Лекція 2. Основи матеріалознавства

План

Поняття “матеріалознавство”. Вимоги до матеріалів для виготовлення медичних виробів. Загальні відомості про властивості матеріалів. Класифікація металів та сплавів, їх коротка товарознавча характеристика. Неметалеві матеріали. Полімери, загальна характеристика, застосування у фармації. Вимоги до якості маркування, пакування, умов зберігання, стерилізація.

 

Наука про властивості металів, їх походження, будову і можливі зміни, що відбуваються під впливом багатьох чинників, називається м а т е р і а л о з н а в с т в о м. Основне завдання цієї науки — встановлення зв’язків між складом, структурою різних матеріалів та їх фізичними, механічними і технологічними властивостями.

 

ВИМОГИ ДО МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ МЕДИЧНИХ ВИРОБІВ

Для виготовлення медичних інструментів, апаратів, приладів, устаткування тощо використовують безліч матеріалів: метали та їх сплави, пластичні маси, гуму, скло, кераміку, шкіру і її замінники, деревину та ін. Матеріали для виготовлення медичних виробів повинні задовольняти такі вимоги:

¢ бути нешкідливими, біологічно інертними і нетоксичними відносно тканин організму та не виділяти шкідливих для організму людини речовин;

¢ мати стійкість до стерилізації та дезінфекції;

¢ бути механічно тривкими, зберігати постійну форму й об’єм;

¢ мати гарні технологічні властивості (наприклад, при литті, штампуванні та інших видах обробки);

¢ бути стійкими до корозії.

При виборі матеріалу для виготовлення виробів медичного призначення необхідно зважати на основні властивості цих матеріалів.

 

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

Сучасні методи дослідження дають досить повне уявлення про природні властивості будь-якого матеріалу або структуру речовини, її склад і будову, взаємодію з іншими матеріалами та біологічними середовищами. При взаємодії з навколишнім середовищем і тканинами організму в матеріалах відбуваються зміни як у складі, так і в структурі, що спричиняють відповідні зміни їх властивостей. Розрізняють механічні, технологічні, фізичні, хімічні та біологічні властивості матеріалів.

Під механічними властивостями матеріалів розуміють їх здатність до опору різним чинникам зовнішнього впливу. Механічні властивості матеріалу вивчають за допомогою спеціальних машин і приладів. Методи випробувань можуть бути статичними і динамічними. При статичних випробуваннях матеріал піддається повільному, але постійному впливу сили, при д и н а м і ч н и х — навпаки, силові впливи мають швидкий і короткочасний характер удару. До механічних властивостей відносять: твердість, міцність, пружність, пластичність, в’язкість і втомленість. Твердість — важлива характеристика металів. За нею судять про здатність протидіяти силам зношення, а також про сталість форми і розмірів виробів під час роботи. Твердість — це здатність матеріалів чинити опір при входженні в його поверхню іншого тіла під дією сили. Визначають твердість матеріалів кількома методами:

— методом Брінелля: за допомогою спеціального преса в поверхню досліджуваного тіла з певною силою вдавлюють сталеву загартовану кульку означеного діаметра. Цей метод придатний для матеріалів з невеликою твердістю;

— методом Роквелла: у піддослідний зразок вдавлюють діамантовий конус. Цей метод підходить для визначення матеріалів з високою твердістю;

— методом Віккерса: у випробовуваний матеріал вдавлюється усічена чотиригранна діамантова піраміда. Цим методом визначають твердість тонких виробів.

Міцність — здатність матеріалу чинити опір зовнішній силі, що прагне його зруйнувати. Відношення розміру мінімального навантаження, при якому настає порушення цілісності матеріалу, і площі поперечного перетину називається межею міцності матеріалу.

Пружність — здатність матеріалу відновлювати форму після припинення дії сили. Пружні властивості матеріалів залежать як від природи речовини, так і від її будови, тому в кожному матеріалі вони виявляються по-різному. Для кожного матеріалу існує своя межа пружності.

Пластичність — властивість матеріалу, не руйнуючись, набувати форми, що її надають за допомогою сили, і зберігати цю форму після припинення дії сили. Найбільш пластичними є свинець, ковкі матеріали. Матеріали, що під дією зовнішніх сил зовсім або майже не змінюють своєї форми, але швидко руйнуються, називаються крихкими. Крихкими є скло, чавун, деякі пластмаси (полістирол).

