Химические технологии в медицине. Биоматериаловедение

1.

Химические технологии в медицине.
Биоматериаловедение
Введение

2.

Биоматериаловедение - что это?
Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом,строением и свойствами
материалов, а также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом,
механическом, химическом, биологическом и т.д.). Основная практическая задача
материаловедения – изыскание оптимального состава и способа обработки материалов для
придания им заданных свойств.
Биосовместимые материалы
Биосовместимость – способность материала вызывать соответствующий отклик ткани
хозяина в конкретной ситуации, основанной на принципах:
•биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции;
•биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм;
•биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием;
•биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции;
•биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока
эксплуатации;
•биосовместимые материалы и устройства действуют или функционируют гармонично и
согласованно при нахождении в организме или контакте с биологическими жидкостями, не вызывая
заболевания или болезненных реакций.

3.

Ретроспектива
анестезия
трепанация
Ампутация
голени
Набор хирурга

4.

Новые материалы и технологии
Искусственный
сердечный клапан
диагностика
кардиостимулятор
малоинвазивная
хирургия
Искусственное
сердце
Инкубатор и монитор состояния
ИФА для
диагностики

5.

Further examples of modern medical technology
electron linear accelerator
generating X rays
artifial heart
implanted chip
(retina implant)
cochlea implantat
navigation and computer aided
surgery
microarray for molecular biological
screenings & diagnostics

6.

Научные и технические дисциплины вовлеченные в разработку медицинских
устройств
• molecular biology
(e.g. diagnostics)
• stem cell therapies
• translational medicine
• nanotechnology
nano-medicine

7.

Грубая функциональная классификация медицинских устройств
• Имплантаты (мягкие ... жесткие, активные <--->
пассивные)
• Системы доставки лекарств
катетеры, датчики, дренажи,
трубки, соединители, клапаны, шприцы и т. д.
• фильтрующие и мембранные системы
• хирургические приборы и инструменты
• системы заживления ран, гигиенические
продукты
• ортопедические изделия, фиксаторы
• диагностические системы (например,
микрочипы, ПЦР и т.д.)

8.

Сложные устройства, системы управления данными
и информационные системы
Функциональные (электро-) диагностические устройства
• сердечно-сосудистые, легочные и неврологические измерения
Системы визуализации
• ультразвуковая, эндоскопическая, ангиографическая, рентгенологическая
диагностика
• томография (МРТ, КТ ...); альфа-, бета- и гамма-методы сканирования
Технические устройства
• искусственное дыхание, сердечно-легочная машина, стимулятор сердца,
дефибрилляторы,
• радиотерапия, инфузионные насосы, диализ, оксигенаторы, регулирование
температуры
Мониторинг пациентов
• сердечно-сосудистые, дыхательные, церебральные и эмбриональные системы
Электронная обработка данных и управление ими
• (он-лайн) сбор и анализ данных, сети передачи данных,
электронные экспертные системы, телеметрия, дистанционное управление
(Например, клиника и пациент в рамках домашнего ухода, глобальные системы
мониторинга и контроля пациента

9.

Классификация медицинских устройств согласно потенциальным рискам
(ГОСТ Р 51609-2000 Medical devices) = similar to EU
Класс 1
Класс 2a
• Низкие риски
• минальный контакт
с кожей
• неинвазивный
• короткое
приложение
• Примеры:
• хирургическая
одежда,
• повязки без
прямого контакта с
кожей
• Некоторое
хирургическое
оборудование
• Средние риски
• низкий уровень
инвазии
• ограничение по
времени (≤ 30 дней)
• Примеры:
• Ультразвуковые
приборы для
диагностики
• кратковременные
катетеры (не близко
к сердцу)
Класс 2б
• повышенные
риски
• долгое время
применения
• ≥ 30 дней
• системные
эффекты
• Примеры:
• анестезирующие
машины
• введение
лекарственных
препаратов
Класс 3
• высокая степень
риска
• применение в
сердце,
центральной
сердечнососудистой системы
или центральной
нервной системы
• Примеры:
• кардиостимулятор
• стенты
• искусственные
сердечные клапаны

10.

Ткани организма
4 основные группы тканей:
Эпителий - покровная ткань, которая покрывает и защищает органы. Может поглощать, выделять
и выводить различные вещества.
Соединительная ткань - ткань, окружающая, соединяющая, питающая, и поддерживающая все
другие ткани и органы. Кровь, мягкие ткани, кости, жировая ткань, хрящи - это всё
соединительные ткани.
Мышцы - орган образованный в основном мышечной тканью, клетки которой способны
сокращаться, обуславливая движение (сюда же входят сердце и гладкая мускулатура
кишечника).
Нервная ткань - ткань передающая и проводящая сигналы к органам и от органов. Различают
центральную и переферическую нервную систему.

11.

Способы замены тканей
Имплантат представляет собой неживой объект встроенный в организм хирургическим путём
(зубной/костный имплантат, слуховой стволомозговой имплантат, сердечные клапаны,
идентификационный имплантат, капсулы с фармакологическим содержимым)
Трансплантат - ткань или орган перемещается от одного тела или части тела к другому (почки,
сердце, печень, лёгкое, костный мозг,волосы, кожа).
Протез представляет собой искусственное устройство, используемое, чтобы заменить или
дополнить больную или поврежденную часть.

12.

Классы материалов, которые используются для разработки биоматериалов, их преимущества и недостатки
Класс материалов
Полимеры (нейлон,
силиконы, тефлон)
Металлы (титан,
кобальтохромовые сплавы,
нержавеющие стали, золото)
Композиты различного
состава (керамика, металлы,
оксиды, полимеры и тп)
Керамика (оксид алюминия,
углерод, гидроксиапатит)
Преимущества
Эластичность
Легкость изготовления
Жёсткость
Прочность
Пластичность
Возможность задать
свойства (индивидуальные,
спец. предназначенные)
Прочность
Биосовместимость
Инертность
Высокая прочность на
сжатие
Недостатки
Низкая прочность
Деформация со временем
Высокая плотность
Низкая коррозийная
устойчивость
Сложность изготовления
Хрупкость
Высокий модуль упругости
Сложность изготовления
Низкая усталостная
стойкость

13.

Классификация биосовместимых материалов и изделий

14.

Свойства материалов
• Структурные свойства материалов
Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей тела (объекта),
обеспечивающих его целостность.
Макроструктура – это видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении
внутренняя или поверхностная часть материала. Макроструктура в целом характеризуется
фазовым составом, т.е. наличием элементов структуры в виде твердого тела, жидкости и газовой
среды.
Различают следующие типы макроструктуры.
• Плотную однородную структуру (металлы, стекло и т.п.)
• Конгломератное строение характерно для большинства природных и искусственных каменных
материалов, когда отдельные зерна заполнителя прочно соединены между собой прослойками
вяжущего вещества.
Микроструктура материала – структура, наблюдаемая под большим увеличением (оптический
микроскоп). Обусловливается структурой исходных минералов, микропористостью,
микродефектами, формирующимися за счет воды и газов, присутствующих в исходных веществах
в момент структурообразования.

15.

Методы исследования структуры материалов
Фаза - часть вещества, отделенная от других его частей границей раздела, при переходе через
которую свойства меняются скачком. Бывает:
Кристаллическая
Аморфная
Рентгенофазовый анализ - один из дифракционных методов исследования структуры
вещества. В основе данного метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на
трёхмерной кристаллической решётке.
Уравнение Вульфа - Брэгга: 2d ∙ sin2Θ = nλ,
где d – расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями, м;
θ – угол, под которым наблюдается дифракция, град.;
n – порядок дифракции;
λ – длина волны монохроматических рентгеновских лучей, падающих
на кристалл, м.
Определяемые параметры:
• Качественный фазовый состав;
• Степень кристалличности;
• Параметры кристаллической решетки

16.

Методы исследования структуры материалов
Инфракра́сная спектроскопи́я (колебательная спектроскопия, средняя инфракрасная
спектроскопия, ИК-спектроскопия, ИКС) - раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие
инфракрасного излучения с веществами.
В основе метода лежит закон Бугера - Ламберта - Бера
I = I0ekl
где I - интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной
I0 - интенсивность света на входе в вещество,
k - показатель поглощения,
λ - длина волны.
Позволяет определять
Функциональный состав молекул
Межмолекулярные взаимодействия
Характеристические частоты функциональных
групп в органических соединениях

17.

Методы исследования структуры материалов
Микроскопия (лат. μΙκροσ — мелкий, маленький и σκοποσ — вижу) — изучение объектов с
использованием микроскопа.
Оптическая микроскопия – метод основанный на прохождении света через систему линз.
Электронная микроскопия - совокупность электронно-зондовых методов исследования
микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и
др.) с помощью электронных микроскопов - приборов, в которых для получения увеличения
изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также
методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации.
Просвечивающая (ПЭМ)
Сканирующая (СЭМ)
Рентгеновская микроскопия - совокупность методов исследования микроскопического
строения вещества с помощью рентгеновского излучения.

18.

Механические характеристики
Деформация - это изменение формы и размеров тела (или части тела) под действием внешних
сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействиях,
вызывающих изменение положения частиц тела. При увеличении напряжения деформация может
закончиться разрушением.
Способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием
различного вида нагрузок характеризуется механическими свойствами этих материалов.
Виды деформации
По характеру приложенной к телу нагрузки виды деформации подразделяют следующим
образом:
•Деформация растяжения;
•Деформация сжатия;
•Деформация сдвига (или среза);
•Деформация при кручении;
•Деформация при изгибе.

19.

Упругая деформация
Влияние упругой (обратимой) деформации на форму, структуру и свойства тела полностью
устраняется после прекращения действия вызвавших её сил (нагрузок), так как под действием
приложенных сил происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков
кристалла.
Сопротивление материала деформации и разрушению называется прочностью. Прочность
является первым требованием, предъявляемым к большинству изделий.
Модуль упругости - это характеристика сопротивления материалов упругой деформации. При
достижении напряжениями так называемого предела упругости (или порога упругости)
деформация становится необратимой.

20.

Напряжение - это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием
различных факторов;
σ = F/S,
где σ – напряжение, F – прилагаемая сила, S – площадь приложенной силы.
Натяжение - это соотношение увеличения длины и первоначальной длины образца (упругая
деформация образца);
ε = ∆l/l0, где ε – натяжение, l0 – первоначальная длина образца
Модуль упругости (модуль Юнга) - общее название нескольких физических величин,
характеризующих способность твёрдого тела (материала, вещества) упруго деформироваться (то
есть не постоянно) при приложении к нему силы.

21.

Пластическая деформация, остающаяся после снятия нагрузки, связана с перемещением атомов
внутри кристаллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные изменения
формы, структуры и свойств без макроскопических нарушений сплошности материала.
Пластическую деформацию также называют остаточной или необратимой. Пластическая
деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием.
Пластичность - это свойство твёрдых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь,
свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения
этих сил. Отсутствие или малое значение пластичности называется хрупкостью.

22.

Твёрдость - свойство материала не испытывать пластической деформации вследствие местного
контактного воздействия (обычно сводящегося к внедрению в материал более твёрдого тела —
индентора).
Износ - изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента
вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя изделия при трении.
Усталость материала - процесс постепенного накопления повреждений под действием
переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию
трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

23.

Коррозия это самопроизвольное разрушение материалов в результате химического, электрохимического
или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Разрушение по физическим
причинам не является коррозией, а характеризуется понятиями «эрозия», «истирание», «износ».
Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к
воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.
Коррозия в сочетании с напряжением ведет к растрескиванию - образованию трещин.

24.

Воспаление и заживление ран
Фазы заживления ран:
1 фаза - численность клеток резко увеличивается в сравнении с нормальной тканью.
Первоначально это фагоциты, которые постепенно заменяются на фибробласты.
2 фаза - фибробласты синтезируют волокна, в особенности коллаген.
3 фаза - волокна коллагена ориентируются и перестраиваются для максимального соответствия
первоначальной ткани.
Воспаление - выработанная в процессе эволюции защитно-приспособительная реакция
организма, направленная на устранение воздействия патогенного раздражителя и восстановление
целостности и функции повреждённой ткани или органа.

25.

Заживление раны и имплантаты
1. Первая фаза будет более продолжительной, если из имплантата вымываются некоторые
вещества (например, пластификаторы из полимеров).
2. Если имплантат перемещается в ткани и вызывает повреждения, вторая фаза будет
продлеваться ровно настолько, сколько это будет продолжаться.
3. Кровеносные сосуды, играющие критическую роль в процессе заживления, могут только
приближаться к сплошной поверхности и прорастать сквозь пористую.
4. Если имплантат распадается, химически или механически, вторая фаза будет продлеваться.
5. Если поверхность будет слишком грубой, первая и вторая фазы будут продлеваться до тех
пор, пока поверхность не станет гладкой.
6. В течении окончательной стадии перестройки коллагеновые волокна ориентируются вдоль
линии напряжения. Именно на этой стадии определяется характер окружения имплантата.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

Полимеры.
Структура и свойства.

50.

51.

