Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие

Голосов: 6

Книга предназначена для студентов по специальности 190600 - Инженерное дело в медико-биологической практике. Она может быть полезна для аспирантов, инженеров медицинской техники, врачей, руководителей медико-профилактических учреждений.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    12. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1819735 А1
   Бюл.№21 от 07.06.93 г. (А.Н.Архипов, В.А.Новиков, А.Н.Савватеев,
   В.Г.Шонин)


13. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1450873 А1
   Бюл.№2 от 15.01.89 г. (Н.И.Нидзельский, А.М.Ершов)
14. Описание изобретения к потенту свидетельству РФ 2019391 С1 Бюл.№17
   от 15.09.94 г. (В.Е.Книжник)
15. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1822813 А1
   Бюл.№23 от 23.06.93г. (А.К.Больбот, В.В.Туркот, В.Н.Смола и
   Т.К.Стародубцева)
16. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1516328 А1
   Бюл.№39 от 23.10.89 г. (Е.Н.Петухов, Р.А.Тихомиров, Ю.В.Ковалев и
   И.Д.Стариков)
17. Заявка №3 - 66112 Япония
18. Заявка №3 - 111172 Япония
19. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1100003 А
   Бюл.№24 от 30.06.84 г. (Е.Н.Шапкин)
20. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1158245 А
   Бюл.№20 от 30.05.85 г. (Е.Н.Шапкин)
21. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1243831 А1
   Бюл.№26 от 15.07.86 г. (Е.Н.Шапкин)
22. Заявка №38 09 292 ФРГ
23. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1599162 А1
   Бюл.№38 от 15.10.90 г. (Л.П.Морозов, С.М.Козлов и О.Л.Морозова)
24. Зайченко И.З. Применение высоконапорной струи жидкости для резания
   материалов. Ж. Станки и инструмент №4, 1988г., с. 25-27.
25. Барабанов М.В., Иванов Г.М., Свешников В.К., Шапиро И.И. Профильная
   резка материалов высоконапорной струей воды. Ж. Вестник машиностро-
   ения №4, 1992г., с45-47.
26. Ю.М.Руднев Автоматическое резание высоконапорной абразивно-водяной
   струей деталей из толстолистового материала. Ж. Автоматизация и совре-
   менные технологии №4, 1994г., с.11-13.
27. Патент Германии 298618
28. Патапов В.А. Струйная обработка: состояние и перспективы развития в
   Европе и мире. Ж. Машиностроитель №1, 1996 г., с.36-41.
29. Популярная медицинская энциклопедия 2-ое издание. Ташкент. Главная
   редакция Узбекской Советской энциклопедии. 1989 г.
30. Патент Японии 5058339 В4
31. Патент Японии 5-53498
32. Заявка на патент (Япония) 3-65177
33. Патент Франции 2706276 А1
34. Федоров С.Н., Терегулов Н.Г., Канюков В.Н., Харлов А.И., Винярский
   В.Ф. Гидрорезание и его развитие в медицине. Уфа-Оренбург, 1998 г., 98
   с.


     7 Металлические сплавы с памятью

Железный инструмент начали применять еще в первом тысячелетии до на-
шей эры и с тех пор он использовался как для созидания, так и для разруше-
ния. На заре железного века (в начале нашей эры) римский сочинитель Пли-
ний Старший в своей “Естественной истории” писал: “Железные рудокопы
доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Сим оруди-
ем выстраиваем дома, разбиваем камни и употребляем железо на все прочие
надобности. Но тем же железом производим брани битвы и грабежи и упот-
ребляем оное не только вблизи, но мечем то из машинных рук, то в виде опе-
ренных стрел”.
      И сейчас, как в годы седой старины, только в несоизмеримо возросших
размерах, мы употребляем различные стали и сплавы на основе железа как в
мирных, так и военных целях. Однако 2,5 тысячелетнее развитие металлур-
гии характеризуется не только количественным, но качественным совершен-
ствованием металлических материалов.
Мы знаем, что век чистого железа давным-давно прошел. В наше время нам
ежедневно приходится сталкиваться с гораздо более широким толкованием
железного века, именуемым веком металлов.
      Появляются стали и сплавы, обладающие новыми механическими
свойствами, а то и качествами пока нам неизвестными: открываются новые
свойства известных металлов, создаются сплавы с необычными свойствами.
Эта лекция будет посвящена сжатому сообщению о сплавах, способных вос-
станавливать первоначальную форму после пластических деформаций.