В’язкість — здатність матеріалу деформуватися, не руйнуючись під дією навантажень. Цей вид деформації характеризується тим, що досліджуваний зразок збільшується за розмірами в напрямку докладеної сили (звичайно по довжині) і звужується в поперечному перетині.

Утомленість — властивість матеріалів руйнуватися під впливом часто повторюваних навантажень, розмір яких не досягає межі міцності матеріалу. Чим більше циклів навантажень витримує зразок, тим він витриваліший. Межа втомленості визначається кількістю циклів навантаження, яку може витримати зразок матеріалу.

До технологічних відносять властивості, що дозволяють визначити, якій технологічній обробці може бути підданий матеріал, а також можливість найбільш ефективного його використання при виготовленні виробів. Це насамперед ковкість, грузькість, усадка, стирання й ін.

Фізичні властивості матеріалів визначаються такими основними показниками: щільністю, температурою плавлення і кипіння, тепло- і електропровідністю, тепловим розширенням та ін.

До хімічних властивостей матеріалів відносять властивості, якими визначається їх взаємодія із середовищем, в якому вони постійно або тимчасово перебувають, наприклад, під час стерилізації, дезінфекції тощо. Хімічні властивості визначаються хімічним складом матеріалів. Під біологічними властивостями матеріалів розуміють їх вплив на живі тканини й організм у цілому. Усі матеріали, які використовують для виготовлення виробів медичного призначення, проходять спеціальну перевірку на біологічну інертність у лабораторіях на тваринному та біологічному середовищі.

 

МЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ

Для виготовлення виробів медичного призначення використовують різні метали та їх сплави. Чисті метали тут трапляються рідко (крім благородних), тому що за своїми властивостями вони не завжди відповідають основним вимогам, пропонованим для виготовлення металевих виробів (мають недостатню тривкість, стійкість до корозії й т.п.). Сплавом називається речовина, яка утворюється при поєднанні двох або кількох металів і що набуває нових якостей, не властивих жодному з компонентів. Компоненти, що входять до сплаву, у розплавленому стані взаємно розчиняються й утворюють однорідну масу. Метали та їх сплави можна розділити на дві великі групи: чорні та кольорові.

 

ЧОРНІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

Широко використовуються сплави заліза з вуглецем — чавун і сталь. Чавуни — сплави заліза з вуглецем, що містять понад 2 % вуглецю та інші елементи (сірку, фосфор, кремній, марганець). Одержують їх виплавленням із залізних руд у доменних печах. Для медичного устаткування підходять чавуни із вмістом вуглецю в межах 2,6—2,9 %.

Сталі — сплави заліза з вуглецем (до 2 % вуглецю), що мають у порівнянні з чавунами більшу міцність, пластичність і меншу твердість. Вуглецеві сталі називають так за основним елементом — вуглецем, вміст якого у цих сталях не перевищує 1,35 %. Із збільшенням відсотка вуглецю зростають їх міцність, твердість, пружність і знижуються пластичність, відносне подовшання й ударна грузькість. За призначенням сталі бувають конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі марки 15, 30, 45, що містять 0,15; 0,30 і 0,45 % вуглецю, використовують для виготовлення ручок інструментів, деталей приладів і апаратів. Із сталі 45 виготовляють деякі зуботехнічні інструменти. Інструментальні вуглецеві сталі завдяки більш високому вмістові вуглецю (0,65—1,35 %) і зниженому вмісту сірки та фосфору мають значну твердість, зносостійкість, а також міцність і пластичність. Тому вироби з інструментальної сталі не крихкі і не деформуються при експлуатації. Відповідно до держстандарту ці сталі виготовляють якісними (марки В7, В8... В13) і високоякісними (марки В7А, В8А... В13А), останні містять менше сірки та фосфору.