Классификация полимеров.
Классификация полимеров проводится по следующим признакам:
1) Химическому строению (органические, элементорганические,
неорганические);
2) Форме макромолекул (линейные, разветвленные, сшитые);
3) Фазовому состоянию (аморфные, кристаллические);
4) Поведению при нагревании (термореактивные, термопластичные);
5) Способам
производства
(полимеризационные,
поликонденсационные);
6) Технологическим
свойствам
(литьевые,
экструзионные,
заливочные, пресс-материалы);
7) Назначению
(общетехнические,
инженерно-технические,
высокотеплостойкие инженерно-технические);
8) Объемам производства (крупнотоннажные, среднетоннажные,
малотоннажные).

52.

Определение полимеров
Полимеры
состоят
из
повторяющихся
групп
атомов
звеньев
исходного
вещества
мономера,
образующих
молекулы
в
тысячи
раз
превышающих , по длине и по массе, обычные, неполимерные соединения, такие молекулы
называют макромолекулами. Число звеньев называется степенью полимеризации N. Чем больше N,
тем более прочен полимерный материал и более стоек к воздействию нагрева и растворителей.
Для синтетических полимеров N ≈ 102 – 104, для ДНК: N ≈ 109 – 1010

53.

Структура полимеров

54.

Фазовые состояния
кристалличность полимеров - упорядоченное
расположение некоторых отдельных участков
цепных макромолекул

55.

Особенности строения кристаллизующихся и аморфных
полимеров
Схематичное изображение строения ламелли
кристаллического полимера: 1 — кристаллит; 2 — петля; 3
— проходной участок макромолекулы.

56.

Полимерные растворы – условия образования
+
Макромолекулы
Молекулы растворителя
Полимерный раствор
G2
H2
S2
G1
H1
S1
Gр
Hр
Sр
Gсм = Hсм – T Sсм
G см = Gр - G1 - G2
Hсм = Hр - H1 - H2
S см = Sр - S1 - S2
Gсм = Gсм (Т, С)
0
Правило фаз Гиббса
К–Ф+1=f
К – количество компонентов;
Ф – количество фаз;
f – количество степеней свободы.

57.

! Отличительная особенность полимерных
растворов – большое различие в размерах
макромолекул и молекул растворителя!
>>
Отсюда – характерные свойства полимерных растворов – несимметричность
фазовых диаграмм, термодинамическая неидеальность, явление набухания,
высокая вязкость разбавленных растворов, интенсивное рассеяние света,
склонность к ассоциации, тиксотропия и др.

58.

Фазовые диаграммы системы полимер – растворитель
Система с верхней критической температурой растворения (ВКТР)
ВКТР – это такая температура, выше которой система полимер- растворитель всегда
однофазна (т.е полимер и растворитель смешиваются неограниченно)
[CH2
CH]p
T
ВКТР
Полистиролциклогексан,
ВКТР ~ 30oC
Нода
Растворим
(одна фаза)
A1
A3
B’
A2
B
B’’
СB
СB’’
Нерастворим
(две фазы)
СB
’
Растворитель
Бинодаль
Полимер

59.

Фазовые диаграммы системы полимер – растворитель
Система с нижней критической температурой растворения (НКТР)
T
-[CH2-CH2-O]pH2O
Две фазы
Полиоксиэтилен –
вода, НКТР ~ 70oC
НКТР
Одна фаза
С
Hсм = ≤ 0, Sсм ≤ 0, T ≤ TКР. = Hсм / Sсм
НКТР – это такая температура, ниже которой система полимер- растворитель
всегда однофазна (т.е полимер и растворитель смешиваются неограниченно)
Как правило, диаграммы с НКТР характерны для полярных полимеров в
полярных растворителях, например:
нитроцеллюлоза – этанол; метилцеллюлоза – вода.

60.

Фазовые диаграммы системы полимер – растворитель с двумя критическими
температурами НКТР и ВКТР (встречаются редко, если при изменении температуры
изменяется характер взаимодействий молекул полимера и растворителя, т.е.
структура раствора)
Б
A
T
T
ВКТР
Две фазы
Две фазы
Одна фаза
НКТР
Одна фаза
ВКТР
Две фазы
НКТР
С
С
ВКТР ≥ НКТР
ВКТР ≤ НКТР
Полипропиленоксид – вода,
Полиизобутилен – бензол,
НКТР ~ 15oC, ВКТР ~ 80oC
НКТР ~ 24oC, ВКТР ~ 160oC
[CH2
H2O
CH
CH3
O]p
CH3
[CH2
C]p
CH3

61.

Молекулярный механизм растворения
Процесс растворения веществ обусловлен взаимной диффузией молекул
растворителя и растворяемого вещества из-за их теплового движения
Скорость диффузии пропорциональна средней скорости молекул v, она тем
меньше, чем больше молекулярная масса молекулы m.
полимер
растворитель
Е – кинетическая энергия молекулы
Сначала молекулы растворителя проникают в полимер, а макромолекулы не
успевают проникать в растворитель возникает явление набухания

62.

Механизм растворения полимера в растворителе
;
1.
2.
Растворитель
Растворитель
Набухший полимер
(Полимерный гель)
3.
Растворитель
Полимер
Процесс растворения может остановится на стадии 2
1. Начальная стадия (полимер помещен в растворитель)
2. Стадия набухания или гелеобразования (растворитель
проникает в полимер).
3. Стадия растворения полимера (размывание геля).
4. Стадия образования полимерного раствора.
4.
Равновесный
раствор

63.

Набухание полимеров
это процесс самопроизвольного поглощения
жидкого низкомолекулярного соединения полимером, которое
сопровождается изменением объема и массы полимерного
образца без нарушения его целостности.
Количественно набухаемость полимера оценивается степенью набухания
( ) – масса или объем низкомолекулярной жидкости, поглощенной
полимером, отнесенное к единице массы (объёма исходного полимера).
или
m0 и V0 – масса и объем исходного «сухого» полимера;
m и V – масса и объем набухшего полимера.

64.

Ограниченное и неограниченное набухание
13
Ограниченное набухание
(гелеобразование)
Неограниченное набухание
(растворение)
t (время)
Гель (студень) - это двухкомпонентная
система полимер – низкомолекулярная
жидкость, для которой характерны
признаки твердого тела: отсутствие
текучести и наличие модуля упругости.
t (время)
Полимеры растворяются
медленно, от нескольких
часов до нескольких дней

65.

Гелеобразование сетчатых полимеров
Сшитые (сетчатые) полимеры
Если в области неограниченного смешения линейного полимера и
растворителя будет наблюдаться растворение, то для его сетчатого аналога
будет наблюдаться только гелеобразование.
Пример 1: слабосшитая
полиакриловая кислота
-[CH2-CH]pO=C-O-H
Пример 2: медузы – природные
живые гели
Применение – везде, где надо зафиксировать и
«остановить» воду – буровые растворы, памперсы,
косметика, фармакология и др.

66.

Концентрационные режимы полимерных растворов

67.

Концентрационные режимы полимерных растворов
Разбавленные растворы – расстояния между полимерными клубками
много больше их размеров, клубки не перекрываются (как правило, w < 2
вес.%).
Полуразбавленные растворы – клубки перекрываются, но весовая
концентрация полимера всё ещё мала, (как правило, w < 10 вес.%).
Концентрированные растворы – клубки сильно перепутаны, весовая
концентрация полимера большая, (как правило, w > 10 вес.%).
Концентрация кроссовера (cross over) - C* концентрация начала перекрывания клубков
d ~ <h2>1/2 ; * = Vполимер/Vраствор = 1.
Свойства индивидуальных макромолекул можно изучать
только в разбавленных растворах, при концентрациях
полимера ниже концентрации кросссовера.

68.

Свойства полимеров.
Определяются тремя основными факторами:

69.

Свойства полимеров.
Определяются тремя основными факторами:

70.

Свойства полимеров.
Термомеханические кривые аморфных и кристаллических полимеров:

71.

Фазовые состояния

72.

Фазовые состояния
Тс - температура
стеклования
Тт - температура текучести

73.

Свойства полимеров.
Изменение конформации макромолекул под
действием напряжения сдвига:
а) в равновесном состоянии; б) пластическое течение
Зависимость предела текучести
полипропилена от
степени кристалличности α

74.

эластичность - способность к обратимым деформациям
при нагрузке (каучуки).
Гибкость макромолекул — это их способность
обратимо (без разрыва химических связей)
изменять свою форму.

75.

Гибкость
макромолекул
гибкоцепные
каучуки
(резиновые
изделия)
жесткоцепные
пластмассы,
волокона,
пленки

76.

Жесткоцепные полимеры

77.

малая хрупкость стеклообразных и кристаллических
полимеров (пластмассы, органическое стекло) по сравнению
с неорганическими стёклами.
способность макромолекул к ориентации под действием
направленного механического поля (используется при
изготовлении волокон и пленок).
кристаллизация полимера усиливает межмолекулярные
взаимодействия и его гибкость (эластичность) уменьшается.
По этой причине гибкоцепной легко кристаллизующийся
полиэтилен не проявляет свойств каучука.

78.

Особые свойства полимеров
Способность резко изменять свои физико-механические
свойства под действием относительно малых количеств
реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т.п.).
Особенности растворов полимеров:
высокая вязкость раствора при малой концентрации
полимера;
растворение полимера происходит через стадию набухания.

79.

Фазовые состояния
•стеклообразное(СОС) – твердое
•вязкотекучее (ВТС) – жидкое
•высокоэластическое
состояние(ВЭС) - находится между СОС и
ВТС.
Для ВЭС - характерны обратимые

80.

Практическое применение полимеров определяется фазовым
состоянием при температуре его использования.
• Для стеклообразных полимеров характерны относительно
небольшие упругие (обратимые) деформации (1-10%). Полимеры
в стеклообразном состоянии применяют в производстве
пластмасс.
• Высокоэластические полимеры способны обратимо
деформироваться на сотни процентов. В высокоэластическом
состоянии в условиях эксплуатации находятся все каучуки. Это
состояние характерно лишь для полимеров.
• В вязкотекучем состоянии полимер используется для переработки
в изделия.

81.

Механические свойства
полимеров
Про́чность – свойство полимера (материала)
сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Зависит от степени полимеризации.Заметная
механическая прочность полимеров наблюдается уже при
СП 50-100 и достигает максимума при СП выше 1000.
Твёрдость – свойство материала сопротивляться
внедрению в него другого, более твёрдого тела.
Твёрдость определяется как отношение величины
нагрузки к площади поверхности. Чем выше степень
кристалличности полимера, тем тверже продукт.

82.

Для полимеров характерна более резко выраженная температурная зависимость
механических свойств по сравнению с металлами.
Термические
свойства
пластмассы
Термопласты
Реактопласты
эластомеры
каучуки
(резиновые
изделия)

83.

Опт ические свойст ва
Все аморфные полимеры прозрачны, тогда как в
частично-кристаллических полимерах появляется
некоторая мутность из-за различий в показателях
преломления кристаллических и аморфных
областей.

84.

Элект рические свойст ва
полимеров
• Большинство полимеров относится к диэлектрикам. Наличие
полярных групп в макромолекулах (Clˉ, OHˉ, COOHˉ, и т.п.),
ухудшает их диэлектрические свойства. Увеличение
молекулярной массы улучшает диэлектрические свойства.
• Некоторые полимеры обладают полупроводниковыми
свойствами. К этому классу относятся полимеры с сопряженными
двойными связями, например: полиацетилен ( −CH = CH − )n.

85.

Полимеры в биомедицине

86.

Структура и особенности полимеров
Полимеры- вещества, состоящие из
Структура полимеров :
макромолекул. Макромолекула состоит
1.
Линейная
2.
Разветвленная
3.
Сшитый полимер
из многократно повторяющихся
мономерных звеньев :
Химические свойства полимеров :
Механические свойства полимеров :
Эластичность - способность к высоким обратимым
деформациям при относительно небольшой нагрузке;
механические свойства под действием малых
Малая хрупкость стеклообразных и кристаллических
количеств реагента ;
• Макромолекулы имеют цепное строение и
полимеров ;
• Способность резко изменять свои физико-
Способность
макромолекул
к
ориентации
действием направленного механического поля ;
под
обладают уникальным для неживой природы
свойством - гибкостью.

87.

Области применения и требования полимеров в
медицине
Применение:
• Поражение элементов сердечно-сосудистой системы
• Замещение костных и суставных элементов
• Протезирование связок и сухожилий, мягких тканей
• Соединение рассеченных тканей
• Повреждение кожного покрова
• Поражения зубов
• Поражения системы органов зрения и слуха
Требования:
• Не должны вызывать местной воспалительной реакции;
• Не должны оказывать токсического и аллергического
действия на организм;
• Не должны провоцировать развитие инфекции;
• Должны сохранять функциональные свойства в течение
предусмотренного срока эксплуатации.

88.

Примеры полимеров применяемых в биомедицине
1) Хитозан
2) Поликапролактон
Области применения:
• Может быть получен в виде пленок гидрогеля
• Ускорение заживления ран за счет стимуляции
роста клеток
• Антимикробные и антиоксидантные свойства
• Кровоостанавливающее средство
• Универсальный сорбент
Области применения:
• Шовный материал
• Графт – основа для кровеносного сосуда

89.

