Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: VI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Россия, г. Новосибирск, 16 января 2012 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Электроника

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции, Сборник статей конференции часть II

Библиографическое описание:
Галкин В.П., Цыганок Б.А. БИОСТАБИЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. VI междунар. науч.-практ. конф. – Новосибирск: СибАК, 2012.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов
Статья опубликована в рамках:
 
Выходные данные сборника:

 

БИОСТАБИЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Галкин Владимир Павлович

студент Национального технического университета Украины «Киевский политиехнический институт», г. Киев

Е-mail:

Цыганок Борис Архипович

канд. техн. наук, профессор Национального технического университета Украины «Киевский политиехнический институт», г. Киев

 


Введение


Человеческий организм очень сложная система, которая имеет высокую способность к саморегуляции и самоорганизации. Он очень чувствителен к внешней интервенции, что, в результате прямого контакта с технической системой, приводит к развитию биологических и физико-химических взаимодействий на грани стыка. Взаимодействия характеризуются отсутствием позитивных обратных связей, а также отсутствием процессов ремонта  [3]. Химический состав окружающей среды, поток жидкости, влияние давления и температуры, а также скопление биологических веществ, таких как белки и липиды, является большим испытанием для каждого материала. Таким образом, созданные нагрузки могут приводить к многочисленным процессам деградации, тем же способствуя нарушению функциональных свойств материала. С другой стороны, технические системы могут быть очень разрушительными для биологической системы из-за их механического, токсического, канцерогенного и энергетического влияния.


Биостойкость означает сохранение свойств технической системы или материалов при условиях биологической системы. Эти изменения могут быть в пределах допуска вокруг начального состояния. При этом не должно быть никакого негативного влияния на биологическую систему. Согласно [6] определением биостойкости является: “the capacity of a material to resist changes of structure, decomposition or disruption in a biological environment”, что переводится как "способность материала противостоять структурным изменениям, разложению и распаду в биологической среде".


В связи с тем, что контакт с биологической средой в соответствии с DIN EN ISO 10993-1 характеризуется типом и длительностью: (короткое время контакта (t<24 часов), среднее время контакта(24 год <t<30 дней) и долгое время контакта (t>30 дней), биостойкость и биосовместимость является функцией, которая зависит от места и времени контакта, причем "долгое время контакта", отвечает сроку долговременной биостабильности. В отличие от биосовместимости, общая сумма, которой включает в себя совместимость технических и биологических систем, биостойкость относится только к физическим и химическим свойствам материала, хотя эти два определения являются близкими. Биостабильность является необходимым условием биосовместимости.


Характеристика биостабильности


Для последовательности взаимодействия между материалом и биологической средой решающую роль играют его физические, химические и энергетические свойства. Эти характеристики в основном определяются атомным, молекулярным строением и структурой кристаллической решетки, которые определяют электронную структуру, виды связей и дефекты кристаллической решетки материала. Для хорошей биостойкости первоочередным условием является высокая химическая резистивность.


Биостабильность металлов


Биостабильность металлических материалов в значительной степени определяется их склонностью к коррозии, которая зависит от стандартного химического потенциала (чем выше, тем меньше склонность к коррозии), качества поверхности (чем больше неровностей, тем больше склонность к коррозии), чистоты химического состава (чем чище, тем меньше склонность к коррозии). Стандартный потенциал Е°, мера силы окислительного или восстановительного влияния Redox системы в водных растворах, предусматривает возможные окислительно-восстановительные реакции. Если принять во внимание, что возобновленная форма Redox системы отдает электроны только окисленным формам Redox систем, которые находятся над ней в ряде потенциалов (таблица 1), можно объяснить хорошую коррозийную стойкость драгоценных металлов, таких как золото, платина и палладий.

 

Таблица 1. Электрохимический ряд [1]



Металл


Е°, V


Металл


Е°, V


Золото (Au)


+1,500


Железо (Fe)


-0,440


Платина (Pt)


+1,200


Галлий (Ga)


-0,529


Палладий (Pd)


+0,987


Хром (Cr)


-0,744


Серебро (Ag)


+0,799


Цинк (Zn)


-0,763


Медь (Cu)


+0,337


Титан (Ti)


-1,630


Водород (H)


0,000


Алюминий (Al)


-1,660


Свинец (Pb)


-0,126


Магний (Mg)


-2,360


Олово (Sn)


-0,316


Натрий (Na)


-2,710


Никель (Ni)


-0,250


Кальций (Ca)


-2,870


Кобальт (Co)


-0,277


Литий (Li)


-3,040


 


