Главная   Проекты   Кристаллы ЧСЦ   Разработка изделий из частично стабилизированного диоксида циркония

Разработка изделий из частично стабилизированного диоксида циркония

Разработка сверхострого износостойкого медицинского инструмента нового поколения

(Совместно с лабораторией частично-стабилизированного диоксида циркония)

Краткое описание проекта

Разработка нового наноструктурированного особопрочного, износо- и коррозионностойкого биосовместимого материала для медицинских применений - кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония (кристаллы ЧСЦ). Кристаллы ЧСЦ получают методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере методом прямого высокочастотного нагрева диэлектриков. Перспективным применением кристаллов ЧСЦ и наиболее близким к практической реализации является медицина и, в частности, изготовление сверхострого износостойкого хирургического инструмента.

История и достижения

Сочетание таких свойств как, повышенная прочность, вязкость разрушения, твердость, износостойкость, малые коэффициенты трения, химическая и биологическая инертность, отсутствие границ зерен делает кристаллы ЧСЦ перспективным материалом для изготовления сверхострого износостойкого хирургического инструмента (скальпелей, микрохирургических ножниц, сверла и долота для операций на кости и т.д.).

В лаборатории в последние годы было исследовано влияние химического состава и условий синтеза на кристаллическую структуру, фазовый состав, микро- наноструктуру и физико-химические свойства кристаллов. Исследовано влияние условий термообработки на фазовый состав, структуру, подвижность кислорода, прочностные и трибологические характеристики кристаллов ЧСЦ. Экспериментальные данные свидетельствуют о принципиальной возможности управлять синтезом кристаллов ЧСЦ, т.е. целенаправленно регулируя технологические условия синтеза, получать кристаллы ЧСЦ с заданными физико-химическими свойствами. В целях исследования механических и трибологических характеристик кристаллов ЧСЦ лаборатория сотрудничает с Институтом машиноведения им А.А.Благонравова РАН.

Большие размеры кристаллов ЧСЦ позволят изготавливать из них режущий хирургический инструмент любых размеров, который можно использовать для широкого круга операций, требующих высокой точности резания, минимального травматизма в кардио- и нейрохирургии, сосудистой, челюстно-лицевой (в т.ч. косметология), эмбриональной и глазной хирургии.

В настоящее время ведется разработка технологии кристаллов ЧСЦ, и изготовление из них режущих элементов электрохирургических биполярных ножниц. Область применения – общая хирургия. Устройство может также применяться в гинекологии, торакальной и абдоминальной хирургии, челюстно-лицевой хирургии в условиях операционных отделений медицинских учреждений.

Для широкого внедрения в практику перспективного материала для медицины – кристаллов ЧСЦ необходимо решение ряда проблем: разработки технологии его обработки; подбор материалов по свойствам, отвечающих конкретному применению; конструирование и изготовление из него изделий медицинского назначения.

Основы метода прямого высокочастотного плавления диэлектриков в холодном контейнере и оборудование для него были разработаны в 60-70 годах в России в Физическом институте, а в последствии, в Институте общей физики РАН. Технология получения позволяет получать компактные, беспористые кристаллические материалы. Технология является экономичной и рентабельной в масштабах промышленного производства, поскольку: высокопроизводительна (от 10 до 150 кг кристаллов ЧСЦ с одного процесса на серийном оборудовании); отсутствуют специальные требования по гранулометрическому составу компонентов исходной шихты; практически безотходна, т.к. возможно повторное использование кристаллических отходов от ростовых процессов, а также отходов от резки кристаллов и последующей механической обработки. Дальнейшее развитие метода, создание новых установок для синтеза высокотемпературных материалов позволит существенно снизить себестоимость высокотемпературных материалов, таких как кристаллы ЧСЦ.

Общие характеристики продукта и его функциональные возможности

В отличие от традиционной керамики и ее наноструктурированных разновидностей кристаллы ЧСЦ получаются путем контролированного наноструктурирования монокристаллов в процессе их фазовых превращений. При синтезе из расплава растущий монокристалл ЧСЦ имеет изначально кубическую структуру, а фазовые превращения происходят в нем при охлаждении твердой фазы. Переход кубической в тетрагональную фазу сопровождается образованием в кристаллах структуры из наноразмерных кристаллических доменов тетрагональной фазы двух видов с характерными размерами от десятков до нескольких сотен нанометров, что и приводит к получению наноструктурированного композиционного материала с высокими механическими характеристиками.