Основные направления современной науки о полимерах
Регенеративная медицина
Хирургия
искусственные органы
шовный
материал
скаффолды
протезы
3D-биопринтинг
БИОМЕДИЦИНСКИЙ
АСПЕКТ
Офтальмология
контактн
ые линзы
Фармакология
лекарственные
препараты
нового

90.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ В МЕДИЦИНЕ
Биосовместимость— способность материалов выполнять
свои функции и не вызывать существенных негативных реакций в
организме
Основные требования к биоматериалам:
не должны вызывать местной воспалительной
реакции;
не должны оказывать токсического и
аллергического действия на организм;
не должны провоцировать развитие инфекции;
должны сохранять функциональные свойства
в течение предусмотренного срока
эксплуатации.
Биодеградация- процесс разложения материалов при
контакте с микроорганизмами, живыми тканями, клетками и
биологическими жидкостями

91.

Макромолекулы распадаются на олигомеры, которые затем
перерабатываются микроорганизмами или ферментами
Конечные продукты распада -
Н2О, CO2
БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ
(БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ) ПОЛИМЕРЫ
Создание материалов с
регулируемым сроком эксплуатации
медицина
имплантаты, постепенно
защита окружающей среды
2 сферы жизнедеятельности
человека
замещаемые живыми тканями
(регенеративная медицина)
шовный материал для хирургии
носители лекарственных препаратов
(контроль высвобождения)

92.

Биодеградируемые полимеры.
Классификация.
По происхождению:
1) природные и модифицированные природные
полимеры - целлюлоза, крахмал, декстрины, хитозан,
лигнин и др.
хитозан
2) синтетические полимеры - полилактоны, полилактиды,
полигликолевая к-та, их сополимеры и др.

93.

Полилактид
полилактид
мономер-молочная кислота
Сырье -ежегодно
возобновляемые
ресурсы: кукуруза и
сахарный тростник
самый дешевый из биопластиков
( $2,2–4,5 за кг)

94.

Полилактид
Применение:
1. Производство изделий с
коротким сроком службы
(пищевая упаковка,
одноразовая посуда, пакеты,
различная тара)
2. В медицине: для
производства
хирургических нитей,
штифтов, имплантатов
3. В 3d печати

95.

Структурно-фазовое состояние ПЛ
Модель кристаллической структуры
α-поли-L-лактида
Схема упаковки
макромолекул в полимерах
Сингония: орторомбическая
Параметры решетки:
a=10,66 Å, b=6,16 Å,
с=28,88 Å, β=90o
Конформация - спиральная
Микроискажения
кристаллической решетки,
∆d/d∙10-3
Напряжение
кристаллической
решетки, σ, МПа
2,6
24,5
20,4
151,5
13,6
101,4
23,2
212,9
13,8
82,8
47

96.

Полигликолевая кислота
мономер-гликолевая кислота
полигликолевая кислота
Сырье –виноград,
сахарная свекла и
сахарный тростник
Шовный материал, состоящий из тщательно
сплетенных мононитей
Один из первых материалов для
плетеных рассасывающихся нитейпрорыв в хирургии!
Идеален для тканей, которым
необходим 21 день скрепления нитью

97.

Поликапролактон
Биомедицинское применение
Шовный материал (прочные и
эластичные нити), производится
компаниями Solvay и Union Carbide
Биодеградация в теле человека
происходит медленно, около 3
лет
Протезы сосудов малого диаметра
(внутренний диаметр 2 мм, толщина
стенки 100 мкм)
Графт (основа) для кровеносного
сосуда
Сохранность каркаса обеспечитвается
до того момента, пока на его месте
не сформируется собственный новый
сосуд
СЭМ изображение графта из поликапролактона

98.

Поликапролактон
Продукты деградации:
, Н2О, CO2
капроновая кислота
СЭМ изображение нановолокон,
полученных методом электроспиннинга
Недостатки: при утилизации продуктов гидролиза возможна
воспалительная реакция
Используют с другими биосовместимыми полимерами

99.

БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ ПОЛИМЕРЫ.ХИТОЗАН
хитин
деацетилирование
+NaOH
-CH3COONa
хитозан
Аминогруппа придает
реакционную
способность,
растворимость в
растворах
разбавленных кислот
Источник хитина –
мелкие ракообразные,
насекомые, грибы
Коммерчески доступный полимер

100.

ХИТОЗАН. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
разрешен для биомедицинского
применения
может быть получен в
различных формах: в виде
порошка, тонких пленок
гидрогеля, и др.
ускоряет
ранозаживляющие
процессы за счет
стимуляции роста
клеток
проявляет антимикробную
активность и антиоксидантные
свойства
кровоостанавливающее
средство, коагулянт
универсальный сорбент
(связывает и выводит
из организма холестерин,
токсины и др.)

101.

РАЗЛИЧНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРАМ БИОМЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Объекты, которые длительное время должны быть
устойчивы в условиях функционирования в контакте с
агрессивной биологической средой
имплантаты с длительными сроками пребывания в организме
Объекты, распадающиеся с контролируемой
скоростью
при создании лекарственных препаратов
при замещении суставов- длительное
время существования в организме;
при замещении кожи- быстрое замещение
живой тканью

102.

Как можно придать материалу необходимые свойства?
1. СОПОЛИМЕРЫ (2 и более мономера)
2. ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ
ПОЛИМЕРЫ, СОВМЕЩЕННЫЕ С
НАНОЧАСТИЦАМИ
МОТИВАЦИЯ: СОЕДИНЕНИЕ В ЕДИНОЕ ЦЕЛОЕ
СВОЙСТВ,
ПРИСУЩИХ ПРЕДСТАВИТЕЛЯМ РАЗЛИЧНЫХ
КЛАССОВ ВЕЩЕСТВ
ОТ ПОЛИМЕРОВ : ГИБКОСТЬ, ВЫСОКОЭЛАСТИЧНОСТЬ,
УДОБСТВО ПЕРЕРАБОТКИ
ОТ НАНОЧАСТИЦ: ТВЕРДОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ВЫСОКАЯ
УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

103.

• КОМПОЗИТНЫЕ материалы

104.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ:
В СОВОКУПНОСТИ:
новые свойства (механические,
теплофизические,
электрические, магнитные,
оптические, барьерные и т.д.)
ГЛАВНОЕ УСЛОВИЕ - полная совместимость основного
материала и добавляемых к нему наночастиц
Свойства композитов могут
изменяться при очень малых
изменениях концентрации
наполнителя

105.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ В МЕДИЦИНЕ
Имплантаты, которые могут постепенно заменяться
в организме костной или другой живой тканью.
Поражение элементов сердечно-сосудистой
системы
Замещение костных и суставных элементов
Протезирование связок и сухожилий, мягких
тканей
Соединение рассеченных тканей
Повреждение кожного покрова
Поражения зубов
Поражения системы органов зрения и слуха
Стоматология восстановление зубной
эмали
Шовный материал

106.

БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ
КОСТНЫХ ТКАНЕЙ
Преимущества:
Полимеры отличаются гибкостью, что дает
возможность изготавливать имплантаты,
полностью повторяющие форму кости.
Полимер постепенно разлагается с образованием
новой костной ткани
Продукты биодеградации выводятся из
организма естественным путем
Необходимость хирургического вмешательства
отсутствует (металлические и керамические
протезы нужно менять или извлекать)
Вдоль
поврежденных костей
устанавливают
направляющие рост и
регенерацию шарниры
из полимерного
нанокомпозита

107.

3d печать позволяет создать
индивидуальный имплантат любой
формы для конкретного пациента
Томографический снимок – печать костипостепенная деградация полимера- образование
новой костной ткани

108.

КОСТНЫЕ ИМПЛАНТАТЫ :
МАТРИЦА:
гомополимеры
и сополимеры гликолевой и молочной кислот,
полигликолевая кислота
полилактид
НАПОЛНИТЕЛЬ:
•порошкообразные (гидроксиапатит, Ca10(PO4)6(OH)2),
силикаты
•углеродные волокна
•монмориллонит (глинистый материал)
(Na,Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O

109.

БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ
КОСТНЫХ ТКАНЕЙ
Матрица- на основе полилактида
Наполнитель- гидроксиапатит
(минеральная основа костной
ткани)
Ca10(PO4)6(OH) 2
Наполнитель- наночастицы
глинистого материала
монтмориллонита
Химический Факультет
Томского ГУ
Клиника Бемонта (Ирландия)
Как и реальная костная ткань, содержит большое количество пор
Гидроксиапатит/монтмориллонит входит в костную ткань и
провоцирует ее рост

110.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ В МЕДИЦИНЕ
Матрица- природный
разветвленный полисахарид
арабиногалактан
(из древесины
лиственницы)
Водорастворимый
композит:
наночастицы серебра,
стабилизированные
арабиногалактаном
ПРЕИМУЩЕСТВА
универсальный препарат широчайшего спектра действия
токсичность в сотни раз ниже, чем у антибиотиков
применение в качестве растворимого
биодеградируемого лекарственного средства

111.

ПРИМЕНЕНИЕ
НАНОКОМПОЗИТОВ
В МЕДИЦИНЕ
С помощью нанокомпозита,
содержащего магнитные и
флуоресцирующие частицы,
можно быстрее обнаружить
опасные образования в
организме
Во время оперативного
вмешательства флуоресцирующая
составляющая облегчает работу
хирургов

112.

КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА
Раневые покрытия на основе нанокомпозитов хитозана с частицами Ag
для лечения хронических
воспалений, открытых ран,
экзем
Продолжительность
антибактериального
действия покрытия несколько дней
Частицы серебра - от 10 до 30 нм
СЭМ изображение нанокомпозита
хитозан-Ag2O
ускоряет ранозаживляющие процессы
за счет стимуляции роста клеток +
антимикробный эффект

113.

ИМПЛАНТАТЫ НА ОСНОВЕ СКАФФОЛДОВ
Скаффолд-технология (scaffold-technology) -
культивирование клеток на трехмерных подложкахносителях с целью пространственного формирования
клеточного органа или его фрагмента для
трансплантата
Скаффолд (матрица):
трехмерные пористые
или волокнистые
1 ЭТАП- ПОДБОР МАТРИЦЫ
природные полимеры (коллаген,
целлюлоза, хитозан, альгинат, агароза)
синтетические полимеры
(полилактид, полигликолид,
поликапролактон, поливиниловый спирт)
комбинация материалов

114.

Скаффолд (матрица):
природные полимеры (биосовместимость)
Вместе с гидроксиапатитом
–основные компоненты
кости
коллаген: фибриллярный белок, составляющий
основу соединительной ткани организма и обеспечивающий ее прочность и эластичность
недостатки: очень высокая скорость
биодеградации (сшивают), плохие механические
свойства (химическая модификация)
целлюлоза
недостатки: плохая биодеградация из-за отсутствия у человека
специфических ферментов гидролаз для ее расщепления
хитозан
недостатки- низкая механическая прочность

115.

2 ЭТАП- ПОЛУЧЕНИЕ СКАФФОЛДОВ
Методы быстрого прототипирования
формирование трехмерного объекта практически любой формы по
цифровой модели
1. Лазерная
стереолитографияпроцесс
фотополимеризации
Используют жидкий
фотополимер, способный
затвердевать под
воздействием лазерного
излучения.
Скаффолды формируют послойно, первый слой облученного
фотополимера прикреплен к двигающейся платформе, которая после
каждого цикла полимеризации перемещается на высоту одного слоя
для дальнейшей обработки
2. 3D-печать

116.

3 ЭТАП- ПОСАДКА СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК НА
СКАФФОЛДЫ
перед трансплантацией матриц в место дефекта
Стволовые клетки - способны самообновляться, и
дифференцироваться в специализированные клетки
(превращаться в клетки различных органов и тканей).
Доступные источники стволовых
клеток взрослого организма:
клетки костного мозга
клетки жировой ткани
клетки пульпы зуба
Биореактор
способны дифференцироваться
в остеобласты
(клетки костной ткани)
ВКЛЮЧЕНИЕ БИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В СТРУКТУРУ
СКАФФОЛДА
Клиническая медицина- острая нехватка органов для
трансплантации!

117.

СИСТЕМЫ ДЛЯ
ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ
НА ОСНОВЕ
ПОЛИМЕРОВ

118.

НАНОФАРМАКОЛОГИЯ
Обычный способ применения лекарств – инъекции или
таблетки – резко увеличивает их концентрацию не
только в больном, но и в здоровых органах
нежелательные побочные эффекты
НАНОКОНТЕЙНЕРЫ
Наночастица с полостью, содержащая
различные вещества, доставляющая их
к нужной точке
•для перемещения в
организме медикаментов:

119.

Уменьшение эффективной дозы
Понижение токсичности
Направленность действия
Пролонгированность действия
уменьшается число приемов или инъекций;
устраняются колебания концентрации активного
вещества
Возможность использовать высокоэффективные препараты,
применение которых ограничивается из-за большого количества
противопоказаний.
Значительное снижение стоимости лечения.
макромолекулярный клубок
способен аккумулировать
низкомолекулярное вещество
или наночастицы
Препарат
медленно
выделяется из
носителя
!