     7.1 Сплавы с эффектом памяти формы.

      Советские металлурги Г.В. Курдюмов и Л.Г. Хандорсон в 1948 г. пред-
ложили тип сплавов, которые наделены способностью даже после значитель-
ных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при
нагреве до определенной температуры. В 1980 г. это изобретение было при-
знано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восста-
новления заданной конфигурации или эффект памяти формы).
      Описываемый эффект практически воспроизводится следующим обра-
зом.
      Предварительно заготовке из такого сплава, например проволоке, при-
дают требуемую форму. Затем ее нагревают и охлаждают. После чего ее вы-
прямляют. При последующем нагреве проволока обязательно примет свою
первоначальную конфигурацию


      Природу этого явления доктор физико-математических наук В. Лиха-
чев популярно объясняет следующим образом: “Если детали, сделанные из
обычных металлов (да и вообще из любых материалов, имеющих кристалли-
ческое строение), вынуждает изменять форму только внешняя сила (после
того как пройдет рубеж “упругость-пластичность” и начинаются перескоки
атомов в соседние узлы кристаллической решетки), то в сплавах, обладаю-
щих памятью формы, может кардинально перестраиваться сама кристалличе-
ская решетка.
      В этих металлах при определенной температуре происходит фазовый
переход – так называют особую реакцию в твердой фазе без переноса веще-
ства. Например, в кобальте при таком переходе кубическая решетка превра-
щается в гексагональную, в сплавах медь – марганец из кубической в тетра-
гональную. Сложные реакции (их называют мартенситными) происходят в
сплавах титан-никель, индий-таллий, они присущи аустенитным и железо-
марганцевым сталям, многим другим веществам. Мартенситные реакции об-
ратимы. При нагреве образца они идут в одну сторону, при охлаждении в об-
ратную. Более того, некоторые из них, если можно так сказать, “сверхобра-
тимы”. Ведь ниоткуда не следует, что при обратном фазовом переходе все
атомы должны возвращаться строго по тем траекториям, по которым они уже
шли в прямом процессе. Действительно, даже смешно подумать о том, что
при конденсации пара молекулы воды должны собраться в те же самые ка-
пельки, в тех же местах, откуда они когда-то испарились. Между тем, у кри-
сталлов с памятью формы именно так все и происходит. Каждый атом без-
ошибочно находит “знакомое место”, как по весне журавль свое гнездовье.
      Механизм этого явления не ясен. Происходящее при мартенситных
превращениях физические процессы столь сложны, что специалисты говорят
о генетических свойствах кристаллов. Несмотря на неполную ясность физи-
ческих процессов механизма этого явления, оно входит в нашу практическую
жизнь.
      В 1958 г. впервые был получен сплав с эффектом памяти формы – ни-
тинол.
 Нитинол – это сплав никеля и титана. Он достаточно сложен в производстве.
Для достижения требуемой переходной температуры соотношение никеля и
титана в сплаве должно выдерживаться с высокой точностью (до тысячных
долей). У этого сплава фазовые переходы идут выше комнатной температу-
ры, но ниже точки кипения воды. Если же никелид титана легировать желе-
зом, то диапазон температур простирается в интервале от комнатной до тем-
пературы кипения жидкого азота. Необходимая чистота производства обес-
печивается за счет применения вакуумных печей и сложного вспомогатель-
ного оборудования. Поэтому, широкое применение нитинола лимитируется
его высокой стоимостью, а иногда и инертностью нашего мышления. Но по-
иски путей снижения стоимости производства нитинола продолжаются. И
некоторые фирмы, например “Спешл металс корпорейшн” (США), намерены
приступить к