Монокристаллы ЧСЦ обладают высокой химической стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, расплавам металлов, окислительной атмосфере при повышенных температурах); биоинертны; рентгеноконтрастны;

Физико-химические и механические свойства кристаллов ЧСЦ
Температура плавления θ, °С ~ 2800
Диапазон рабочих температур θ, °С -140…+1400
Коэффициент температурного расширения β, град-1 10…11·10-6
Теплопроводность λ, Вт/(м·К) 7,8
Плотность ρ, кг/м-3 ~ 6
Предел прочности на изгиб σm, Мпа 800…1200
Предел прочности на сжатие, sm, МПа 2300…3700
Микротвердость H, Гпа 11,8…15,08
Модуль упругости (динамический) E, ГПа 180…372
Коэффициент Пуассона μo 0,26…0,36
Предельная относительная деформация разрушения при изгибе εm 0,07…0,45·10-2
Трещинностойкость, К1с, МПа.м1/2 6-12
Интенсивность изнашивания J 2,5…3·10-9
Коэффициент трения f 0,27…0,034

Триботехнические характеристики J и f соответствуют режиму испытаний:
р = 5МПа; v = 2 м/с; без смазки; интенсивность изнашивания J = h / L,
где h - толщина изношенного слоя материала,
L - путь трения

Использование кристаллов ЧСЦ для сверхострого износостойкого хирургического инструмента

Уникальные технические характеристики инструмента позволяют получить превосходные эксплуатационные результаты

Уникальные технические характеристики Превосходные эксплуатационные результаты
сверхострая режущая кромка 0.1-0.2 мкм, высокий класс чистоты рабочих поверхностей, низкий коэффициент трения высокая точность линии и ровные края разреза, минимальные повреждения структуры разрезаемых тканей, образование тонкого косметического послеоперационного рубца, уменьшение размеров келлоидных швов
биологическая совместимость кристаллов ЧСЦ с тканями живого организма несвертываемость крови на лезвии (исключается закупорка кровеносных сосудов), отсутствие воспалительных процессов в области произведенных разрезов, ускоренное заживление
высокая износостойкость и химическая инертность кристаллов ЧСЦ по отношению к агрессивным средам: лимфе, крови, дезинфекционным растворам уникальный рабочий ресурс лезвий – до 500 операционных циклов, любой способ стерилизации

Области применения

Сверхострый износостойкий режущий хирургический инструмент любых размеров, который можно будет использовать для широкого круга операций, требующих высокой точности резания, минимального травматизма. Это такие области хирургии как глазная, челюстно-лицевая (в т.ч. косметология), нейрохирургия, кардиохирургия, сосудистая, эмбриональная. Малый травматизм при использовании такого инструмента, его химическая инертность и биологическая совместимость с тканями живого организма способствуют ускорению процессов заживления после операции, уменьшению размеров келлоидных швов, что делает перспективным разработку из него широкой гаммы хирургических инструментов различного назначения. Разные виды инструмента требуют как своего конструктивного решения, так и выдвигают требования к материалу, из которого он изготовлен: по механических свойствам; по химическим и биологическим характеристикам.

Электрохирургический инструментарий

Биполярный электрохирургический скальпель «ЛанцетТом»

ЛанцетТом

Рис.1. Биполярный электрохирургический скальпель «ЛанцетТом»

Скальпели электрохирургические полифункциональные серии «ЛанцетТом» предназначены для разрезания мягких тканей с возможностью монополярной или биполярной коагуляции пересекаемых мелких и средних кровеносных сосудов с помощью высокочастотного электротока. Гемостаз осуществляется за счет контролируемой монополярной коагуляции, происходящей при контакте электродной части инструмента с рассекаемыми тканями. Биполярная модель скальпеля обеспечивает локализацию высокочастотного тока на малом участке ткани пациента, благодаря чему достигается прецизионное хирургическое воздействие. Отличительной особенностью данных скальпелей являются лезвия из наноструктурированного кристаллического частично-стабилизированного диоксида циркония, которые конструктивно объединены с коагулирующими электродами. Скальпели предусматривают два варианта исполнения: со сменными режущими частями (лезвиями) и неразборную конструкцию. Несколько типоразмеров полифункциональных скальпелей, отличающихся конструкцией, габаритами размерами и углами заточки рабочих частей, позволяют оптимизировать коагуляцию рассекаемых тканей, обеспечить минимальные кровопотери и существенно расширить область их применения. Скальпели электрохирургические серии «ЛанцетТом» предназначены для использования с высокочастотными плазменными электрохирургическими аппаратами серии «ПлазмоТом» с автоматической регулировкой режимов воздействия для каждого вида скальпеля.