120.

Набухание - процесс поглощения полимером низкомолекулярной
жидкости, сопровождающийся увеличением массы и объема образца
без нарушения его целостности.
2.
Растворитель
1.
Набухший полимер
(Полимерный гель)
3.
Равновесный
раствор
Растворитель
Полимер
ограниченное набуханиерастворение
останавливается на стадии
набухания
Сшитые или сетчатые
полимеры могут только
ограниченно набухать,
образуя гели
неограниченное
набухание
Ковалентная или
ионная сшивка

121.

Наногели на основе сшитого хитозана
Примеры сшивающих агентов:
Глутаровый
альдегид
Сшивка с помощью
эпихлоргидрина
Эпихлоргидрин
Трудно очистить полностью от
сшивающего агента
Дженипин
(растительного
происхождения)
250-300нм
Ионная сшивка (сульфатами)
Можно повлиять на размер частиц геля, изменив степень полимеризации

122.

Полимерные наногели для доставки лекарств
Полимерная
матрица
Лекарство
Наногель (~сотни нм)
Высвобождение лекарства
Для заполнения достаточно
поместить гель в раствор
лекарственного вещества
Удаление растворителяполучение лекарственной
формы
диффузия
разложение
матрицы
энергия

123.

Заполнение полимерных наногелей лекарственными веществами
лекарство
Электростатические взаимодействия
полимер
связанное
лекарство
расщепляемая
связь
свободное
лекарство
вода,
ферменты
полимер
Ковалентное связывание

124.

Контролируемое
Высвобождение
биоактивных веществ
Набухание геля
Нейтральная среда
уменьшение доли
протонированных
аминогрупп; коллапс
ионно-сшитый
хитозан
Кислая среда
протонирование
аминогрупп, взаимное
отталкивание, набухание
Гель подбирается так, чтобы он начинал набухать и
отдавать лекарства в том месте организма, где это
необходимо

125.

Мицеллы
блоксополимеров
Мицеллообразование
гидрофильная
«корона»
гидрофильный (водорастворимый)
блок
> ККМ
< ККМ
гидрофобный
блок
В разбавленном водном растворе формируют
мицеллы
Мицелла состоит из нескольких макромолекул
гидрофобное
ядро

126.

Мицеллы блоксополимеров
Гидрофобные лекарства могут быть растворены в ядрах, в
то время как «корона» будет гарантировать
растворимость наноконтейнера в водной фазе.
Corona
Если «корона» состоит из блока, который не вызывает
иммунной реакции (ПЭГ), то содержимое мицеллы будет
невидимым для иммунной системы.
ПЭГ (полиэтиленгликоль)
[-CH2-CH2-O-]n
цисплатин
Для направленной доставки
можно присоединить к
поверхности рН чувствительные элементы

127.

Дендримеры
Форма близка к сферической
трехмерные
разветвленные
макромолекулы
регулярного
строения
Размер
1-15 нм
ПЭМ
I
I – ядро, G – генерации или
поколения ветвлений; A, B, C –
дендроны, z –
терминальные (конечные) функциональные
группы; * – узлы ветвлений
Дендример,
состоящий из трех
крон (дендронов),
растущих из одного
корня
монодисперсность; возможность надежного
контроля над размерами, формой и
функциональностью в процессе синтеза
АСМ

128.

Потенциально в медицине носители для направленной
доставки лекарств.
Дендримерыприменение в
медицине
В медицинской диагностике,
как контрастные вещества
в МРТ
В качестве маркеров используют
флюоресцентные метки и
радиоактивные изотопы 3H, 14C,
88Y, 111В и 125I
Ковалентное и
нековалентное связывание
Преимущества- медленное и
постепенное высвобождение ЛП
Недостатки- образование пор
в бислое липидов, токсический
эффект
модификация поверхностных активных
групп, биосовместимые материалы

129.

Полимерные носители для реконструкции тканей
В основе реконструкции тканей лежит морфогенез- процесс
культивирования живых клеток in vitro на синтетической структуре с
последующей пересадкой.
Этапы морфогенеза:
Захват ткани
Извлечение и
размножение клеток
Пересадка клеток с
помощью носителя
Тканево-инженерные конструкции состоят
из двух компонентов
Группы клеток
Материал носитель

130.

Клетки, используемые в тканевой инженерии
Дифференцированные клетки
Это зрелые клетки определенной
ткани, которые могут быть взяты
непосредственно от организма
донора хирургическим путем (клетки
опухолевых тканей, клетки
различных органов, лимфоциты и тд.)
Стволовые клетки
Недифференцированные клетки,
которые имеют способность к
делению, самообновлению и
дифференцировке в различные типы
специализированных клеток под
воздействием конкретных
биологических стимулов.

131.

Требуемые свойства носителей
В идеале носители должны обладать следующими качествами:
• Биосовместимый и биоразлагаемый матрикс с контролируемой кинетикой
разрушения
• Поверхность подходящая для прикрепления, пролиферации и дифференцировки
клеток
• Соединённые и проницаемые поры для обеспечения подачи и отведения
питательных веществ
• Трехмерная пористая структура
• Механические свойства соответствующие месту имплантации

132.

Полимерные устройства для адресной доставки лекарств

133.

Контролируемое высвобождение лекарств
Полимерные системы адресной доставки лекарств используются для
контроля над тем, с какой скоростью и в какое место доставляются
лекарства.
Виды полимерных оболочек
Пленочные покрытия
• Препарат быстро
высвобождается
• Простота в обращении
• Защита от пыли
• Повышение срока годности
Функциональные полимеры
• Контролируемое
высвобождение препарата
• Параметрами высвобождения
можно управлять

134.

Механизмы работы для контролируемого высвобождения лекарств
1) Диффузия
Полимерные пленки, работающие по механизму диффузии пропускают водные растворы из желудочнокишечного тракта в сердцевину таблетки. Скорость диффузии препарата определяется физикохимическими свойствами препарата и мембраны.
Устройства с контролируемой диффузией делятся на два типа:
• Монолитические (состоят из активного фармакологического ингредиента (АФИ) перемешанного с
контролирующим скорость полимером);
• Резервуарные (АФИ + мембрана с микропористой гидрофобной структурой)
2) Эрозия полимеров
Биодеградацией называют процесс расщепления полимерных цепей, приводящее к уменьшению
молекулярной массы. Существует два механизма биодеградации полимеров :
• Поверхностная ( скорость эрозии превышает скорость проникновения воды в объем полимера)
• Объемная (молекулы воды проникают в объем полимера быстрее, чем протекает эрозия)
Высвобождение лекарств из биоразрушимых полимеров может иметь три основных механизма:
• Системы с концевой цепью (активный агент ковалентно связан с основной цепью полимера,
расщипление цепи сопровождается высвобождением АФИ с контролируемой скоростью)
• АФИ содержится в сердцевинном слое, окруженном биоразлагаемой оболочкой
• Равномерная дисперсия препарата в полимере ( высвобождение контролируется процессами
диффузии)
Примеры биоразлагаемых полимеров: полимолочная кислота, полигликолевая кислота и тд.

135.

Примеры систем доставки с контролируемым высвобождением
1) Модифицированное высвобождение
Примером устройства с модифицированным высвобождением являются гидрогели, которые
представляют из себя соединенную сшивками сеть из гидрофильных полимеров. Мембрана
гидрогеля состоит либо из твердой сердцевины, содержащей препарат, либо из матрицы гидрогеля,
в которой препарат содержится в виде раствора. В дегидратированном состоянии гидрогели имеют
стеклообразную консистенцию, но при контакте с водой вода проникает в свободное пространство
между макромолекулярными цепями.
2) Продукты с кишечно-растворимым покрытием
Продукты с таким покрытием остаются интактными в желудке, высвобождая АФИ в верхних
отделах кишечника. Смысл его использования заключается в том, чтобы защитить АФИ от
разрушительного воздействия пищеварительных ферментов и кислой среды желудка, снизит риск
тошноты, доставить лекарство в конкретное место воздействия на слизистой в максимально
высокой концетрации.
Для получения отложенного действия обычно используют анионные
полиметакрилаты.

136.

3) Микросферы
Микросферы состоят из препарата, заключенного в капсулы из полимерной
матрицы относительно медленно высвобождающегося в течении длительного
времени. Полимерная матрица защищает АФИ и позволяет доставлять к месту
воздействия молекулы, помимо этого так как препарат заключен внутри
микросферы, АФИ не находится в контакте с другими микросферами. Одним из
факторов определяющее скорость высвобождения препарата это размер частиц.
4) Импланты
Одно из сфер применений является доставка противораковых препаратов, ибо
многие противораковые препараты имеют короткое время жизни in vivo, в свою
очередь полимерные системы защищают их, обеспечивая контроль за скоростью и
продолжительностью их поступления в организм. Частый недостаток имплантов
является воспалительная реакция на имплант.
Для сведения воспалительных процессов к минимуму нужно:
• Гладко обработанная поверхность
• Структура должна быть схожа с тканью
• Механическая стабильность

137.

Часто используемые полимеры для системы доставки лекарств
В системах адресной доставки чаще используют синтетические полимеры , поскольку их свойства
можно контролировать, так же часто используют сополимеры эфиров метакрилата, так как они не
растворимы во всем диапазоне рН. Примеры:
• Ацефтолат целлюлозы ( устойчив к кислой среде, но растворим в желудочном сокек)
• Поливинилацетат
• Полиангидриды (биосовместимы, биодеградируемые)
• Полиортоэфиры (скоростью разрушения можно управлять с помощью рН)
Ацефтолат целлюлозы
В системах доставки лекарств так же используют природные полимеры , поскольку обладают
высокой биосовмесимостью:
• Гидроксиэтилцеллюлоза
• Гуаровая смола (связующий материал)
• Желатин
Гидроксиэтилцеллюлоза

138.

Характеристики и свойства полимеров
Ряд характеристик полимера является определяющим для поведения системы доставки и
высвобождения активного ингредиента:
a) Молекулярная масса, так как она влияет на свойства полимерной системы доставки
лекарств. Так с увеличением молекулярной массы полимера, повышается и величины
механических параметров.
b) Кристалличность полимеров- плотная упаковка полимерных цепей усиливает
межмолекулярные взаимодействия и полимер становится жестче и тверже.
c) Температура фазового перехода стеклования полимера определяет его поведение при
данной температуре
d) Вязкость- важный параметр особенно в тех случаях когда полимер нужно распрыскивать
на лекарственную форму
e) Гидрофильность/гидрофобность
f) Пористость-влияет на скорость транспорта раствора через полимер

139.

Гидрогели для заключения в них клеток и тканевой
инженерии
Гидрогели представляют собой сшитые полимеры,
способные набухать в воде и образовывать нерастворимую
трехмерную сетку.
• Нерастворимость и трехмерность обусловлена наличием
сшивок между полимерами.
• Благодаря балансу силы упругости со стороны сшитого
полимера и осмотических сил, действующих со стороны
жидкости, сеть находится в равновесии.
• Химический состав и молекулярная масса определяют
плотность сшивок, которая, влияет на набухание и
определяет пористость геля. Так же сшивки приводят к
тому что гидрогели ведут себя как твердое тело.

140.

Характеристики гидрогелей
1) Набухание
Набухание сильно зависит от химической структуры полимера и обратно пропорционально плотности
сшивки. Так, благодаря силам упругости, присутствие воды меняет разницу химического потенциала в
системе.
Наличие химических групп в гидрогелях влияет на набухание.
2) Упругость
Набухшие гидрогели дают упругий ответ на приложенное напряжение, включая упругое растяжение и
сжатие.
Высокая плотность приводит к повышению механической прочности, а так же снижению эластичности
и набухания. По этому оптимальная плотность сшивки в гидрогеле обеспечивает баланс между
эластичностью и прочностью.

141.

Методы получения гидрогелей
1) Ковалентные сшивки
Образование ковалентных сшивок может быть получено методом радикальной
полимеризации, а так же присоединения, конденсации, гамма излучением. Для
начал данной полимеризации обычно требуются модификация полимеров. В
тканевой инженерии часто используют два гидрогеля с ковалентными сшивками
– ПЭГ и гиалуроновую кислоту.
2) Ионные сшивки
Сшивка данного типа образуется в гидрогелях за счет ионных взаимодействий,
чаще всего используют природный полисахарид альгинат. Ионные
взаимодействия слабее, чем ковалентные, и альгинатовые гели подвергаются
быстрому растворению в физиологическом растворе.
3) Физические сшивки
Физические сшивки образуются за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Один из
методов, применяемых для получения биомиметических гидрогелей-это
образование физических сшивок с биологически активными факторами. Факторы
роста, помещенные в гидрогель, сохраняют активность и усиливаю
пролиферацию и дифференцировку клеток.

142.

Требования при заключении клеток
Требования, предъявляемые к гидрогелям при заключении в них клеток, различаются при проведении
экспериментов in vitro и in vivo.
Требования для применения in vitro:
• Способность поддерживать пролиферацию и фенотип клеток
• Пористость, достаточная для получения желаемой плотности пленок
• Транспорт питательных веществ
• Нетоксичность самого материала
Требования для применения in vivo:
• Отсутствие токсичных материалов и продуктов распада, вредных для организма или отдельных
клеток
• Минимальная воспалительная или иммунная реакция на имплантируемый материал
• Достаточная структурная целостность

143.

