Использование керамических материалов в медицине.

2. Важным достоинством  керамики является высокая доступность  сырья, в том числе для получения  бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные металлы.

3. Технология  получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных  металлических материалов. Например, затраты энергии на производство технической бескислородной керамики типа нитрида кремния значительно ниже, чем в производстве важнейших металлических конструкционных материалов.

4. Производство  керамики, как правило, не загрязняет  окружающую среду в такой мере, как металлургия, а сами керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения. Примером может служить получение водорода высокотемпературным электролизом воды в электролизерах с керамическими электродами и электролитами.

5. Получение  керамики обычно более безопасно,  чем производство альтернативных  металлических материалов (благодаря  отсутствию процессов электролиза,  пирометаллургии, воздействия агрессивных  сред), а керамика со специальными  электрическими свойствами позволяет создать высокоэффективные противопожарные системы и системы предупреждения взрывов (электрохимические детекторы, или сенсоры).

6. Керамические  материалы по сравнению с металлами  обладают более высокими коррозионной  стойкостью и устойчивостью к радиационным воздействиям, что обусловливает долговечность керамических конструкций в агрессивных средах. В этой связи следует упомянуть, что попытка замены магнитной керамики в качестве элементов памяти ЭВМ на полупроводниковые интегральные элементы не удалась в космических аппаратах, так как оказалось, что полупроводниковые элементы под действием радиации перестают нормально функционировать.

7. Керамические  материалы обладают большей биологической  совместимостью, чем металлы и  полимеры, и это позволяет использовать их в медицине как для имплантации искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.

8. Использование  керамики открывает возможность  для создания разнообразных по  свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции. Любое, даже самое малое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов (рис. 2), размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства. Отсюда возникает перспектива дальнейшей микроминиатюризации приборов с использованием керамических элементов.

Интерес к конструкционной  и функциональной керамике в последние  годы настолько возрос, что можно  говорить о своеобразном керамическом ренессансе как важнейшей тенденции  современного материаловедения. Причины этого возрождения обусловлены многими обстоятельствами, и прежде всего возможностью создания новых материалов с необходимыми свойствами. 

По своей  микроструктуре керамика делится на:

    

• ГРУБУЮ (от5 до зо% пор)  
• ВЫСОКОПОРИСТУЮ (более 30% пор  
• ТОНКУЮ (менее 5% пор)

 

Грубая керамика – строительные материалы, огнеупоры.

Высокопористая  – теплоизоляционные материалы.

Тонкая керамика –художественная (фарфор,фаянс),функциональная

(пьезо-, сегнето-, магнитная, термоэлектрическая сверхпроводящая,

изоляционная, оптическая и С Т О М А Т О Л  О Г И Ч Е С К А Я !

   

1.3 Свойства керамики  

Физическими свойствами кристаллитов, определяются:

    

• размером и формой (анизотропией),  
• кристаллитов,  
• природой связи между кристаллитами,  
• присутствием пор, жидких фаз и
• пр.

 

Преимущество  керамики:

    

• относительно простые и экономически выгодные технологии      спекания
• порошков  
• уникальные свойства керамики и керамических композитных
• материалов.

 
 
 
 
 
 
 

  1.4 Требования к материалам медицинской практики.

    Материал , который  будет используется  в медицинской практике  должен  обладать поистине уникальным  набором свойств, к которым  относятся: 

  - биологическая инертность: отсутствие  токсичности, аллергенности, травмирующего  и раздражающего действия на окружающие ткани;

  - механическая прочность, рассчитанная  на длительный срок работы  в организме, устойчивость к  износу;

  - гемосовместимость: материал не  должен вызывать повреждения  элементов крови и образования  тромбов; 

  - устойчивость к агентам внутренней среды организма, к воздействию биологических жидкостей;

  - устойчивость к высокотемпературной  стерилизации.  
 
 
 

                                           
 
 
 
 

                                       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                              Глава 2.

                    Корундовая керамика в медицине.

  2.1 Корундовая керамика.

      В последние годы внимание ученых и технологов многих стран привлечено к керамике - твердому материалу неорганической природы. Этот материал нашел такое широкое применение во многих областях науки и техники, что стали говорить о технологической революции, о том, что конец XX века стал эрой керамики. Высокая механическая прочность, сохраняющаяся даже при экстремальных температурах, большая коррозийная устойчивость, высокие электроизоляционные свойства обусловливают всевозрастающее применение керамики в различных областях техники и производства. Керамические материалы применяются для изготовления деталей и изделий, предназначенных для работы в любых агрессивных средах (кислотах, щелочах, расплавленных металлах), для создания двигателей и турбин, где они пришли на смену быстроизнашивающимся металлам. Керамика применяется даже для создания защитного слоя космических кораблей.

  Среди большого разнообразия технических керамик особенно выделяется по механической прочности и химической стойкости корундовая керамика, основу которой составляет окись алюминия. Окись алюминия существует в виде нескольких кристаллических модификаций, из которых самой устойчивой является модификация, называемая корундом. Отсюда и название керамического материала. По своей структуре керамика представляет поликристаллический материал, ее также называют поликристаллическим сапфиром или рубином. Уникальные физические и химические свойства корундовых материалов определяются характером химической связи в молекуле Al₂O₅ и ее кристаллическим строением. Корундовая керамика обладает высокой стойкостью ко всем видам механических нагрузок. Так, предел прочности корундовой керамики при изгибе достигает 3000 кг/см², а при сжатии - более 10000 кг/см². В отличие от пластмасс и металлов она не деформируется при ударе, нагреве, высоком давлении. Такая высокая прочность керамики объясняется большой энергией кристаллической решетки (3681 ккал/моль), которая определяет прочность связей в кристалле.