     промышленному производству нитинола с приемлемой коммерческой
стоимостью.
     Появляются относительно более технологичные и дешевые запоми-
нающие сплавы. К таковым можно отнести и тройные композиции медь–
алюминий–никель или медь–алюминий–цинк. У этих сплавов амплитуда де-
формации составляет 5-10% их линейного размера, а в некоторых случаях
достигает и 30%. Сплавы железо–марганец, титан-никель-палладий, фазовые
переходы в которых идут при температуре порядка 800-900 К, обладают ши-
роким диапазоном рабочих температур.
     Имеются также относительно дешевые в производстве запоминающие
сплавы на основе меди, облачающие высокой электропроводимостью.

     7.2 Решение инженерных задач с использованием сплавов с
эффектом памяти формы и практика их использования

Для решения инженерных задач сплавы с эффектом памяти формы могут
быть использованы в механизмах, в конструкциях которых заложены пере-
мещения, вызываемые теплом. Так, например, нитинол используется в уст-
ройствах противопожарной защиты, а в некоторых фирмах он применяется
для герметизации стыков летательных аппаратов, подводных лодок и предо-
твращения утечки радиации на атомных электростанциях. Возможно соеди-
нение различных труб из однородных или разнородных материалов при по-
мощи муфт, изготовленных из сплавов с эффектом памяти формы. Так, сое-
динение стальных труб с соответствующими размерами стенок муфтой с то-
лщиной тела лишь 2 мм может выдерживать высокое давление (в пределах
сотни атмосфер). Запоминающие сплавы с высокой электропроводностью на
основе меди применяют в автоматах защиты электросетей, которые при ее
перегрузке (повышении температуры) отключают сеть и снова восстанавли-
вают соединение при падении температуры токопроводящих жил до нормы.
Они также используются в целом ряде устройств - от роботов до систем тер-
морегулирования в теплицах. Обсудим еще одну область возможного приме-
нения рассматриваемых сплавов. Рассмотрим случай, когда пластине из тако-
го сплава предварительно задана выпуклая форма. Затем она нагрета так, что
становится напряженной и негибкой. Последующее охлаждение до темпера-
туры, лежащей ниже определенной критической точки, приводит к резкому
изменению ее кристаллической структуры, позволяющей легко деформиро-
вать эту пластину. Так, если выпрямленную пластину из сплава с эффектом
памяти формы поместим между подвижной и защемленной частями механи-
зма и нагреем ее , то она быстро вернет себе первоначальную форму (выпук-
лую), выделив при этом определенное количество энергии. Подвижная часть
механизма (относительно защемленный) переместится на расстояние, равное


      величине выпуклости пластины.
      По мнению специалистов, такие пластины площадью 6 см2 способны
развивать усилие до 27 тонн. Механизм с рабочим элементом из сплава ни-
тинол может создать усилие до 100 тыс. т/м2.
      Рассмотренным механизмом с рабочим элементом из сплава с эффек-
том памяти формы может быть пресс с ограниченным ходом рабочего узла,
но с очень высокими характеристиками удельного давления. Есть тепловые
двигатели, энергетическим элементом которых служат изогнутые ленты из
запоминающего форму сплава. Первый такой двигатель построил американ-
ский инженер – изобретатель Вэнке.
      Тепловые двигатели с рабочим элементом, обладающим эффектом па-
мяти формы, получили название мартенситных в силу того, что все они ос-
нованы на мартенситных превращениях в кристаллических решетках тех или
иных сплавов, склонных в определенных условиях проявлять эффект памяти.
Суть их функционирования заключается в том, что соответствующим обра-
зом подготовленный рабочий элемент сначала деформируют сравнительно
небольшим усилием, а затем нагревают, зарождая мартенситный фазовый
переход, и в процессе восстановления его формы получают полезную работу.
Конструкции тепловых двигателей с рабочими элементами, обладающими
эффектом памяти формы, разнообразны и существуют множество различных
модификаций. Рассмотрим несколько из них.
      На рисунке 7.1 (а) показана схема роторного мартенситного двигателя.
Из рисунка видно, что он состоит из внутреннего и наружного колец со сме-
шенными осями О1 и О2, соединенными между собой стержнями, выполнен-
ными из металла с памятью формы. Левые стержни, расположенные в холод-
ной зоне с температурой Т0 сдеформированы, а правые, находящиеся в теп-
лой зоне с температурой Т, соответствующей уровню фазового перехода
сплава стержней, “выпрямлены” (приняли заданную форму). Из-за разных
механических свойств левых и правых стержней возникает постоянный кру-
тящий момент. Когда кольца вращаются, рабочие элементы попеременно то
сжимаются, то растягиваются.
На рисунке7.1 (б) схематично показана конструкция мартенситного двигате-
ля, представляющего собой два цилиндрических шкива, смонтированных на
параллельных осях и связанных между собой лентой из материала с памятью
формы. Если ленту, как видно из рисунка, с одной стороны нагреть, а проти-
воположную ее ветвь охладить, то система начнет двигаться, приводя во
вращение шкивы и оси на которых они жестко смонтированы. К осям можно
подсоединять различные механизмы.
На рисунке7.1 (в) показана схема мартенситного двигателя, создающего воз-
вратно-поступательное движение детали S-S. В нем два рабочих элемента Ι и
ΙΙ из материала с памятью формы соединены с деталью S-S и
соответствующими неподвижными частями механизма.