Применение гидрогелей
1) In vitro
Гидрогели in vitro используют для получения внеклеточной среды, обладающей
заданными свойствами, для изучения трехмерных взаимодействий клетка-клетка. Так
например, хондроциты на двумерных средах подвергаются обратной дифференцировке,
тогда как в трехмерной среде их фенотип сохраняется. Для улучшения регенерации
ткани гидрогели модифицировали биологически активными факторами и сигнальными
пептидами клеточной адгезии.
1) In vivo
Чаще всего гидрогели используют как вместилище для клеток и биологически активных
факторов, при этом конечная цель является поддержка роста и развития здоровой ткани,
а так же ее интеграция в окружающую ткань. В настоящее время гидрогели
применяются in vivo для создания носителей, вводимых в организм в целях вызвать
образование хрящеподобной ткани.

144.

ПОЛИМЕРЫНОСИТЕЛИ
КОНТЕЙНЕРОВ

145.

ВЕЗИКУЛЫ, построенные из фосфолипидов -ЛИПОСОМЫ
МОЛЕКУЛА ФОСФОЛИПИДА
Криогенная просвечивающая
микроскопия
сходство с природными мембранами
клеток по составу
биодеградируемость и биосовместимость,
не подвергаются атаке со стороны
иммунной системы
легкость получения; возможность
изменения состава и размера
для доставки фармакологически активных
веществ: противоопухолевых и
противомикробных препаратов,
ферментов, вакцин и др.

146.

МОДИФИКАЦИЯ ЛИПОСОМ ПОЛИМЕРАМИ
1. Модификация производными
полиэтиленгликоля
[-CH2-CH2-O-]n
(ПЭГ-илирование)
ПЭГ
для повышения устойчивости липидного слоя
для увеличения продолжительности
• циркуляции в кровеносном русле
• Время жизни обычных липосом в кровотоке невелико (от нескольких
минут до нескольких часов)
"липосомы-невидимки"
Полимерная «шуба» затрудняет
адсорбцию антител и других
защитных белков
(“stealth”)
Время жизни в
кровотоке более
2 суток
2. Модификация полимерами, способствующими
слиянию с клетками-мишенями

147.

ЛИПОСОМАЛЬНЫЕ ПРЕПАРАТЫ
для противоопухолевой, противовирусной и
противомикробной терапии

148.

ЛИПОСОМАЛЬНЫЕ ПРЕПАРАТЫ
новая лекарственная формаДоксил (Doxil®)
пэгилированная
липосомальная форма
доксорубицина
O
OH
O
C-CH 2OH
OH
CH 3O
O
OH
CH3
O
HO
NH2
O ДОКСОРУБИЦИН (Dox),
ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЙ ПРЕПАРАТ
Преимущества:
меньшая токсичность препарата (не так активно
воздействует на ткани, не пораженные опухолью)
повышение эффективности лечения ряда раков

149.

Актуальная задача:
концентрирование липосом на носителе
повышение эффективности захвата
липосом клетками
усиление терапевтического
эффекта липосомальных препаратов
создание мультифункциональных
лекарственных композиций с учетом
особенностей лечения конкретного
пациента
Мультилипосомальные
конструкции
Cryo-TEM
Подход: электростатическая
адсорбция липосом на поверхности
носителя
Большое число липосом сконцентрировано в
маленьком объеме

150.

Биодеградируемые
полимерные носители
Электростатическая
адсорбция заряженных
липосом на противоположно
заряженных частицах
носителя
ферменты
Основа-катионная
биодеградируемая частица:
Ионно-сшитый хитозан
Мицеллы блок-сополимеров
полилактида полиэтиленгликоля
Частица хитозана
может связать до
100 липосом
Мицелла ПЛА-ПЭГ
может связать до
20 липосом

151.

Взаимодействие комплексов с клетками.
Доксорубицин (Докс)
Лазерная конфокальная микроскопия
Клетки MCF-7/R.
Комплексы взаимодействуют с
клетками с высвобождением Докс из
липосом
(a) Флуоресцентное изображение,
(b) изображение, полученное в
дифференциальном
интерференционном контрасте.

152.

Стимул-чувствительные системы для
адресной доставки на основе полимеров и
липосом
ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Коллапс геля = разрушение липосом

153.

рH-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
Н+
Н+

154.

ПОЛИМЕРЫ В БИОМЕДИЦИНЕ
РЕГЕНЕРАТИВНАЯ МЕДИЦИНА
СКАФФОЛД-ТЕХНОЛОГИИ
3D-ПЕЧАТЬ
НАНОФАРМАКОЛОГИЯ
СИСТЕМЫ ДЛЯ ДОСТАВКИ
ЛЕКАРСТВ
ХИРУРГИЯ
ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ

155.

Методы стерилизации
Тип метода
Метод
Стерилизующий агент
Паровой
Водяной насыщенный пар под избыточным давлением
Воздушный
Сухой горячий воздух
Инфракрасный
Инфракрасное излучение
Гласперленовый
Среда нагретых стеклянных шариков
Газовый
Окись этилена или ее смесь с другими компонентами
Физический (термический)
Окись этилена или ее смесь с другими компонентами
Окись этилена или ее смесь с другими компонентами
Химический
Плазменный
Пары перекиси водорода в сочетании с их низкотемпературной плазмой
Жидкостный
Растворы химических средств (альдегид-, кислород- и хлорсодержащие)

156.

Деградация биоматериалов

157.

Керамические материалы
• Керамическое изделие - предмет, имеющий… тело кристаллической или частично кристаллической структуры, или
стекла, корпус которого изготовлен из неорганических, неметаллических веществ, либо образуется из расплавленной
массы, затвердевающей при охлаждении, либо формируется и одновременно или впоследствии созревает под
действием тепла» (The American Society for Testing and Materials).
• Ks (гидроксиапатит) = 6,62 × 10–126
• Ks (β-трикальцийфосфат) = 2,07 × 10–33
(а) Кинетика деградации керамики HA и βTCP, имплантированной в доклинических
исследованиях. Остаточный материал
определяют с использованием
гистологического анализа на
некальцинированные срезы.
(b) Восстановление большеберцовой кости
с помощью подхода тканевой инженерии у
человека. Рентгенограммы, полученные
сразупосле (A) через 18 месяцев и (B)
через 5,5 лет после операции

158.

• Стекло – это аморфное неорганическое твердое вещество. Стекло получается при очень быстром
охлаждении вязкого расплавленного материала в твердое состояние без кристаллизации.
Композиционная зависимость (в мас. %) связывания костей, мягких
тканей, биостекол и стеклокерамики.
• Все композиции в области А являются биоактивными и
связываются с костью.
• Композиции в области В являются биоинертными и приводят к
образованию неприлипающей фиброзной капсулы.
• Композиции в области С являются резорбируемыми.
• Регион D ограничивается техническими факторами.
• Область E (соединение мягких тканей) находится внутри
пунктирной линии (Hench, 1991).

159.

(а) Изотермы растворимости фосфатов
кальция при 37°C (Elliot, 1994).
(b) Изотермы растворимости солей в
растворе в зависимости от рН.
Кристалличность. Чем выше кристалличность, тем ниже
кинетика разложения. В конце концов, аморфные
биоматериалы растворяются быстрее, чем кристаллические.
Наличие добавок. Присутствие некоторых добавок
минерального происхождения в структуре CaP может влиять
на кристаллическую решетку и, следовательно, может
ускорять растворение, например, карбонат, силикат или
стронций, добавляемый в ГК.
Физическая структура и геометрия (например, пористость,
гранулы и блоки). Чем больше поверхность, открытая для
среды раствора, тем быстрее биоматериал растворяется
просто потому, что может происходить больше обменов.

160.

Деградация в клеточной среде
• Кинетика физико-химического растворения керамики
СаР. В зависимости от методов синтеза кинетика
растворения может сильно различаться среди CaP с
одинаковым химическим составом. Высвобождение Ca2+
влияет на активность остеокластов; например, выше
определенной концентрации Ca2+ ингибируется
резорбция остеокластов. Структура и кристалличность
CaP также играют роль в кинетике растворения и,
следовательно, также могут определять активность
остеокластов.
• Наличие добавок. Включение карбоната или других
ионов в CaP может стимулировать активность
карбоангидразы, которая, как известно, способствует
секреции кислоты остеокластами in vitro. С другой
стороны, присутствие цинка и фтора в CaP может
ингибировать резорбцию остеокластов in vitro и in
vivo.Особенности поверхности.
• Поверхностная энергия модулирует адгезию
остеокластов in vitro. Шероховатость поверхности и
микропористость, усиливают прикрепление и активность
остеокластов (Barrère et al., 2006).
Остеокласты (ОК) на CaP in vitro и in vivo

161.

Биоразлагаемые полимеры
Обзор важных расщепляемых связей в основной цепи
биоразлагаемых полимеров

162.

(а) Объёмная эрозия, (b) поверхностная эрозия
В полиэфирах существует четыре основных фактора,
определяющих эрозионную диффузию и явления растворения
(Vert, 2005):
1. Константа скорости гидролиза сложноэфирной связи.
2. Коэффициент диффузии воды внутри полимерной матрицы.
3. Коэффициент диффузии фрагментов цепи в полимерной
матрице.
4. Растворимость продуктов деградации (олигомеров) в
окружающей среде.
(а) представление процесса объемной эрозии разлагаемых
полимеров; (b) представление процесса поверхностной
эрозии разлагаемых полимеров

163.

• Разлагаемые биоматериалы подходят в качестве каркаса для тканевой инженерии, поскольку
предотвращаются помехи развитию и росту новой ткани и нежелательные долговременные реакции.
• Разлагаемые биоматериалы для использования в тканевой инженерии должны быть биосовместимыми, а
полученные продукты деградации нетоксичными. Время, необходимое для полной резорбции деградации,
зависит от предполагаемого применения и предпочтительно соответствует образованию функциональной
ткани.
• Разложение биоматериалов in vivo сочетает в себе физико-химическую деградацию (разрыв цепи и
растворение во влажной среде), ферментативную активность и клеточную деградацию (воспаление, реакция
на инородное тело).
• Растворимые продукты деградации биоматериала транспортируются от места имплантации по
лимфатической системе к почкам, которые выводят их из организма.
• Полимеры представляют собой макромолекулы с длинной цепью, образованные ковалентным связыванием
мономеров. Сополимеризация, т. е. получение полимеров из двух или более типов мономеров, часто
используется для настройки их свойств.
• CaPs и BG обладают уникальными свойствами связывания костей, связанными с их механизмами
поверхностной фазовой трансформации, включающими растворение и преципитацию.
• Биокерамика представляет собой (частично) кристаллизованные минералы, напоминающие костный
минерал. Профиль их деградации частично определяется термодинамической растворимостью
кристаллической фазы.
• Нерезорбируемый ГА и резорбируемый β-TCP являются наиболее часто используемыми керамическими
материалами в клиниках, и их можно комбинировать, чтобы подобрать скорость их деградации.
• Наиболее важными разлагаемыми полимерами являются полиэфиры. В присутствии воды разрыв цепи
происходит за счет гидролиза сложноэфирных связей, что снижает молекулярную массу. Образовавшиеся
олигомеры растворяются в окружающей среде или подвергаются дальнейшему гидролизу.
• Более совершенные разлагаемые биоматериалы будут иметь оптимальный баланс между механическими
свойствами и скоростью разложения. Кроме того, включенные функциональные группы будут привлекать
клетки и/или факторы роста, необходимые для формирования ткани.

164.

Стратегии и методы улучшения биосовместимости
Разработка новых материалов
- Большие усилияв области НИОКР
(затраты, риски, время выхода на
рынок)
- Инвестиции в новые процессы
(сертификация)
- Новые профили свойств,
приемка финальных процессов
(время)
- Расширение продуктового
портфеля
- (затраты на маркетинг, хранение)
Регулировка биосовместимости
известными комбинациями
и модификацией поверхности
- Использование одобренных
материалов с известными свойствами
- Меньшее количество тестов
- Быстрая сертификация
- Меньше рисков
- Сырьё доступное на рынке

165.

- Адсорбция белков
- Неидеальный эффект
модификации
- Частичная денатурация и
активация клеток
- Шероховатость
поверхности
- Появление микродоменов
на поверхности
- Неизвестные химические
реакции, изменения в
структуре, деградация

166.

Улучшение биосовместимости поверхности
- Биоидентичные поверхности (предварительная
обработка эндотелиальными клетками или белками
- Модификация поверхности гепарином, коллагеном,
хитозаном
- Ингибирование активации клеток поверхностными
микродоменами или покрытие биосовместимыми
полимерами
- Функционализацияповерхности (гепариноподобными
веществами за счёт SO-, H-, -NHR, -COOH)
- Модификация поверхности (супер-) гидрофильными
слоями или гидрофобными покрытиями

167.

Модификация поверхности гепарином

168.

Гепариноподобные поверхности
Модификация поверхности
или сополимеризация с
гидрофильными
мономерами

169.