Ножницы электрохирургические биполярные «БиоТом»

БиоТом

Рис.2. Ножницы электрохирургические биполярные «БиоТом»

Ножницы электрохирургические биполярные серии «БиоТом» предназначены для разрезания мягких тканей с возможностью коагуляции пересекаемых мелких и средних кровеносных сосудов, а также для биполярной коагуляции отдельных участков ткани с помощью высокочастотного электротока. Конструкция режущей части браншей ножниц из наноструктурированного кристаллического частично-стабилизированного диоксида циркония обеспечивает опережающую коагуляцию рассекаемых тканей, чем обусловлены минимальные кровопотери при хирургическом вмешательстве. Конструкция ножниц обеспечивает симметричное относительно плоскости рассечения распределение высокочастотного тока, протекающего через биоткань. Существенным моментом в конструкции ножниц является электрическая изоляция обоих электродов (работа в режиме плавающего электрического потенциала), что уменьшает вероятность ожогового травматизма. Электрохирургические ножницы серии «БиоТом» с разделенными функциями рассечения и коагуляции мягких тканей представлены моделью «БиоТом-01» - для открытой хирургии и «БиоТом-02» - для лапароскопической хирургии, поэтому они являются эффективным хирургическим инструментом для использования в различных хирургических специальностях. Отличительной особенностью хирургических воздействий с помощью биполярных ножниц серии «БиоТом» является:

  • снижение вероятности нанесения случайного травматического ожога;
  • выраженный коагулирующий эффект при рассечении тканей;
  • высокую скорость рассечения тканей;
  • возможность комбинированного воздействия – рассечение и коагуляция;
  • сокращение срока хирургического вмешательства и послеоперационной реабилитации;
  • снижение количества послеоперационных осложнений.

Ножницы рассчитаны на подключение к высокочастотным плазменным электрохирургическим аппаратам серии «ПлазмоТом» с автоматическим согласованием параметров электрохирургических воздействий для каждой модели ножниц. На фотографии (рис.1.4-6) показана операция на щитовидной железе, выполняемая с помощью ножниц «БиоТом-01» и аппарата серии «ПлазмоТом».

Электохирургический выкусыватель-диссектор

Выкусыватель-диссектор

Рис.3. Электохирургический выкусыватель-диссектор

Выкусыватели-диссекторы (выкусыватели) хирургические предназначены для выкусывания хрящевой и костной тканей с возможностью монополярной или биполярной коагуляции травмированных при выкусывании кровеносных сосудов. Основное применение – травматология, вертебралогия, ортопедия. Особенностью данных выкусывателей является применение в качестве конструкционного материала трущихся рабочих частей монокристаллического ЧСЦ, что в значительной мере улучшает эргономические характеристики и повышает износостойкость рабочей части выкусывателя-диссектора. Для реализации в процессе работы режимов монополярной и биполярной коагуляции выкусыватели-диссекторы конструктивно объединены с монополярными или биполярными электродами, что позволяет избежать диффузных кровотечений в области удаляемых биотканей. Выкусыватели-диссекторы предназначены для подключения к высокочастотным плазменным электрохирургическим аппаратам серии «ПлазмоТом» с автоматической регулировкой режимов воздействия.