  Большое практическое значение имеет устойчивость корундовой керамики к износу при  трении. Многие советские и зарубежные исследователи пришли к выводу, что  при взаимодействии деталей из керамики износ практически отсутствует или крайне незначителен. Трение и износ керамических материалов гораздо меньше в растворе, чем в сухой среде. Коэффициент трения у пары керамика-керамика, помещенной в раствор, много меньше, чем у металлов, находящихся в аналогичных условиях.

  В молекуле алюминий находится в максимально  окисленном состоянии - каждый анион  алюминия окружен шестью противоположно заряженными анионами кислорода. Подобные химические связи очень прочны, поэтому  корундовые материалы устойчивы  ко многим агрессивным факторам. Результаты испытаний корундовой керамики на растворимость в тканевой жидкости показали, что по коррозийной стойкости она не уступает золоту и платине.

  Учитывая  такое удачное сочетание физических и химических свойств корундовых материалов, в середине 70-х годов во многих странах мира стали проводить исследования, оценивающие возможность применения керамики в медицине. Приоритет применения корундовой керамики в медицине принадлежит ФРГ и США. Первыми в нашей стране эти материалы исследовали и применили в клинической практике работники Тбилисского медицинского института, врачи-травматологи О. Гудушаури, О. Омиадзе, Г. Думбадзе. В своих исследованиях они, в частности, показали, что корундовая керамика безвредна для организма теплокровных животных независимо от ее агрегатного состояния (порошок, гранулы, пластины) и способа введения в организм. Она не обладает местнораздражающим и общерезорбтивным действием как при непосредственном воздействии на организм, так и в отдаленные сроки после введения. Даже в тех случаях, когда биокерамические материалы подвергаются химической или биологической деградации, концентрация продуктов деградации в окружающих тканях настолько мала, что они легко контролируются регуляторными системами организма. Весьма существенно и то, что продукты деградации и износа корундовой керамики абсолютно нетоксичны.

  Для сравнения следует отметить, что  продукты износа политетрафторэтилена (тефлона), одного из самых биоинертных  полимеров, вызывают резко выраженные воспалительные изменения в окружающих тканях.

  Ученые  многих стран пришли к выводу - корундовые материалы обладают биосовместимостью  и вызывают минимальные изменения  в окружающих тканях. 
 
 

      2.2.Сферы применения корундовой керамики.

  Высокая механическая прочность, биоинертность, отсутствие токсического влияния керамических материалов на организм, а также возможность изготавливать образцы эндопротезов любой величины и формы позволили широко использовать корундовую керамику в клинической практике. Наиболее широкое применение в медицине корундовые материалы нашли при замещении костей и суставов. В настоящее время керамические эндопротезы применяются практически во всех областях хирургической ортопедии: для пластики тазобедренного и других крупных суставов, протезирования крыши вертлужной впадины, замещения костей кисти, замещения части и целых длинных трубчатых костей, для внутрикостного соединения костей.

  Применение  корундовой керамики в травматологии  и ортопедии позволило в более  короткие сроки восстанавливать  целостность кости при самых тяжелых ее дефектах. С успехом в травматологии применяется корундовый материал монокристаллического строения (монокристаллический корунд, он же лейкосапфир), из него изготовляют внутрикостные штифты, которые не требуют дальнейшего удаления. В последние годы корундовая керамика успешно используется при оперативных вмешательствах на позвоночнике: для эндопротезирования межпозвонковых дисков и замещения дефектов позвонков.

  Корундовая  керамика применяется для пластики костей черепа, орбиты, придаточных  пазух и костей носа. В отоларингологии керамика применяется при слухоулучшающих операциях для протезирования слуховых косточек, а также для операций при хронических и экссудативных заболеваниях среднего уха.

  В стоматологии корундовая керамика моно- и поликристаллического строения широко используется для пластики верхней и нижней челюстей и имплантации зубов.

  Казалось  бы, применение такого материала в  офтальмологии невозможно, однако ученые-исследователи  Тбилисского мединститута разработали  погружные имплантаты из корундовой керамики для формирования подвижной культи после удаления глаза. Ф. Полак и Г. Хеймк (ФРГ) разработали протез роговицы, выполненный из корундовой керамики поликристаллического и монокристаллического строения, который своим основанием имплантируется глубоко в мягкие ткани глаза. Этот протез с успехом прошел клинические испытания.

  Учитывая  уникальные свойства корундовых материалов, а также успешный опыт их широкого клинического применения в различных  областях медицины, исследователи посчитали весьма перспективным использование корундовых материалов для создания искусственных клапанов сердца. Поэтому в начале 80-х годов появились первые сообщения о попытках создания искусственных клапанов сердца из корундовых материалов. Английские ученые Г. Джентл и П. Сволс в 1980 году впервые сообщили о создании искусственного клапана сердца из корундовой керамики, который они создавали и исследовали в течение 7 лет. По мнению авторов, этот клапан обладает высокой устойчивостью к износу, что позволило назвать его «вечным». Кроме того, ученые предполагали, что этот клапан не будет вызывать выраженных тромбоэмболических осложнений. В дальнейшем такой двустворчатый клапан из пористой и непористой корундовой керамики исследовали в живом организме. Эксперименты по имплантации клапанов проводили на свиньях. Результаты операций на животных показали хорошую гемодинамическую функцию протеза, отсутствие выраженного повреждения форменных элементов крови и минимальную тромбогенность.