Взаимопроникающая сеть
Набухание и
проникновение в
поверхность
Растворы
фотосшивающихся
мономеров
Обработка УФ
Полимеризация
Отмывка и нейтрализация

170.

171.

172.

Самосборка в шахматном порядке
Сборка мембраноподобных многослойныхматериалов
Фиксация на поверхности облучением или фотопрививкой

173.

Составные части
Амфифилов
- Группа с функцией
связывания
- Длинная алкильная цепь
- Функциональная
«головная» группа

174.

Фиксация
путем
прививки и
сшивания

175.

Активация клеток на поверхности
Микродомены с разной
поверхностной энергией
Уменьшающих
деформацию слипшихся
клеток

176.

177.

Применение нано- и микрочастиц
Частицы полисирола покрытые глицидилметакрилатом с
последующей модификацией
- Плазменное напыление
неорганических порошков
- Электростатическое
осаждение
Создание микродоменов
Нанесением порошков

178.

Другие методы модификации поверхности
Физические или физико-химические методы
- Низкотемпературные плазменные методы
- Плазменное напыление, полимеризация в плазме (химическое осаждение
из газовой фазы)
- Физическое осаждение из паровой фазы
- Ионная имплантация
Другие методы переработки полимеров
- Соэкструзия
- Послойное ламинирование

179.

Генерация плазмы в переменном электрическом поле
- СВЧ-разряд с частотой 2,45 ГГц
- Высокочастотный разряд 13,56 МГц или плазма
40 кГц в постоянном электрическом поле
- Коронный разряд

180.

Область применения
- Плазменное травление, очистка
поверхности
- Модификация поверхности
(гидрофилизация,
функционализация
Материалы: полимеры, металлы, керамика
- Реакция электронов с поверхностью
- Разрыв связей под действием УФ-излучения
- Радикальные реакции с углеводородной структурой

181.

Структура полипропилена
Функциональные группы генерируемые в кислородной плазме

182.

- Плазма провоцирует
образование
радикалов О●, N ●, OH ●,
H
- Радикальная реакция с
полимерными цеями
на поверхности
- Формирование в
газовой фазе O3, N2O,
N2O5,HNO2, HNO3
Если газовая фаза содержит HF, SiF4 или
фтороуглероды, образуется гидрофобная
поверхность

183.

Другие эффекты плазменной обработки
Кроме модификации поверхности имеют
место эффекты поверхностной эрозии.
Длительная обработка плазмой может
Привести к повреждению поверхности

184.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)
1. Распыление ионов,
электронов или лазерное
излучение
2. Испарение металла с
мишени
3. Осаждение на подложку

185.

Химическое осаждение из
паровой фазы
В плазменный реактор
подаетсяреактивный газ или
газовая смесь (при умеренном
вакууме).
На подложке формируется
покрытие, происходят
поверхностные реакции
Пример:
В атмосфере метана
происходит формирование
алмазоподобной поверхности
Так же возможно образование
полимера на поверхности

186.

Пламенное напыление
(аналогичное с использованием плазмы = плазменное напыление
воздух
Порошок Горючий газ
(металлы
или
оксиды металлов
подложка
Тепловая энергия горения пламени
Дополнительно: кинетическая
энергия
Порошок взаимодействует с
поверхностью подложки
Частицы спекаются
Образование шероховатой грубой
текстуры
Защита от коррозии
Пример: напыление
гидроксиапатита на
тазобедренные
и зубные металлы

187.

Биоматериалы.
Основные типы

188.

1. Металлические биоматериалы
Факторы определяющие выбор
• физические и механические свойства
• Старение металла
• Биосовместимость

189.

Строение и свойства металлов
Кристаллические решетки металлов
Кубическая объемноцентрированная (о.ц.к.)
а
Элементарная простая кубическая
решетка
с/а = 1, 633
Кубическая гранецентрированная (г.ц.к.)
а
с
Гексагональная плотноупакованная
(г.п.у.)
а

190.

Строение и свойства металлов
Кристаллические решетки металлов
с
а
с>а
Решетка
Обозначение
Координационное число
Простая кубическая
к
К6
Кубическая объемноцентрированная
о.ц.к.
К8
Кубическая
гранецентрированная
г.ц.к.
К12
Гексагональная
плотноупакованная (с/а = 1,633)
г.п.у.
Г12
г
Г6
Гексагональная (с/а ≠ 1,633)
Тетрагональная решетка
Размер кристаллической решетки характеризуется параметрами, или периодами
решетки (длина ребра куба а, Å)
Параметр решетки а и атомный диаметр d связаны соотношениям:
для о.ц.к.
для г.ц.к.
2
3
d =a
d =a
3
2

191.

Строение и свойства металлов
Кристаллические решетки металлов
Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А:
а) объемноцентрированная кубическая (К8); б) гранецентрированная
кубическая (К12); в) гексагональная плотноупакованная (Г12)

192.

Строение и свойства металлов
Реальное строение металлических кристаллов
Монокристаллы тетраэдрической и плоской
формы
Различная ориентация кристаллических
решеток в поликристалле
Строение металла называется
поликристаллическим.
Кристаллы неправильной формы в
поликристаллическом агрегате называются
зернами, или кристаллитами.

193.

Строение и свойства металлов
Реальное строение металлических кристаллов
Точечные дефекты внутренней структуры
Схема точечных дефектов
вакансия
замещенный атом
внедренный атом

194.

Строение и свойства металлов
Реальное строение металлических кристаллов
Точечные дефекты внутренней структуры
Модели
Френкеля
Шоттки
4
1
3
5
2
6
9
7
10
11
8
1, 9 – смещенные атомы после внешнего воздействия, например радиационного (11);
2, 10 – вакансии, образующие с дислоцированными ионами (1, 9) пары Френкеля;
3 – атом, покинувший поверхность; 4-8 – лифт атомов на поверхность и
перемещение вакансий вглубь.

195.

Строение и свойства металлов
Реальное строение металлических кристаллов
Линейные дефекты внутреннего строения
Линейные дефекты структуры материала – дислокации.
Краевая дислокация
Винтовая дислокация
Край лишней полуплоскости
называется экстраплоскость.
Расстояние от центра дефекта до места решетки
без искажения принимают равным ширине
дислокации.

196.

Строение и свойства металлов
Реальное строение металлических кристаллов
Линейные дефекты внутреннего строения
Перемещение дислокаций в кристаллической решетке
t
M
I
N
I
M
II
II
I
M
N
N
II
t
b
t
t
M
N
M
N
M
N

197.

Строение и свойства металлов
Реальное строение металлических кристаллов
Линейные дефекты внутреннего строения
Энергия искажения кристаллической
решетки характеризуется вектором
Бюргерса.
В
C
M
N
D
А
Разница BC – AD = b – величина
вектора Бюргерса.
Плотность дислокаций – суммарная длина
дислокаций в сантиметрах, приходящихся
на 1 см3. Плотность дислокаций - ρ [см-2].

198.

Строение и свойства металлов
Дислокационные структуры в металлах и сплавах

199.

Строение и свойства металлов
Внутренняя структура зерна
Модель размещения атомов
в объеме и на границе зерна
γзерно >
5°
γблок < 1°
а – структурные элементы внутри зерна; 1 – блок, полигон, фрагмент; 2 – область
когерентного рассеяния; 3 – границы зерна; 4 – субзерно; 5 – субграница;
б – разориентированность объемов внутри зерна; γ - угол разориентировки.

200.

Строение и свойства металлов
Зеренная структура металлов и сплавов
х250
х500
х250
х20000

201.

Строение и свойства металлов
Методы изучения строения материалов

202.

Строение и свойства металлов
Основные положения теории рекристаллизации
Кристаллизация – процесс перехода из жидкого
состояния в твердое, с образованием кристаллической
решетки, возникновение кристаллов.
Условия кристаллизации металлических материалов
2
1
Кристал
n
Температура
Свободная энергия F
Ж идкость
Тs
Tn
Тs
Температура
Характер изменения
свободной энергии жидкого и
твердого состояний с
температурой
Время
Кривые процесса перехода
металла из жидкого состояния в
кристаллическое
Ts – равновесная или
теоретическая
температура
кристаллизации
Фактическая
температура
кристаллизации –
температура, при
которой практически
начинается
Величина или степень
кристаллизация
переохлаждения –
разность между
теоретической и
фактической
температурами
кристаллизации
Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже равновесной температуры
кристаллизации
Перенагревание – превращение из кристаллического состояния в жидкое

203.

Строение и свойства
металлов
Основные положения теории рекристаллизации.
Механизм процесса кристаллизации
1с
2с
3с
4с
5с
6с
Схема процесса образования кристаллов путем зарождения
центов кристаллизации и их роста

204.

Строение и свойства
металлов
Основные положения теории рекристаллизации.
Механизм процесса кристаллизации.
Скоростью зарождения центров
кристаллизации
80
60
40
20
1
2
3
4
5
Время, с
Кинетическая кривая процесса
кристаллизации
6
7
Скорость
кристаллизации, мм /мин
Число центров, мм с-3 -1
100
0
Скоростью роста кристаллов
Свободная энергия
Уменьшение
Прирост
Степень превращения, %
Скорость всего
процесса кристаллизации
количественно
определяется
С.К.
Ts
rk
Ч.Ц.
0
Величина переохлаждения, n
Размер
зародыша
rk – критический размер зародыша минимальный размер способного к росту
зародыша, такой зародыш называется
устойчивым
С

205.

Строение и свойства
металлов
Основные положения теории рекристаллизации.
Формы кристаллических образований.
Схема дендритных кристаллов
Особенности строения стального
слитка

206.

Строение и свойства
металлов
Превращения в твердом состоянии
Аллотропические формы
металлов
Метал
л
Аллотропичес
кие формы
Интервал
температур
устойчивого
состояния, 0С
Кристаллическа
я решетка
о.ц.к
о.ц.к
г.ц.к
Fe
α
β
< 911
1392-1539
911-1392
Co
α
β
< 450
450-1480
г.п.у
г.ц.к
Sn
α
β
< 18
18-232
решетка алмаза
о.ц.т.
Mn
α
β
γ
δ
< 700
700-1079
1079-1143
1143-1244
кубическая, сложная
многоатомная
г.ц.т
о.ц.к
Ti
α
β
< 882
882-1660
г.п.у
о.ц.к
Полиморфизм
(аллотропия)существование одного
металла в нескольких
кристаллических
формах.
Температура
полиморфного
(аллотропического)
превращения –
температура, при
которой осуществляется
переход из одной
модификации в другую.
Полиморфные
(аллотропические)
модификации –
различные
кристаллические формы
одного вещества.

207.

Строение и свойства
металлов
Превращения в твердом состоянии
Полиморфные превращения
железа
Фрагмент диаграммы состояния Fe-C
1539
A
1392
1400
Ж идко сть+
аустенит
N
α(δ)
Ж идко сть
Ж идко сть+цементит
1200
Аустенит
1100
1200 (первичный)
1147 °С
E
910
1000
Аустенит+
цементит+
+ледебурит
G
Аустенит+
+феррит
700
P
600
0
S перлит+
+цементит
0,8 1
α(β)
Феррит +
перлит
800
768
K
Перлит+
цементит+
+ледебурит
2,14
911
цементит+ледебурит
Аустенит+
+цементит
(II)
727 °С
Феррит
γ
C
1000
феррит+
+цементит
(третичный)
Немагнитно
1300
цементит+ледебурит
3
4 4,3
600
5
400
6
6,67 %C
α
τ, мин
Магнитное
Температура, °С
1539
B
1500
1400
К р и в а я о х л а ж д ен и я ж ел еза
,t, C

208.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Упругая и пластическая деформация. Реальная прочность
металлов.
ДЕФОРМАЦИЯ
упругая
– исчезает после снятия нагрузки
пластическая
– остается после снятия нагрузки
(линия ОА и ее продолжение)
В
σВ
А
σ
σ0,2
σА
О
в
Механические свойства металлов:
Жесткость металла – наклон прямой ОА
Модуль упругости Е = σ / ε
σA – напряжение, соответствующее моменту
появления пластической деформации
σ0,2 – условный предел текучести – напряжение,
вызывающее остаточную деформацию, равную
0,2 % от длины образца (изделия)
σВ – предел прочности, соответствует
максимальному напряжению, достигнутому при
растяжении
Пластичность металла - относительное
удлинение δ (или относительное сужение ψ) величина пластической деформации,
предшествующая разрушению
Вязкость металла – площадь под кривой ОАВ
пропорциональна работе, затраченной на

209.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Упругая и пластическая деформация. Реальная прочность металлов.
Типичные виды кривых деформации
σ
σ
Z
предел текучести
σТ
наличие площадки
(зуба)текучести
0
а
σ
Z
А
Аз
Ар
σ0,2 – условный σТ – физический
0
ε
А з пл
А з упр
0’’
σ
А
0’ ε
б
Z
A полн = АЗ + АР ,
АР – работа
Аз
распространения
трещины
АЗ – работа
зарождения трещины
Ар
вязкое
разрушение
0
в
Аз
хрупкое
разрушение
0
ε
г
ε

210.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Упругая и пластическая деформация. Реальная прочность металлов.
Механизмы упругой и пластической деформации
Упругая деформация - изменение расстояния между атомами под действием внешних сил
нормальной упругости (модуль Гука) Е = 2*104кгс/мм2
Модуль
касательной упругости (модуль Юнга)G=0,8*104кгс/мм2
Механизм пластического сдвига
τ
M
Ι
N
Ι
M
N
ΙΙ
ΙΙ
Ι
M
σсд = a G
b 2π
N
ΙΙ
а – межатомное расстояние в
направлении скольжения,
b – межплоскостное расстояние
τ
Дислокационный механизм пластической деформации
b
M
τ
τ
N
M
N
M
N
⊥ – дислокация

211.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Упругая и пластическая деформация. Реальная прочность металлов.
Теоретическая
прочность
Прочность усов
Движение дислокаций – способность материала
пластически деформироваться, затруднение движения –
реальный способ повышения прочности материала
Прочность
С п о с о б ы упрочнения
Механический наклеп
Реальная прочность
материалов
Металлы
упрочненные
Чистые металлы
Плотность дислокаций и других искажений
График зависимости между реальной
прочностью и плотностью дислокаций
Термическая обработка
Легирование
Упрочнение
дисперсными фазами

212.