Марки розшифровуються так: В — вуглецева, А — високоякісна сталь, цифри вказують на середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка. Вуглецеві інструментальні сталі В10А, В12А йдуть на виготовлення різальних інструментів (скальпелів, ножів), В7А — для пружних інструментів. Леговані сталі — крім вуглецю, містять один або кілька легуючих елементів, що додаються спеціально (хром, нікель, вольфрам, ванадій, титан, молібден, марганець та ін.) Інструментальні леговані сталі потрібні для виготовлення свердлильних, різальних, вимірювальних та інших інструментів, яким притаманні підвищена твердість і зносостійкість (зубні бори, фрези та ін.). Для виготовлення медичних інструментів застосовують такі інструментальні леговані сталі: сталь 9Х18 (0,9 % вуг' лецю і 18 % хрому) — для виготовлення різальних інструментів, які застосовують у нейрохірургії та офтальмології; сталь ЕІ-515 (1 % вуглецю, 13 % хрому, 1,6 % молібдену); сталь ХВ4 (4 % вольфраму) й ін. Корозієстійкі (що не іржавіють) леговані сталі стійкі до дії кислот, солей, якими стерилізують речовини, мають гарний зовнішній вигляд. Відповідно до держстандарту для медичних інструментів застосовують хромисті нержавіючі сталі марки 12Х13, 20Х13, 30Х13 і 40Х13. Перша цифра вказує на середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, Х — хром, 13 — відсотковий вміст хрому. Сталь марки 20Х13 застосовується для виготовлення пінцетів, гачків, елеваторів, осей штифтів замкових з’єднань, ножиць, щипців-кусачок. Сталь марки 30Х13 має пружні властивості. З неї виготовляють пружні інструменти (затискачі, пінцети, голкотримачі й т. п.). Сталь марки 40Х13 має підвищену твердість. З неї виготовляють ножиці, долота, распатори, щипці-кусачки й т. п. Хромисті сталі поступаються механічними і корозійними властивостями хромонікелевим сталям марок 08Х18Н9, 12Х18Н10Т, 17Х18Н10Т. Перша цифра позначає вміст вуглецю в сотих частках відсотка, друга — вміст хрому у відсотках, третя — нікелю у відсотках. Літера Т вказує на вміст титану (1 %).

Із хромонікелевих сталей виготовляють стерилізатори, відтискні інструменти, зубні коронки.

 

КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

Для виробництва товарів медичного призначення широко використовують кольорові метали — алюміній, мідь, цинк, нікель, магній та їх сплави, а також дорогоцінні метали.

Мідь та її сплави. Мідь стійка до корозії, має малу окиснюваність, добре обробляється тиском, легко штампується. Латунь — сплав міді з цинком або з цинком та іншими елементами. Для виготовлення медичних виробів використовується латунь марок Л62, Л63 і ЛС59-1 (буква Л — латунь, цифри — середня кількість міді у відсотках). Вміст цинку визначають розрахунками: 100 % — це вміст міді; наприклад, у латуні марки Л62 цинку буде 38 %. Латунь Л62 застосовується для виготовлення стерилізаторів, катетерів, зондів, ватотримачів; Л63 — для виготовлення скобок, що накладають на пуповину, оправ дзеркал; ЛС59-1 — для арматури шприців, канюль, голок, троакарів тощо.

Бронза — сплав міді з оловом та іншими кольоровими металами (алюмінієм, кремнієм, залізом, марганцем). Із бронзи виготовляють арматуру приладів і апаратів. Нейзільбер (МНЦ-15-20) — сплав міді з цинком і нікелем. Він легкий, має малу теплопровідність, застосовується для виготовлення трахеотомічних трубок, канюль, очних ложок, зондів Воячека, скобок Мішеля.

Алюміній та його сплави. Використовуються сплави алюмінію з міддю, марганцем, нікелем (дюралюміній), кремнієм (силумін), алюмінієвим брухтом (повторний ливарний сплав).

Титан і його сплави. За міцністю титан подібний до конструкційних сталей, а за корозійною стійкістю перевершує високолеговані нержавіючі сталі. Тривкий сплав ВТ5­1 (5 % алюмінію і 2,5 % олова) застосовується для інструментів, призначених для з’єднання кісток. Сплав ВТ­14 (5 % алюмінію, 3 % молібдену, 1 % ванадію) використовується для виготовлення затискних мікрохірургічних інструментів. У медичній практиці знаходить застосування тантал як шовний матеріал (скоби для зшивальних апаратів). З віталіуму виготовляють цвяхи для з’єднання кісток.

БЛАГОРОДНІ Й ДОРОГОЦІННІ МЕТАЛИ

Благородні й дорогоцінні метали відрізняються від інших кольорових металів комплексом позитивних властивостей — приємним зовнішнім виглядом, корозійною стійкістю, здатністю прокатуватися в найтонші плівки, високою температурою плавлення. До дорогоцінних металів відносять: срібло, золото, платину і метали платинової групи — паладій, рутеній, родій, іридій та ін. Із срібла виготовляють окремі види офтальмологічних інструментів, трахеотомічні трубки, кліпси для накладання на кровоносні судини головного мозку. Із платини виготовляють деякі голки. Золото використовується в зубопротезуванні, а також як електроди та інші вироби медичного призначення.