     Если же рабочие элементы попеременно нагревать или охлаждать
(смотри рисунок), то деталь “S-S” механизма начнет свое возвратно-
поступательное движение по ранее описанным причинам.




     Рис 7.1 - Схемы тепловых двигателей с рабочим телом, обладаю-
     щим памятью формы:
     а) роторный двигатель;
     б) ленточный двигатель;
     в) двигатель с возвратно – поступательным движением.

   Мартенситные тепловые двигатели имеют множество достоинств среди
которых:
- способность получать энергию при самом незначительном перепаде тем-
   ператур (до 1°C). Поэтому они могут работать при помещении их, напри-
   мер, в морскую воду за счет разницы температур между ее поверхностны-
   ми и нижележащими слоями.
- Отсутствие конструктивных ограничений на малые скорости ротора. Ро-
   тор этих двигателей может вращаться сколь угодно медленно, не теряя
   значения крутящего момента (усилия на валу). Даже при чрезмерной на-
   грузке, приводящей к остановке ротора двигателя, усилие на валу сохра-
   няется. При соответствующей его разгрузке двигатель вновь начинает
   вращаться. Перегрузки для них безопасны и они могут применяться без
   промежуточных механизмов (редукторов и т.п.).
- Легкость управления, характер которого зависит только от температур ра-
   бочих элементов. Имея соответствующую управляющую компьютерную
   программу можно подобрать режим работы для множества двигателей.
Недостатком рассматриваемых двигателей является то, что охлаждение их
требует дополнительных энергозатрат. В результате большая часть топлива
тратится впустую. По этой причине они пока обладают низким КПД (не бо-
лее 4 %).


     7.3 Использование сплавов с эффектом памяти формы в медицине.