Электохирургический зажим для биполярного лигирования

Электохирургический зажим

Рис.4. Электохирургический зажим для биполярного лигирования

Зажимы для биполярного легирования кровеносных сосудов с температурной стабилизацией рабочей части предназначены для рассечения оперируемых участков ткани с кровеносными сосудами диаметром до 7 мм. Конструкция инструмента выполнена таким образом, что механика рабочей части позволяет обеспечить необходимое усилие сжатия захватываемой ткани. Благодаря равномерному усилию прижатия губок рабочей части и наличию зубцов на поверхностях захвата ткань надежно фиксируется. Биполярная коагуляция захватываемой ткани обеспечивается в условиях термостабилизации электрохирургического воздействия, обеспечиваемой как за счет высокой теплопроводности конструкционного материала (λ ≥ 300 Вт/м×К), так и путем терморегулирования тепловыдепений с помощью термочувствительного покрытия. Поверхности захвата рабочих частей электродов покрыты термочувствительным слоем с внедренными в него электропроводящими наночастицами. В зависимости от температуры термочувствительный слой изменяет свое электрическое сопротивление и, таким образом, стабилизирует величину электрического тока, а следовательно и выделение тепла в тканях. Благодаря эффективной термостабилизации удаётся осуществить гомогенную термокоагуляцию всего объема гетерогенных тканевых структур при незначительных затратах мощности и низкой температуре, без карбонизации тканей и при отсутствии дымообразования. Рассечение скоагулированной ткани осуществляется выдвижным лезвием из наноструктурированного кристалла ЧСЦ при сжатых браншах инструмента. Режущее лезвие рассекает зону коагуляции точно по центру с образованием гладких краев по обеим сторонам разреза. Длинные поверхности губок гарантируют быстрое и эффективное рассечение ткани по всей длине захвата. При этом режущее лезвие из ЧСЦ, обладающее исключительно низким коэффициентом трения, не вызывает повреждения прилегающих тканей. Применение данного лигирующего инструмента с высокочастотным плазменным электрохирургическим аппаратом «ПлазмоТом», обеспечивающим доставку высокочастотного тока в режиме динамического регулирования параметров воздействия, обеспечивает следующие преимущества:

  • исключение зависимости от структуры и состояния ткани;
  • отсутствие карбонизации, минимальная адгезия коагулируемой ткани на поверхностях захвата;
  • исключение образования аэрозолей, что обеспечивает хороший обзор операционного поля;
  • минимизация повреждений ткани в латеральных направлениях, позволяющая в максимальной степени снизить риск нежелательного воздействия на прилегающие тканевые структуры;
  • отсутствие в необходимости дополнительной коагуляции или наложения лигатур в большинстве случаев рассечения тканей.

Клиническая апробация электрохирургических биполярных ножниц "Биотом"

Существующие аналоги

Традиционные металлические скальпели принципиально не могут быть заточены до остроты менее 1мкм в силу зернистости их микроструктуры. Увеличение остроты режущей кромки, т.е. уменьшение её толщины приводит к пластической деформации кромки при приложении даже малых нагрузок, а твердость самого металла невелика. Кроме того, металлические скальпели быстро изнашиваются в ходе операции по причине агрессивности рабочей среды, что приводит к отсутствию стабильности режущих свойств инструмента и необходимости смены его в ходе операции, ухудшает точность разреза тканей, увеличивает травматизм, повышает утомляемость хирурга. В силу этих причин ухудшается качество операции и увеличивается период заживления. Попадание металла в организм может привести к воспалительным процессам и также не является благоприятным для операции. Так, при попадании железа в кровь может меняться свертываемость и возникает вероятность возникновения микротромбов.

Существующие в настоящее время неметаллические скальпели – алмазные, сапфировые, базальтовые - позволяют получить большую остроту режущей кромки, а благодаря высокой твердости она сохраняют режущие свойства. Такие скальпели обладают химической и биологической инертностью, износостойкостью, имеют низкие коэффициенты трения. Эти свойства позволяют разрезать ткани без раздавливания с минимальным травматизмом и пользоваться на протяжении всей операции скальпелем, режущая способность которого не меняется, что облегчает работу хирурга.

Однако монокристаллические алмазные скальпели ограничены в размерах и могут применяться только для узкого круга операций (офтальмология) и к тому же дороги. Стоимость алмазного офтальмологического скальпеля велика и составляет от 500$ USA и выше. Сапфировые и обсидиановые (вулканическое стекло) характеризуются повышенной хрупкостью и скалываются в процессе операции.