Строение и свойства
Механические свойства и методы ихметаллов
определения.
Разрушение.
Долговечность – способность материала сопротивляться
разрушению длительное время
Надежность – сопротивление материала мгновенному
разрушению
Прочность
– сопротивление материала
деформации
σ
разрушен
ие
σ
σ
r
l
σ
r
l
r
r
l
l
хрупкое
трещина
К= 2
/l
er
острый
надрез
“мягкий”
надрез
острый
надрез
К – концентрация напряжений
l – полудлина дефекта
r - радиус закругления в вершине
вязкое

213.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Разрушение.
Порог хладноломкости – температурный интервал изменения
характера
разрушения
В,
%
100
выше Тв 100% вязкий излом
Порог
хладноломкости
50
ниже Тн 100% хрупкий
излом
Т50 - 50 % хрупкий,
50 % вязкий излом
0
ан
ар
ан
ар
Тн
Т50
Тв
Температура
Положение порога
хладноломкости
характеризует
сопротивление хрупкому
разрушению
Положение величины ар
характеризует
сопротивление вязкому

214.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Методы определения механических свойств.
Испытания на растяжение
P
Р
Р
PВ
PТ
1. Определение физического предела
текучести:
σ Т = РТ / F0 ,
где F0 - площадь поперечного
сечения образца.
2. Определение предела прочности:
σ В = Рmax / F0 .
3. Определение относительного
удлинения после разрыва образца:
δ=
LК-l0
100.
L0
4. Определение относительного
сужения поперечного сечения
после разрыва:
ε
ψ=
F К-F 0
100.
F0

215.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Методы определения механических свойств.
Испытания на растяжение

216.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Методы определения механических свойств.
Измерение твердости
Метод
Бринелля
HB
Р
D
Метод
Роквелла
Метод
Виккерса
HRA, HRC, HRB
Р0
Р1
Р0
}
h0
P
HV
P
Р0
h
d
d
HB, HRB – мягкие материалы
HRC – твердые материалы
HRA, HV – тонкие слои
(покрытия)

217.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Методы определения механических свойств.
Измерение твердости

218.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Методы определения механических свойств.
Измерение ударной вязкости

219.

Строение и свойства
металлов
Механические свойства и методы их определения.
Методы определения механических свойств.
Определение ударной вязкости
KC = K/S
K – работа затраченная на разрушение;
S – начальная площадь поперечного
сечения образца

220.

Зависимость напряжения от относительного удлинения

221.

Влияние маршрута деформирования на эволюцию
структуры чистого алюминия
После первого прохода в
заготовке формируются
малоугловые ячейки в виде
деформационных полос.

222.

Влияние маршрута деформирования на эволюцию
структуры чистого алюминия
маршрут В
маршрут А
маршрут С

223.

Влияние числа проходов на структуру:
1 проход
Ячеистая
дислокационная
структура
Полосовая
структура
Полосы
сброса

224.

Влияние числа проходов на структуру:
2 прохода

225.

Структура зерен поликристалла и их
границы
39

226.

Гексагональные зерна с границами зерен (ГЗ)
и т ройными ст ыками
40

227.

Схематическое представление наноструктурного материала со средним размером
зерен около 100 нм, в которых вблизи неравновесных границ зерен формируются упругоискаженные области (а) и зернограничных дефектов и искажений кристаллической
решетки в наноструктурном материале с размером зерен 10...20 нм (б)
(треугольники разного размера и ориентации обозначают дисклинации различной мощности и знака)
Р.З. Валиев, И.В. Александров, 2000
41

228.

ДИАГНОСТИКА
МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

229.

ОДНООСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

230.

l0
Образец для испытаний на
одноосное растяжение
l0 = 5,65 F0 «Короткие» образцы
l0 = 11,3 F0
«Длинные» образцы
l0 = 5d 0
l0 = 10d 0

231.

Схема универсальной
испытательной
машины:
1 – образец,
2 – нагружающее
устройство,
3 – датчик деформации,
4 – датчик нагрузки,
5 – диаграммный прибор

232.

Типы первичных кривых растяжения

233.

Характерные точки на диаграмме растяжения, по
которым рассчитывают прочностные характеристики

234.

Полоса
ЧерноваЛюдерса

235.

Характерные точки на диаграмме растяжения, по
которым рассчитывают прочностные характеристики

236.

Истинная диаграмма растяжения

237.

ИСПЫТАНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ

238.

Схема изгиба сосредоточенной силой (а)
и двумя симметричными нагрузками (б)
с эпюрами изгибающего момента М
1,5Fmax l
σ =
2
bh
и
В

239.

ДИАМЕТРАЛЬНОЕ СЖАТИЕ

240.

Схема испытания на
растяжение методом
диаметрального
сжатия
2P
σ=
πdh

241.

НАГРУЖЕНИЕ ВНУТРЕННИМ
ДАВЛЕНИЕМ

242.

Схема нагружения
внутренним
давлением

243.

ДИАГНОСТИКА ТВЕРДОСТИ,
МИКРО- И НАНОТВЕРДОСТИ

244.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
Скорость
приложения нагрузки
Способ
приложения нагрузки
Статические
Вдавливание
Динамические
Царапание

245.

Требования к качеству поверхности
Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины,
вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены.
Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем
выше требуется чистота поверхности и тем более
строго нужно следить, чтобы свойства поверхностного
слоя не изменились вследствие наклепа или разогрева
при шлифовании и полировке.

246.

При постоянной
отпечатка
нагрузке
Р
линейный
размер
d=bτn,
где τ - время выдержки индентора под нагрузкой; b, n
– коэффициенты, зависящие от свойств материала и
величины Р.

247.

Определение твердости при
вдавливании шарика (по Бринеллю)

248.

Параметры индентора:
Шарик диаметром 10 мм, реже 2,5 и 5 мм.
Индентор изготавливают из закаленной стали типа
ШХ15 с твердостью не менее 8500 МПа.
Тестируемый материал:
Методом Бринелля можно испытывать материалы
с твердостью от НВ 8 до НВ 450.

249.

Схема
напряженного
состояния в зоне
пластической
деформации
(заштрихована)
при определении
твердости
по
Бринеллю

250.

πD
2
2
HB = P / F = P /
D − D − d
2
2/π
2
HB = P / D
1 − 1 − (d / D )2
F = πDh

251.

Схема прибора
ТШ-2 для
определения
твердости по
Бринеллю

252.

Определение твердости
при вдавливании пирамиды
(по Виккерсу)

253.

Параметры индентора:
Алмазный индентор в форме четырехгранной
пирамиды с углом при вершине α≈136°
Вычисление твердости:
F=(d2/2)(1/sinα/2)
HV = (2Рsinα/2)/d2=1,854P/d2

254.

Относительно небольшие нагрузки и малая глубина
вдавливания
индентора
обусловливают
необходимость
более
тщательной
подготовки
поверхности, чем при измерении твердости по
Бринеллю. Образцы для замера твердости HV, как
правило, отполированы, и их поверхность свободна от
наклепа.

255.

Схема прибора
ТП для
определения
твердости по
Виккерсу

256.

Определение твердости при
вдавливании шарика или конуса с
предварительным нагружением (по
Роквеллу)

257.

Основные шкалы твердости
по Роквеллу
Шкала
Индентор
Нагрузка,
кгс
А
Алмазный конус
с углом 120° при вершине
60 кгс
В
Шарик диаметром 1/16
дюйма из карбида
вольфрама (или
закаленной стали)
100 кгс
С
Алмазный конус
с углом 120° при вершине
150 кгс

258.

HRC(HRA) = 100-е,
HRB=130 – е,
где е=(h-h0)/0,002
Схема измерения твердости по Роквеллу

259.

Схема
прибора
типа ТК для
измерения
твердости
по Роквеллу

260.

Микротвердость

261.

Параметры индентора:
Алмазный индентор в форме четырехгранной
пирамиды с углом при вершине α≈136°
Нагрузки:
0,05-5 Н
Вычисление твердости:
Нµ=1,854·105P/d2
где Р — нагрузка, Н;
d-диагональ отпечатка, обычно 7-50 мкм;
d2/1,854 - площадь боковой поверхности
полученного пирамидального отпечатка

262.

Прибор ПМТ-3 для измерения
микротвердости:
а - общий вид;
б – схема механизма нагружения

263.

Схема центровки прибора ПМТ-3

264.

Нанотвердость

265.

Схема метода наноиндентирования (а) и кинетика
изменения нагрузки Р(t) и смещения индентора h(t) при
его вдавливании в поверхностный слой твердого тела (б):
τup – длительность фазы роста силы внедрения; τdown –
длительность фазы разгрузки

266.

Анализ диаграммы нагружения по методу Оливера-Фарра
hr - глубина остаточного
отпечатка;
he - упругое восстановление;
hp - глубина остаточного
отпечатка при максимальной
нагрузке на индентор;
ha - упругий прогиб поверхности
образца;
hmax - максимальная глубина
отпечатка при максимальной
нагрузке Ртах,
hcr - ползучесть при Р = const;
Wp - работа пластической деформации при формировании отпечатка;
We - работа упругой деформации;
dP/dh = S- жесткость в контакте индентор - образец

267.

Схема формирования отпечатка индентора Берковича
при наноиндентировании

268.

Р=πа/(Еractgα) (3.9),
где α - полуугол при вершине остаточного отпечатка; а - радиус пятна контакта, а
величина actgα соответствует истинной глубине погружения индентора hp. С
учетом этого из формулы (3.9) следует
P=πa/2Erhp.

269.

Влияние формы кончика индентора на изменение твердости по
глубине отпечатка:
1 - без учета сферического притупления радиуса Rs кончика
индентора;
2 - с учетом сферического притупления

270.

Наноиндентирование решает следующие задачи:
-измерение твердости и модуля Юнга;
-выявление сопротивления чисто упругому локальному деформированию
в наноконтакте;
-выявление критической нагрузки перехода из чисто упругой в упругопластическую область при локальном деформировании;
-определение упругопластических характеристик хрупких материалов
(керамики, минеральные и металлические стекла, карбиды, нитриды,
бориды металлов…);
-определение коэффициента вязкости разрушения К1с и энергии
разрушения по скачкам на P-h-диаграммах;
-моделирование процессов усталости и износа в приповерхностных
слоях путем многократного нагружения одной и той же области или
нанесения наноцарапин;
-оценка пористости материала;
-оценка анизотропии механических свойств;
-определение толщины, степени адгезии, механических и
механохимических свойств тонких слоев и покрытий;
-оценка величины и распределения внутренних напряжений;
-выявление причин неустойчивости пластического течения.

271.

272.

273.

БИОКЕРАМИКА

274.

Bioceramics
• The class of ceramics used for repair and
replacement of diseased and damaged parts of the
musculoskeletal system are referred to as
bioceramics.
Ceramics are refractory polycrystalline compounds;
• Inorganic
• Hard and brittle
• High compressive strength
Applications:
• Orthopaedic load-bearing coatings
• Dental implants
• Bone graft substitutes
• Bone cements

275.

• Types of Bioceramics
• • Bioinert
• • Bioactive
• • Bioresorbable

276.

277.

278.

• Bioinert
• • Maintain their physical and mechanical
properties
• while in host.
• • Resist corrosion and wear.
• • Have a reasonable fracture toughness.
• • Typically used as structural-support implant
such as
• bone plates, bone screw and femoral heads.

279.

• Bioactive
• • Direct and strong chemical bond with tissue.
• • Fixation of implants in the skeletal system.
• • Low mechanical strength and fracture
toughness.
• • Examples: Glass ceramic , Dense nonporous
glasses

280.

• Bioresorbable (Biodegradable)
Chemically broken down by the body and degrade.
The resorbed material is replaced by endogenous
tissue.
• Chemicals produced as the ceramic is resorbed must
be able to be processed through the normal
metabolic pathways of the body without evoking any
deleterious effect.
• Synthesized from chemical (synthetic ceramic) or natural
sources (natural ceramic).

281.

282.

Bioceramics and bioglasses are ceramic materials that
are biocompatible.Bioceramics are an important subset of
biomaterials. Bioceramics range in biocompatibility from the
ceramic oxides, which are inert in the body, to the other
extreme of resorbable materials, which are eventually
replaced by the body after they have assisted repair.
Bioceramics are used in many types of medical procedures.
Bioceramics are typically used as rigid materials in surgical
implants, though some bioceramics are flexible. The ceramic
materials used are not the same as porcelain type ceramic
materials. Rather, bioceramics are closely related to either the
body's own materials or are extremely durable metal oxides.

283.

Bioceramics' properties of being anticorrosive, biocompatible,
and aesthetic make them quite suitable for medical
usage. Zirconia ceramic has bioinertness and noncytotoxicity.
Carbon is another alternative with similar mechanical
properties to bone, and it also features blood compatibility,
no tissue reaction, and non-toxicity to cells. None of the three
bioinert ceramics exhibit bonding with the bone. However,
bioactivity of bioinert ceramics can be achieved by forming
composites with bioactive ceramics. Bioglass and glass
ceramics are nontoxic and chemically bond to bone. Glass
ceramics elicit osteoinductive properties, while calcium
phosphate ceramics also exhibit non-toxicity to tissues and
bioresorption.

284.

285.

Advantages and Disadvantges of Bioceramics
Advantages
• • Biocompactible
• • Wear Resistant
• • Light Weight
Disadvantages
• • Low Tensile Strength
• • Difficult to Fabricate
• • Low Toughness
• • Not Resilient

286.

Ceramics are now commonly used in the medical fields as
dental and bone implants. Surgical cermets are used
regularly. Joint replacements are commonly coated with
bioceramic materials to reduce wear and inflammatory
response. Other examples of medical uses for bioceramics
are in pacemakers, kidney dialysis machines, and
respirators. The global demand on medical ceramics and
ceramic components was about U.S. $9.8 billion in 2010. It
was forecast to have an annual growth of 6 to 7 percent in
the following years, with world market value predicted to
increase to U.S. $15.3 billion by 2015 and reach U.S. $18.5
billion by 2018.
Cermet

287.

Aluminia oxide
Applications
In orthopedics:
femoral head
bone screws and plates
porous coatings for femoral stems
porous spacers (specifically in revision surgery)
knee prosthesis
dental: crowns and bridges

288.

Inert Ceramics: Zirconia, ZrO2
• Zirconia is a biomaterial that has a bright future because
of its high mechanical strength and fracture toughness.
Zirconia ceramics have several advantages over other
ceramic materials due to the transformation toughening
mechanisms operating in their microstructure that can
be manifested in components made out of them. The
research on the use of zirconia ceramics as biomaterials
commenced about twenty years ago and now zirconia is
in clinical use in total hip replacement (THR) but
developments are in progress for application in other
medical devices.

289.

• Fabrication:
• • Obtained from the mineral zircon
• • Addition of MgO, CaO, CeO, or Y2O3 stabilize tetragonal
• crystal structure (e.g. 97 mol%ZrO2 and 3 mol%Y2O3)
• • Usually hot-pressed or hot isostatically pressed
• Applications:
• • Orthopaedics: femoral head, artificial knee, bone screws
• and plates, favored over UHMWPE due to superior wear
• resistance
• • Dental: crowns and bridges

290.

The inorganic phase of the bone tissue is primarily composed of calcium phosphates. A
significant influence in bone tissue regeneration is given to phosphate salts because their
physical, chemical and structural properties are very similar to those of bone tissue. During
the 1920’s these materials were available only as powders and they were used purely as
filling materials. It was soon found, however, that they promote the formation of new bone
tissue, particularly when the atomic ratio for these salts. Success of calcium phosphates in
vivo implants depends on several factors, but very important ones are the Ca/P atomic
ratio, the porosity and the crystalline structure.
Uses ;
repair material for bone damaged trauma or disease
void filling after resection of bone tumours
repair and fusion of vertebrae
repair of herniated disks
repair of maxillofacial and dental defects
ocular implants
drug-delivery

291.

• Bioactive Ceramics: Glass Ceramics
Bioactive: capable of direct chemical bonding with
• the host biological tissue
Glass:
• • an inorganic melt cooled to solid form without
• crystallization
• • an amorphous solid
• • possesses short range atomic order

292.

• Bioglass
Bioglasses are interesting versatile class of materials and
structurally all silica-based glasses have the same basic
building block - SiO4. Glasses of various compositions can
be obtained and they show very different properties.
Bioglasses have also found a place in prosthetics. These
bioglasses are embedded in a biomaterial support to
form prosthetics for hard tissues. Such prosthetics are
biocompatible, show excellent mechanical properties
and are useful for orthopedic and dental prosthetics.

293.

СВОЙСТВА
НАНОПОРОШКОВ

294.

Размер частиц и
гранулометрический состав
Гранулометрический состав порошка –
количественное содержание массы частиц в
определенных фракциях по отношению к
общему количеству порошка
Для определения гранулометрического состава
порошка используют:
- ситовый метод анализа
- методы весовой и фотоседиментации
- микроскопический метода анализа

295.

Размер частиц и
гранулометрический состав
Ситовый метод основан на просеивании пробы
через набор сит, взвешивании отдельных фракций и
расчете их процентного содержания.
Данный
метод
позволяет
выявить
размеры частиц >40 мкм.
Специальные микропрецизионные сита расширяют
область применения ситового анализа до частиц
размером ~5 мкм.
На результаты ситового анализа влияют свойства
просеиваемого материала – форма частиц,
гранулометрический
состав,
склонность
к
агломерации.

296.

Размер частиц и
гранулометрический состав
Седиментация - направленное движение
частиц в поле действия гравитации или
центробежных сил вместе с жидкостью или
газом. Скорость седиментации зависит от
массы, размера, формы и плотности вещества
частицы, а также от вязкости и плотности
среды, а также от ускорения силы тяжести и
действующих на частиц центробежных сил.

297.

Размер частиц и
гранулометрический состав
Методы весовой и фотоседиментации
используются для выяснения гранулометрического
состава мелких порошков с размером частиц
0,5-40 мкм
При весовой седиментации определяют
седиментационными весами массу осадка в
зависимости от времени осаждения.
При фотоседиментации скорость оседания частиц
вычисляют по скорости изменения оптической
плотности суспензии порошка.

298.

Форма частиц
Форма частиц
Метод получения
сферическая
распыление
губчатая
восстановление
осколочная
дендритная
измельчение в
шаровой мельнице
измельчение в
вихревой мельнице
электролиз
каплевидная
распыление
тарельчатая

299.

Форма частиц
Форма частиц оказывает влияние на:
технологические
свойства порошков
насыпной вес
текучесть
прессуемость
технологические параметры процесса
получения порошковых материалов
свойства
порошковых
материалов
плотность
прочность
пластичность

300.

Плотность частиц
Различают
истинную (пикнометрическую) и
теоретическую плотность
Пикнометрическая плотность
- плотность частицы порошка,
учитывающая наличие в частицах
порошка примесей, закрытой
пористости, дефектности
кристаллической решетки и другие
факторы.
Пикнометр

301.

Насыпная плотность
Насыпная плотность - масса единицы объема
порошка при свободной насыпке.
Насыпной объем (величина, обратная насыпной
плотности) - объем, занимаемый единицей массы
порошка при его свободной насыпке.
Плотность утряски - отношение массы порошка к
величине нового уменьшенного объема
Насыпная масса порошка — масса, приходящаяся
на единицу объема при свободной засыпке

302.

Удельная поверхность
Удельная поверхность порошка - сумма
наружных поверхностей всех частиц, имеющихся
в единице его объема или массы (т.е. отношение
площади свободной поверхности к массе).
Для измерения удельной поверхности порошка
применяют метод адсорбции или используют
данные по газопроницаемости.
Реальная (действительная) поверхность частиц
всегда
больше
рассчитанной
из-за
их
шероховатости

303.

Гомогенность
порошковых смесей
Однородность порошковой смеси определяют
аналитически по химическому составу нескольких
одинаковых по массе или объему проб, взятых в
различных частях порошковой смеси.

304.

Текучесть
Текучесть порошковых смесей характеризует
способность порошка с определенной скоростью
вытекать из отверстий.
Текучесть выражают числом секунд, за которое
50 г порошка вытекает через калиброванное
отверстие диаметром 2,5 мм конусной воронки.
Текучесть зависит от удельной поверхности и
условий трения.

305.

Прессуемость
Прессуемостью - способность порошков и
порошковых смесей под влиянием сжимающих
внешних усилий приобретать и удерживать форму
заготовок, соответствующую внутренней форме и
размерам пресс-формы.
Уплотняемость - способность порошка изменять
начальную плотность укладки частиц в процессе
прессования.
Формуемость - способность порошка сохранять
форму после уплотнения без трещин и осыпания
кромок.

306.

СВОЙСТВА
ПРЕССОВОК

307.

Плотность прессовки
Основная задача формования:
получение
большей
плотности,
равномерно
распределенной по всему объему заготовки.
Неравномерность плотности порошковых
заготовок вызвана:
-трением частиц порошка между собой,
-трением частиц порошка о стенки пресс-формы,
-геометрической формой изделия,
-гранулометрическим составом порошков,
-скоростью приложения давления формообразования
и т. д.

308.

Прочность прессовки
Прочность прессовок должна быть такой, чтобы
они выдержали последующие технологические
операции (транспортировку, спекание и т. д.).
Большое влияние на прочность прессовок
оказывает величина удельного давления: чем выше
давление прессования, тем выше прочность.
Однако применение излишне высоких давлений
приводит к образованию расслойных трещин.

309.

Прочность прессовки
Спрессованные образцы размером 30×10×5 мм с
относительной плотностью 75 % должны выдержать
при изгибе напряжение не менее 6 МПа (ГОСТ
25282-82, СТ СЭВ 2288-80).
Предел прочности прессовки
формуле
9,81 ⋅ 3Р ⋅ l
σи =
вычисляют
по
оп
2
2b h
где Р — усилие в момент излома; lоп — расстояние
между опорами, мм; b - толщина, h — ширина
образца, мм.

310.

СВОЙСТВА
ПОРОШКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ

311.

Плотность материала
Все
технологические
факторы
(давление
прессования,
температура
и
длительность
спекания, атмосфера спекания), положительно
влияющие на увеличение плотности порошкового
материала,
улучшают
его
прочность
и
пластические свойства при растяжении.
Плотность или удельную массу пористых тел
простой
формы
определяют
путем
геометрического
измерения
их
объема
и
взвешивания.

312.

Плотность материала
Исследуемое тело дважды взвешивают: на
воздухе и погруженным в какую-либо жидкость
(чаще всего воду). Если масса тела на воздухе
равна Р1 а в жидкости Р2, то (P1 - P2)—масса
вытесненной жидкости. Зная удельную массу
жидкости γж, можно легко вычислить объем тела:
V=
P1 − P2
γж
Тогда плотность тела
P1γ ж
Р1
γт = =
V Р1 − Р2

313.

Плотность материала
Так
как
порошковые
материалы
имеют
определенное
количество
пор,
то
после
взвешивания на воздухе для предотвращения
попадания жидкости в поры изделие покрывают
парафином и вновь взвешивают. Плотность
рассчитывается по формуле
Р1γ ж
γт =
Р2 − Р3
где P1 и Р2 — масса образца на воздухе до и после
пропитки парафином соответственно; Р3 — масса
пропитанного парафином образца в жидкости.

314.

Пористость материала
Пористость - совокупная характеристика размеров
и количества пор в твёрдом теле.
В материалах различают следующие виды пор:
-открытые (пористость По),
-тупиковые (пористость Пт),
-закрытые (пористость Пз).

315.

Пористость материала
Открытая пора сообщается с поверхностями
пористого тела и участвует в фильтрации жидкости
или газа при наличии градиента давления на
пористом теле. Открытую пористость определяют
отношением объёма открытых пор образца (пор,
насыщаемых
жидкостью
при
проведении
испытаний) к объёму образца.
Закрытая пора не сообщается с поверхностью
пористого тела и не участвует в фильтрации
жидкости
или
газа.
Закрытую
пористость
определяют как отношение объёмов закрытых пор
и материала, выраженное в процентах.

316.

Пористость материала
Часть
пор
соединяется
только
с
одной
поверхностью пористого тела, образуя тупиковую
пористость.
Тупиковые
(полуоткрытые
или
полузакрытые) поры при фильтрации частично
заполняются жидкостью, но не влияют на
проницаемость пористого материала.
Общую пористость определяют отношением
суммарного объёма закрытых, тупиковых и
открытых пор образца к его объёму.

317.

Механические свойства
Механические свойства
Пористость
Температура
формования
Наличие и условия
последующей
термической обработки
Величина контакта
между частицами
Физико-химические
характеристики
порошков
Продолжительность
спекания

318.

Механические свойства
Основные шкалы твердости по Роквеллу
Нагрузка,
Шкала
Индентор
кгс
Алмазный конус
А
60 кгс
с углом 120° при вершине
Шарик диаметром 1/16 дюйма
из карбида вольфрама (или
В
100 кгс
закаленной стали)
Алмазный конус
150 кгс
С
с углом 120° при вершине