       По некоторым данным в настоящее время в развитых странах мира при
различных операциях используют более 2.5 млн. металлических конструк-
ций, вживляемых в организм. Однако, крепление их в живом организме про-
изводится при помощи различного рода винтов, гаек, спиц, пластин и т.д.,
что несомненно связано с введением в тело относительно объемных допол-
нительных инородных элементов. Эти элементы угнетают, а порой и наносят
травмы окружающим тканям, оказывая отрицательное влияние на них. Они
не всегда дают ожидаемый эффект. Известно, что одним из важных условий
для применения любого металлического имплантанта является его приспо-
собляемость к окружающим тканям и жидкостям организма.
       Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию ща-
дящих имплантантов. Они обладают способностью создавать постоянное по
величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени.
       При исследовании физико-механических свойств костных и мягких
тканей в условиях деформации растяжением установлено, что эффект памяти
свойственен и живым тканям организма.
       Специалистами сибирского физико-технического института им. В.Д.
Кузнецова при Томском государственном университете совместно с хирур-
гами Томска, Новосибирска, Тюмени, Москвы и других городов разработаны
сплавы с памятью формы. Они позволяют создавать имплантанты с принци-
пиально новыми функциональными свойствами, которые не разрушаются
при многократном механическом воздействии, проявляют эластичные свой-
ства и оказывают силовое сопротивление в течение длительного времени.
       Эти материалы применяются в различных областях практической ме-
дицины как-то: травматологии, общей хирургии, стоматологии, урологии,
сосудистой хирургии и т.д.
       На рисунке7.2. изображены кривая изменения формы омегообразной
скобы, в зависимости от температуры, применяемой в хирургической стома-
тологии, изготовленной из проволоки сплава титана и никеля ∅ 1.5 мм (7.2
(а)) и картина перестройки кристаллической решетки материала, обладающе-
го памятью формы (7.2 (б)).
       Из рисунак7.2. (а) видно, что скобу нагретой до температуры 400° С
(по описанию исследователей скобе придают омегообразную форму при тем-
пературе 400° С) после охлаждения до 10° С можно выпрямить. После чего
хирург вводит проволоку в живую ткань. При нагреве ее до температуры тела
(36° С) проволока принимает первоначальную заданную (омегообразную)
форму.


      Таким же образом такой проволоке при температуре 400° С можно
придать необходимую форму (пружина и т.п.), охладить ее до температуры
10° С и выпрямить. После введения в организм проволоки она вновь примет
вид, например пружины, выполняя заданную хирургом функцию.
      При выпрямлении имплантанта из этого материала не при 10° С, а вы-
ше, например при 36° С, она восстановит свою форму без дополнительного
нагрева сразу же после снятия деформирующей силы.
      На рисунке7.2 (б) показана картинка явления, при котором в кристал-
лах с памятью формы каждый атом безошибочно находит свое место при
всех манипуляциях , которые были описаны выше (область А соответствует
высоким температурам, а М процессу охлаждения и т.д.).




     Рис 7.2 - Эффект памяти формы
     а) эффект памяти формы на примере металлической омегообразной
     скобки, изготовленной из никелида титана;
     б) так перестраивается кристаллическая решетка материала, обла-
     дающего памятью формы.
     А - при высоких температурах,
     М-при охлаждении.


      На рисунке 7.3 даны методы крепления костных обломков традицион-
ным (7.3 (а)) и спиралью омегообразного вида с памятью формы (7.3 (б)) ве-
сом 0.5 грамма. Сращивание обломков в случае их фиксации спиралью с па-
мятью формы происходит практически без образования костной мозоли
(“кость в кость”), что позволяет сократить сроки лечения в несколько раз.




     Рис 7.3 - Методы крепления костных обломков
     а) традиционный метод крепления костных обломков с помощью
     обычной металлической пластины и винтов: 1 - фиксирующая пласти-
     на с винтом, 2 - мягкая ткань, 3 – костная ткань,
     4 – костная мозоль.
    б) фиксация костных обломков спиралью с памятью формы.

      На рисунке7.4 представлены возможные варианты конструкций им-
плантантов с памятью формы. На рисунке7.5 (а) и (б) показаны примеры ис-
пользования имплантантов с памятью формы при лечении переломов локте-
вого отростка.

      Разработаны также имплантанты с памятью формы для ряда способов
исправления деформации позвоночника. Они основаны на возможности им-
плантантов с памятью формы оказывать по величине постоянное силовое
воздействие на позвоночник в течение всего периода лечения.
      На рисунке7.5 (в) дана рентгенограмма позвоночника с компрессион-
ным переломом поясничного позвонка после фиксации коррегирующим им-
плантантом с памятью формы. Есть сведения о том, что больной с компрес-
сионным переломом тела третьего поясничного позвонка после операции по
коррекции кифотической деформации имплантантом с памятью формы на
третьи сутки встал на ноги (пастельный режим отменен), а на двенадцатый
день был выписан из больницы.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика