Получение углеситалла с повышенными прочностными свойствами для искусственных клапанов сердца тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Татаринов, Валерий Федорович

• Татаринов, Валерий Федорович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Татаринов, Валерий Федорович

Общая характеристика работы

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Материалы для искусственных клапанов сердца (ИКС), применяемые за рубежом

1.2 Технология и свойства углеситалла УСБ

1.3 Технология и свойства углеситалла УСБ-1 и УСБ

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕСИТАЛЛА ДЛЯ ИКС

2.1 Совершенствование технологии получения пластин из углеситалла

2.2 Совершенствование технологии получения втулок из углеситалла

3 ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ УГЛЕСИТАЛЛА ДЛЯ ИКС

3.1 Исследование структуры углеситалла

3.2 Исследование физико-механических свойств углеситалла

3.3 Исследование триботехнических свойств углеситалла

4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ

КАЧЕСТВА УГЛЕСИТАЛЛА ДЛЯ ИКС

4.1 Исследование корреляции между свойствами углеситалла

4.2 Исследование связи свойств углеситалла с эксплуатационными свойствами ИКС

4.3 Система контроля и оценки качества углеситалла 61 Выводы 69 Библиографический список использованной литературы 72 Приложения

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение углеситалла с повышенными прочностными свойствами для искусственных клапанов сердца»

Проблема материала для искусственных клапанов сердца (ИКС) всегда была одной из самых важных. В начале 80х годов в нашей стране углеситалл был выбран как материал, приемлемый для изготовления элементов ИКС.

Однако существующая в то время технология не позволяла получать углеситалл со стабильными свойствами, достаточной прочностью и однородностью. Поэтому при первых испытаниях ИКС с элементами из углеситалла были получены неоднозначные результаты. Одни образцы углеситалла удовлетворяли всем жестким требованиям, предъявляемым к ИКС, другие по некоторым параметрам выходили за рамки требований.

Недостаточно были изучены свойства углеситалла, имеющие большое значение при использовании в ИКС, и их связь с эксплуатационными свойствами ИКС.

Не существовало системы контроля качества свойств углеситалла, обеспечивающей прочность, надежность и долговечность ИКС.

Цель работы - получение углеситалла повышенной прочности и однородности для изготовления надежных и долговечных ИКС.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Совершенствование технологии получения углеситалла повышенной прочности и однородности для ИКС.

2. Исследование свойств углеситалла, имеющих большое значение при использовании в ИКС.

3.( Изучение связи свойств углеситалла с эксплуатационными свойствами

ИКС.

4. Разработка системы контроля и оценки качества углеситалла для ИКС.

Научная новизна

1. Установлено, что предварительное осаждение на графитовую подложку из газовой фазы термокомпенсационной углеродной прослойки анизотропной структуры, выполнение графитовой подложки в виде полого тела вращения ци3 линдрической формы и обеспечение неизменных условий осаждения приводит к повышению однородности и прочности углеситалла.

2. Уточнен, дополнен и расширен перечень определяемых свойств углеситалла. Это позволило убедиться в том, что ИКС или его компоненты из углеситалла выдержат нагрузки, вызываемые организмом человека в течение всего срока службы изделия.

3. Установлены корреляционные зависимости между свойствами углеситалла, что позволило констатировать отсутствие сильных связей между свойствами. Поэтому необходим 100% контроль свойств каждого элемента ИКС.

4. Установлено, что предварительное нагружение до 50% прочности не влияет на прочность углеситалла. Это подтверждает, что при таком нагружении в структуре углеситалла микротрещины не образуются.

5. Установлено, что при концентраторах напряжений с радиусами менее 0,15 мм углеситалл крайне чувствителен к концентрации напряжений. Это подтверждает, что углеситалл относится к хрупким материалам.

6. Установлена зависимость влияния качества обработки углеситалла на его прочность, что позволило установить оптимальные требования к качеству поверхности углеситалла. Элементы ИКС из углеситалла должны иметь максимально полированную поверхность.

Практическая ценность

1. Усовершенствована технология получения пластин углеситалла повышенной прочности и однородности для ИКС. Технология внедрена в процесс производства в НЛП «МедИнж».

2. Усовершенствована технология получения втулок углеситалла повышенной прочности и однородности для ИКС, позволившая повысить производительность в несколько раз. Технология внедрена в процесс производства в НИИ «МедИнж».

3. Разработана и внедрена в НИИ «МедИнж» система оценки и контроля качества углеситалла для ИКС. Разработан и внедрен полный комплект нормативно-технической документации для проведения контроля.

4. Результаты данной работы внедрены в НЛП «МедИнж», где в 1994 году начат выпуск ИКС. Предприятие «МедИнж» в настоящее время является ведущим предприятием по выпуску ИКС в России. В клиники страны (НЦССХ им Бакулева, НИИТИО и др.) поставлено более 22 ООО ИКС из углеситалла повышенной прочности. На Hi 111 «МедИнж» ведутся работы по выходу на международный рынок ИКС.

Положения, выносимые на защиту:

1. Совершенствование технологии получения пластин и втулок углеситалла повышенной прочности и однородности для ИКС.

2. Уточнение, дополнение и расширение перечня определяемых свойств углеситалла для ИКС.

3. Корреляционные зависимости между свойствами углеситалла.

4. Зависимости эксплутационных свойств ИКС от комплекса свойств углеситалла.

5. Система оценки и контроля качества углеситалла для ИКС.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались: на XI конференции молодых ученых института машиноведения (г. Москва, 1987); на III Московской научно-технической конференции «Триботехника - машиностроению» (Москва, 1987); на IV Московской научно-технической конференции «Триботехника - машиностроению» (Москва, 1989); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (г. Пенза, 1998); на Четвертом Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов (г. Москва, 1998); на XII WORLD CONGRESS OF INTERNATIONAL SOCIETY FOR ARTIFICIAL ORGANS, XXVI CONGRESS OF EUROPEAN SOCIETY FOR ARTIFICIAL ORGANS (EDINBURGH, 1999); на конгрессе, посвященном 90-летию со дня рождения академика РАМН Б.А.Королева, «Сердечно-сосудистая хирургия на рубеже веков» (Нижний-Новгород, 2000); на Всероссийской научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2001); на Седьмом Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов (Москва, 2001); на Международной научно-технической конференции

Современные материалы и технологии - 2002» (Пенза, 2002); на научно-техническом совете отдела 7 ФГУП НИИграфит и в НПП «МедИнж».

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 27 работах: 13 статей; 3 авторских свидетельства и патента; 11 тезисов докладов. Статьи опубликованы в центральных журналах в России и за рубежом, в сборниках тезисов. 2 статьи за-депонировано.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов», Татаринов, Валерий Федорович

Выводы

1. Установлено, что предварительное осаждение на графитовую подложку из газовой фазы термокомпенсационной углеродной прослойки анизотропной структуры, выполнение графитовой подложки в виде полого тела вращения цилиндрической формы и обеспечение неизменных условий осаждения приводит к повышению однородности и прочности углеситалла (получен Патент RU №2163105 CI, А 61 F 2/24, 20.02.2001).

2. Разработаны и внедрены в Hi 111 «МедИнж» технические условия - ТУ 9493-001-2777-1122-2000 «Углеситалл марки УСБ и детали из него». Для получения углеситалла для ИКС разработан и внедрен там же «Комплект технологических документов получения углеситалла марки УСБ» МИ0220.00069.

3. Предложено и внедрено в Hi 111 «МедИнж» технологическое решение для получения пластин углеситалла повышенной прочности и однородности для ИКС. Для получения пластин углеситалла разработан и внедрен в Hi 111 «МедИнж» «Комплект технологических документов изготовления заготовки пластины из УСБ-П» МИ0220.00070.

4. Предложено и внедрено в НИН «МедИнж» технологическое решение для получения втулок углеситалла повышенной прочности и однородности для ИКС, позволившее повысить производительность в несколько раз. Для получения втулок углеситалла разработан и внедрен в Hi 111 «МедИнж» «Комплект технологических документов изготовления втулки из УСБ-В» МИ0220.00027.

5. Уточнен, дополнен и расширен перечень определяемых свойств углеситалла, которые необходимы для получения ИКС с необходимым комплексом свойств.

6. Установлены корреляционные зависимости между свойствами углеситалла для ИКС:

- средняя связь между микротвердостью и модулем упругости (к=0,72), микротвердостью и плотностью (к=0,57-0,70);

- слабая связь между содержанием бора и пределом прочности на изгиб „ (к=0,40), микротвердостью и пределом прочности на изгиб (к=0,32-0,46), плотно

69 стью и пределом прочности на изгиб (к=0,31-0,52), плотностью и модулем упругости (к=0,34);

- отсутствует связь между параметрами тонкой структуры и макросвойствами углеситалла.

Отсутствие сильных связей между свойствами углеситалла делает необходимым 100% контроль свойств каждого элемента ИКС.

7. Установлено, что предварительное нагружение до 50% прочности не влияет на прочность углеситалла, что подтверждает отсутствие появления в структуре углеситалла при таком нагружении микротрещин.

8. Установлено, что при концентраторах напряжений с радиусами менее 0,15 мм углеситалл крайне чувствителен к концентрации напряжений. Это подтверждает, что углеситалл относится к хрупким материалам. Для элементов ИКС из углеситалла нельзя иметь концентраторы напряжения с радиусом менее 0,15 мм.

9. Установлена зависимость влияния качества обработки углеситалла на его прочность, что позволило установить оптимальные требования к качеству поверхности углеситалла. Элементы ИКС из углеситалла должны иметь максимально полированную поверхность.

10. Разработана и внедрена система оценки и контроля качества углеситалла для ИКС. Разработан и внедрен полный комплект нормативно-технической документации по контролю углеситалла для ИКС:

Технологическая инструкция по контролю пироуглеродных материалов и изделий из них для искусственных клапанов сердца» МИ25000.00010; «Технологическая инструкция по определению микротвердости пироуглеродных материалов» МИ25000.00021; «Технологическая инструкция по определению плотности пироуглеродных материалов» МИ25000.00022; «Технологическая инструкция по анализу микроструктуры пироуглеродных материалов» МИ25000.00023; «Технологическая инструкция по определению предела прочности на изгиб пироуглеродных материалов» МИ25000.00031,

11. Результаты данной работы внедрены на НИИ «МедИнж», где в 1994 году начат выпуск ИКС. Предприятие «МедИнж» в настоящее время является веду

70 щим предприятием по выпуску ИКС в России. В клиники страны поставлено уже более 22 ООО ИКС из углеситалла повышенной прочности. На предприятии ведутся работы по выходу на международный рынок ИКС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Татаринов, Валерий Федорович, 2006 год

1. Бокерия JI.A. Современное общество и сердечно-сосудистая хирургия // Пятый Всероссийский съезд сердечно-сосудистых хирургов 23-26 ноября 1999г.: Тез. докл. Новосибирск, 1999. - С. 3-6.

2. Александровский А.А, Колпаков Е.В. Клапанные пороки сердца: пассивное наблюдение или активное вмешательство // Российский кардиологический журнал. 2002. - №6. - С.83-97.

3. Hufnagel С.А., Harvey W.P., Rabil P.J., McDermott Th. F. Surgical correction of aortic insufficiency // Surgery. 1954. - Vol. 35. - P. 673-683.

4. Шевченко Ю.Л. Об итогах хода реформ и задачах по развитию здравоохранения и медицинской науки в Российской Федерации на 2002-2004 годы и на период до 2010 года. Доклад 16.03.2000г.

5. Вильяме Д., Рауф Р. Имплантаты в хирургии: Пер. с англ. М.: Медицина, 1978, 552 с.

6. Искусственные органы. / Под ред. В.И.Шумакова; АМН СССР. -М.: Медицина, 1990, 272 с.

7. Axel D. Haubold. Blood/Carbon Interactions//Asaio Journal. 1983. -vol. 6.-No. 2.-P. 88-92.

8. Bjork V.O. The history of the Bjork-Shiley tilting disc valve // Med. Instrum. March/Apr. 1977. - 11.- 2. - P. 80-81.

9. Larrieu A J., Puglia E., Allen P.A. Strut fracture and disc embolization of Bjork-Shiley mitral valve prosthesis: localization of embolized disc computerized axial tomography // Ann Thorac Surg. 1982. - 34. - P. 192-195.

10. Lindblom D., Rodriguez L., Bjork V.O. Mechanical failure of the Bjork-Shiley valve // J. Thorac Cardiovasc Surg. 1989. - 97. - P. 95-97.

11. Bokros J.C., Akins R.J., Shim H.S., Haubold A.D., Agarural N.K. Carbon in prosthetic devices // In: Deviney M.D., O'Crady T.M. (eds). Petroleum derived carbons. Washington D.C., American Chemical Society. 1976. - P. 237265.

12. Bokros J.C. Carbon biomedical devices // Carbon. 1977. - No. 15. - P. 355-371.

13. Haubold A.D., Yapp R.A. and Bokros J.C. Carbons for biomedical applications // In: Bever M.B. (ed). Encyclopedia of materials science and engineering. Oxford, UK, Pergamon Press/Cambridge, MIT Press. 1986. - Vol. 1. -P.514-520.

14. Schoen F.J. Carbon in heart valve prostheses: foundation and clinical perfomance. // In: Szycher M (ed). Biocompatible polymers, metals and composites. Lancaster, Technomic. - 1983. - P. 239-261.

15. Kotlensky W.V. Deformation in pyrolitic grafite. // Trans Met Soc AIME- 1965.-No.223. P. 830-832.

16. Kotlensky W.V., Martens H.E. Structural changes accompanying deformation in pyrolitic grafite. // J. Am Ceram Soc. 1965. - No.48. - P. 135-138.

17. Schoen F.J. On the fatigue behavior of pyrolitic carbon. // Carbon. -1973.-No.ll.-P. 413-414.

18. Shim H.S. The behavior of isotropic pyrolitic carbons under cyclic loading. // Biomaterials and Medical Devices: Artifical Organs. 1974. - No.2. - P. 55-65.

19. Dauskardt R.H., Ritche R.O. Pyrolitic carbon coatincs. // In: Hench L.L., Wilson J. (eds). Singapore, World Scientific Publ. Co. 1993. - P.261-279.

20. Ritchie R.O. Fatigue and Fracture of Pyrolitic Carbon: A Damage-Tolerant Approach to Structural Integrity and Life Prediction in "Ceramic" Heart Valve Prostheses. // J of Heart Valve Disease. 1996. - No.5 (Suppl. I). - P. 9-31.

21. On-X Carbon: Development & Advantages for Biomedical Applications. // Medical Carbon Research Institute, LLC. Technical Bulletin No. 0002.-1995.-P. 1-7.

22. Нешпор B.C. Структура и физические свойства разновидностей пирографита // Химическое газофазное осаждение неорганических материалов. Сб. статей. Л. - 1976. - С. 32-65.

23. Волков Г.М., Калугин В.И., Сысков К.И. Некоторые физические и химические свойства углеситалла. // ДАН СССР. 1968. - т. 183. - №2. - С.396.

24. Волков Г.М., Калугин В.И., Плуталова Л.А., Сигарев A.M. Углеси-таллы новый класс углеродных материалов // Свойства и применение антифрикционных самосмазывающихся материалов: Сб. научн. тр. - М.: Цветме-тинформация, 1970.-С. 107-112.

25. Волков Г.М., Доброва Н.Б., Захарова E.H. и др. Углеродный материал для искусственного клапана сердца. // Конструкционные материалы на основе углерода: Сб. научн. тр. НИИграфит. М., 1979. - С. 96-99.

26. Калугин В.И., Козыркин Б.И., Куроленкин Е.И., Табрина Г.М. Материалы для запирающих элементов искусственных клапанов сердца // Электронная промышленность. 1984. - Вып.10(138). - С.88-89.

27. Волков Г.М., Егорова Е.Г., Перевезенцев В.П. Влияние рельефа поверхности осаждения на формирование структуры и механическую прочность углеродных отложений. // ДАН СССР. 1968. - т. 180. - №6. - С. 13401343.

28. Волков Г.М., Котова Т.В. Формирование структуры углеродных отложений при совместном пиролизе углеводородов с галогенидами тугоплавких металлов. // Изв. АН СССР: серия Неорганические материалы. М., 1969. -t.V. - №8. - С.1323-1327.

29. Волков Г.М., Куркин А.Б., Леонтьев Е.А. О формировании надмолекулярной структуры нефтяных коксов. // Химия твердого топлива. 1970. -№3. -С. 100-106.

30. Волков Г.М., Захарова E.H., Калугин В.И. Влияние дисперсного углерода на формирование надмолекулярной структуры пиролитических углеродных отложений. // Химия твердого топлива. 1972. - №4. - С. 155-157.

31. Волков Г.М., Калугин В.И. Влияние дисперсного углерода на кинетику роста углеродных отложений. // Химия твердого топлива. 1972. - №5. - С.90-93.

32. Волков Г.М. Надмолекулярная структура углеродных наполнителей. // Наполнители полимерных материалов. 1977. - С. 92-98.

33. Курис И.М. и др. Алмазная обработка углеситалла // Препринт ИАЭ- 3383/7. -М., 1981.

34. Хакимова Д.К., Волков Г.М., Барабанов В.Н., Захарова E.H., Леонтьев Е.А. Влияние термической обработки на структуру и прочность углеси-таллов // Конструкционные материалы на основе графита: Сб. научн. тр. НИИ-графит. М., 1974. - №8. - С. 66-70.

35. Виргильев Ю.С., Волков Г.М., Захарова E.H., Калугин В.И., Ма-карченко В.Г. О радиационной размерной стабильности углеситаллов // Конструкционные материалы на основе углерода: Сб. научн. тр. НИИграфит. М., 1976. -№11.-С.68-74

36. Куроленкин Е.И., Виргильев Ю.С., Чугунова Т.К., Муравьева Е.В. Надмолекулярная структура углеситалла // Изв. АН СССР: серия Неорганические материалы. 1985. - т.21. - №2. - С.308-311.

37. Куроленкин Е.И., Виргильев Ю.С., Муравьева Е.В., Чугунова Т.К. Изменение структуры и свойств углеситалла при высокотемпературной обработке // Химия твердого топлива. 1985. - №2. - С. 103-110.

38. Искусственный графит / Островский B.C., Виргильев Ю.С., Костиков В.И., Шипков Н.Н. М.: Металлургия, 1986. - 272 с.

39. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. / Справочник под ред. В.П.Соседова. М., 1975. - 335 с.

40. Куроленкин Е.И., Виргильев Ю.С. Расчет структурных параметров надмолекулярной организации частично-кристаллических полимеров и углеродных материалов // Аппаратура и методы рентгеновского анализа: Сборник. Л., 1978. - Вып.20. - С.49-57.

41. Dobrova N.B., Kozyrkin B.I., Kalugin V.I., Agafonov A.V., Fadeev A.A. and Sidorenko E.S. A Carbon Material for Artifical Heart Valves. // Jornal of Advanced Materials. 1994, 1 (1), 69-73.

42. Татаринов В.Ф., Золкин П.И. Новые достижения в технологии получения углеситалла для искусственных клапанов сердца // Огнеупоры и техническая керамика. 1999. - №3. - С.37-38.

43. Татаринов В.Ф. Проблема трения и износа в искусственных клапанах сердца // XI конференция молодых ученых института машиноведения: Тез. докл. -М., 1987.-С.50.

44. Татаринов В.Ф. Некоторые фрикционные свойства углеситалла // III Московская научно-техническая конференция «Триботехника -машиностроению»: Тез. докл. М., 2-4 сентября 1987. - С.40.

45. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение. М.: Машиностроение, 1977. - 526с.

46. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. М.: Машиностроение, 1984. 280с.

47. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1985. - 231с.