnetyczna w Japonii. 4. Podsumowanie Kriogenika jako dziedzina techniki odnalazła szerokie pole zastosowań w wielu aspektach życia codziennego i naukowego. Dzięki niej możemy kupić w sklepie zapakowane w szczelne opakowanie i chłodzone w odpowiednich temperaturach mrożonki na nasz obiad. Możemy wykonać badanie rezonansem magnetycznym, leczyć się w kriokomorze oraz usunąć kurzajkę za pomocą ciekłego azotu. Kriogenika znajduje zastosowanie także w energetyce, przemyśle rakietowym oraz
umożliwia przechowywanie materiałów genetycznych, narządów, krwi i tkanek na przeszczepy. Jej szeroki zakres zastosowań uwarunkowany jest możliwością zmiany własności ciał pod wpływem niskich temperatur. 5. Bibliografia http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/file/kriogenika%20w %20medycynie.pdf M. Chorowski, J. Poliński: Kriogenika w medycynie; dostępne na: http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/dyd.htm M. Chorowski: Kriogenika Podstawy i zastosowania; Wydawnictwo I.P.P.U. MASTA; Gdańsk 2007 http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/file/chik-2011-2012-wyklad- 1.pdf