В результате почти нулевого потенциала свинец и олово имеют среднюю стойкость к коррозии. Начиная с никеля с характерным потенциалом ~ 0,250 В, все металлы, которые стоят снизу, склонны к коррозии. Как быстро наступает коррозия, зависит также от способности металла спонтанно образовывать защитный слой пассивации. Эти слои, как правило, являют собой очень тонкую, невидимую оксидную пленку, которая значительно замедляет процесс окисления через прерывание контакта между металлом и кислородом. Потому что при повреждении пленки сразу образуется новый слой пассивации, дальнейшее окисление таким образом защищенного металла становится возможным только при диффузии через оксид. Примером такого поведения является хром. Хотя этот металл в химическом смысле менее драгоценен, чем железо, он ведет себя в коррозии с воздухом и водой почти как драгоценный металл. Со стандартным электродным потенциалом -1,630 В титан, образовывая на поверхности плотную сверхстабильную структуру рутила, модификацию диоксида титана (TiO2), имеет отличную биостойкость и таким образом пригодность для биомедицинского применения [5]. С давнего времени этот материал используется в качестве материала для активных имплантированных электронных систем (например, кардиостимуляторов), и служит человеческому организму десятилетиями. Среди других технически важных материалов, которые формируют слои пассивации, нужно отметить алюминий, никель, свинец и цинк. Для оценки защитного или не защитного характера оксидного слоя, может быть использовано соотношение Пиллинга-Бедворта (PB):


,

где  и  – объем примитивной ячейки металла и его оксида,  и  – их соответствующие молярные массы, и  и  – их плотности. На основании PB можно определить, является ли металл выносливым в сухом воздухе за счет образования защитной пассивации. В результате экспериментальных исследований было установлено, что для PB<1 (например, у магния) возникает разрыв оксидного слоя, тогда как PB>2 (например, железо) приводит к отслоению. Следовательно, в обоих случаях нельзя гарантировать стабильную поверхность металла [7]. Если значение PB металла лежит в диапазоне от 1 до 2, то образуется непрерывный, пассивирующий слой оксида (например, алюминий, титан, хром) [2].


Биостабильность керамики


Керамикой являются поликристаллические неорганические соединения, которые состоят из смеси различных типов и размеров атомов. Для этих материалов характерным есть пространственное расположение атомов в кристаллической структуре, при этом её свойства и стабильность в большей мере определяются атомными отношениями и взаимным расположением промежуточных атомов и электроотрицательностью между положительными и отрицательными ионами. Речь идет о ковалентном и ионном характере связей, что обеспечивает высокую механическую и химическую стойкость, твердость и отсутствие пластических свойств. Из-за ионных связей керамика подвержена образованию трещин. Если керамика используется для производства имплантатов, в качестве защитных механизмов, должны быть приняты во внимание эти её особенности [4].

 

Список литературы:

1.            Angelini, E., Caputo, A. and F. Zucchi: “Degradation Processes on Metallic Surfaces”, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2002, - pp. 297-324.

2.            Colas, A. and J. Curtis: “Silicone Biomaterials: History and Chemistry & Medical Applications of Silicones”, Dow Corning Corporation, reprinted from Biomaterials Science, 2 nd Edition, USA, 2005, - pp. 21-23.

3.            Meusel, E., Uhlemann, J., Lauterwald, B., Rudolf, F., Malachowski, K., Bennemann, S., Meusel, B. und K.-J. Wolter: Infrastrukturprojekt IMEX Implantierbare und extrakorporale modulare Mikrosystemplattform, BMBF Förderkonzept Mikrosystemtechnik 2000+, Förderkennzeichen 16SV1591.

4.            Müler, R. J., Kleeberg I., Deckwer, W. D.: “Biodegradation of polyestr containing aromatic constituents”, J. Biomat 2001, 86, - pp. 87-95.

5.             Owen, E. L., in “Properties of Elektrodeposits, Their Measurement and Significance”, R. Sard, H. Leidheiser, Jr., and F. Ogburn, editors; Princeton: Elektrochemical Society Inc., 1975, ch. 6, - pp. 80-91.

6.            Williams, D. F.: “Definitions in Biomaterials”, in: Proceedings of a Consensus Conference of the European Society for Biomaterials, Amsterdam, Elsevier, 1987.

7.             Zimmermann D.: “Einfluss der Oberflächenorientierung und der chemischen Zusammensetzung auf das Oxidationsverhalten von ß-NiAl Einkristallen”, Dissertation, Max-Plank-Institut für Mettallforschung, 2001, - pp. 12-14.

 

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.