Первые опытные разработки скальпелей общего назначения из кристаллов ЧСЦ показали возможность получения ровной сверхострой режущей кромки (0,1-1мкм) без значительных сколов, а клинические испытания продемонстрировали стабильность и долгосрочность службы такого инструмента (более 100 операций без ухудшения режущих свойств). Малый травматизм при использовании такого инструмента его химическая инертность и биологическая совместимость с тканями живого организма способствуют ускорению процессов заживления после операции, уменьшению размеров келлоидных швов, что делает перспективным разработку из него широкой гаммы хирургических инструментов различного назначения.

Сведения о публикациях, полученных патентах и лицензиях

  1. V.V.Alisin, M.A.Borik, E.E.Lomonova, A.F.Melshanov, G.V.Moskvitin, V.V.Osiko, V.A.Panov, V.G.Pavlov, M.A.Vishnjakova “Zirconia-bazed nanocrystalline synthesized by directional crystallization from the melt” Mater.Sci.& Eng., C 25(2005)577-583.
  2. Ю.С.Кузьминов, Е.Е.Ломонова, В.В.Осико «Тугоплавкие материалы из холодного тигля»,М.: Наука, 2004, 369с
  3. M.A. Borik, E.E. Lomonova, V.V. Osiko, V.A. Panov, O.E. Porodinkov, M.A. Vishnyakova, Yu.K. Voronko and V.V. Voronov «Partially stabilized zirconia single crystals: growth from the melt and investigation of the properties», Journal of Crystal Growth, Volume 275, Issues 1-2, 15 February 2005, р.е2173-e2179
  4. Ю.С.Кузьминов, Е.Е.Ломонова, В.В.Осико «Тугоплавкие материалы из холодного тигля»,М.: Наука, 2004, 369с
  5. E.E. Lomonova, V.V. Osiko Growth of Zirconia Crystals by Skull-Melting Technique. In: Crystal Growth Technology. Ed. by H.J. Scheel and T. Fukuda., John Wiley @ Sons, Chichester, England, 2003, pp. 461-484
  6. Осико В.В., Алисин В.В., Вишнякова М.А., Игнатьева З.В., Ломонова Е.Е.,Павлов В.Г. Трибологические свойства нанокристаллического материала нового поколения на основе диоксида циркония. Трение и износ, том 26, № 3, (май-июнь) 2005, с.285-289
  7. Фролов К.В., Осико В.В., Алисин В.В., Вишнякова М.А., Игнатьева З.В., Ломонова Е.Е., Мельшанов А.Ф., Москвитин Г.В., Павлов В.Г., Пугачев М.С. Исследование механических и трибологических свойств нанокристаллического материала нового поколения на основе диоксида циркония. Проблемы машиностроения и надежности машин, №4, 2006 (в печати)
  8. Патент на изобретение №2284790 (10.10.2006) «Одноэтапный универсальный стоматологический имплантат»
  9. Патент на изобретение № 2307621.от10.10.2007 «Формирователь костного ложа для зубных имплантатов»

Фотоматериалы по проекту

Кристаллы ЧСЦ

Кристаллы ЧСЦ

Доменная структура кристаллов ЧСЦ

Доменная структура кристаллов ЧСЦ

Двойникование в кристаллах ЧСЦ

Двойникование в кристаллах ЧСЦ

Доменная структура кристаллов ЧСЦ

Доменная структура кристаллов ЧСЦ

Установка для выращивания кристаллов ЧСЦ

Установка для выращивания кристаллов ЧСЦ

Кристаллы ЧСЦ

Кристаллы ЧСЦ

Установка для выращивания кристаллов ЧСЦ

Установка для выращивания кристаллов ЧСЦ

Кристаллы ЧСЦ

Кристаллы ЧСЦ

Лезвия из кристаллов ЧСЦ

Лезвия из кристаллов ЧСЦ

Режущая кромка скальпеля с лезвием из кристалла ЧСЦ

Режущая кромка скальпеля с лезвием из кристалла ЧСЦ Режущая кромка скальпеля с лезвием из кристалла ЧСЦ

Режущая кромка скальпеля с металлическим лезвием

Режущая кромка скальпеля с металлическим лезвием Режущая кромка скальпеля с металлическим лезвием

Все проекты направления "Кристаллы ЧСЦ"