Классификация основных видов исходного сырья для производства медицинских и фармацевтических товаров. Требования, предъявляемые к материалам для медицинских изделий.
(для примеров к первой
картинке для неорг материалов)
ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ:
биологическая инертность и нетоксичность по отношению к тканям и средам организма, с которыми они соприкасаются; возможность асептической обработки без изменения свойств и формы; коррозионная стойкость (коррозии подвергаются не только металлические, но и другие материалы, как органического, так и неорганического происхождения - микробиологическая коррозия, разрушающая многие виды изделий под воздействием микроорганизмов, плесневых грибов и бактерий).
Металлические материалы. Общая характеристика. Классификация. Сплавы железа с углеродом. Цветные металлы. Общая характеристика. Классификация. Применение для изготовления медицинских изделий.
Металлы— (от греч.metallon — шахта, копи) простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными металлическими свойствами — высокими электрической проводимостью и теплопроводностью, блеском и пластичностью. Свойства, присущие всем металлам - металлический блеск и пластичность. Чистые металлы для производства различных изделий применяют очень редко, так как их трудно получить; в производстве используют различные сплавы.
Металловедение — наука о структуре и свойствах металлов и сплавов.
К металлам относят: собственно металлы, их сплавы.
Сплавы— макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов), с характерными металлическими свойствами. Основным сырьем для получения металлов и их сплавов является руда. Руда— природное минеральное сырье с таким содержанием металлов и полезных минералов, которое обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения. При производстве металлов и сплавов используют флюсы(для удаления пустой породы и различных вредных примесей) и топливо(для обеспечения необходимой температуры плавления и восстановления железа из его оксидов).
Называют сплавы, исходя из названия химического элемента, входящего в них в наибольшем количестве
Пример: сплавы железа, сплавы алюминия, меди и т.п.
Элементы, вводимые в сплавы для улучшения их свойств, называются легирующими, а сам процесс — легированием.
Сплавы делят на две группы: черные металлы —сплавы, основу которых составляет железо, цветные металлы - все остальные сплавы.
Наличие определённых свойств определяется внутренним строением сплавов. Строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки.
Сплавы железа с углеродом:
- стали: сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % С, кристаллизация которых заканчивается образованием аустенита, они обладают высокой пластичностью, хорошо деформируются;
- чугуны: сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С и кристаллизация которых заканчивается образованием эвтектики (ледебурита). Чугуны менее пластичны, обладают хорошими литейными свойствами.
Цветные металлы.
Алюминий — металл серебристо-белого цвета, порядковый номер в Периодической системе Д.И. Менделеева — 13, атомный вес 26,97. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 4,0414 Å, атомный радиус 1,43 Å. Плотность — 2,7 г/см3, температура плавления 660 0С. Имеет высокую тепло- и электропроводность. Удельное электросопротивление 0,027 мкОм×м. Предел прочности sв = 100 МПа, относительное сужение y = 40 %. В зависимости от чистоты различают: - алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Аl), - высокой чистоты: А995,А99, А97, А95, -технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5 (99,5 % Аl), АО (99,0 % Аl). Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Аl2О3. Алюминий легко обрабатывается давлением, обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки. Ввиду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от металла требуется легкость, высокая электропроводность. Из него изготовляют трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду теплообменники, провода, кабели. Алюминий имеет большую усадку затвердевания (6 %).
Как конструкционный материал значительно чаще применяются алюминиевые сплавы.
Они характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Предел прочности достигает 500…700 МПа. Большинство обладают высокой коррозионной стойкостью (за исключением сплавов с медью.) Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Сu, Mg, Si, Mn, Zn, реже Li, Ni, Ti. Многие образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы СuAl2, Mg2Si и др. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.
По технологическому признаку алюминиевые сплавы подразделяются на две группы:
деформируемые, литейные. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой. Эти сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.
Пластическая деформация упрочняет сплавы почти в 2 раза. К этой группе сплавов
относятся марки АМц (1,1…1,6 % Мn), АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 (цифра показывает
содержание магния в процентах).
Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой. Наиболее распространенными
представителями группы алюминиевых сплавов, применяемыми в деформированном виде и упрочняемыми термической обработкой, являются дуралюмины (от французского dur- твердый). К ним относятся сплавы системы Al — Cu – Mg — Mn. Типичными дуралюминами являются марки Д1 и Д16. Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, т.к. при этом
обеспечивается более высокая коррозионная стойкость. Время старения 4…5 суток. Иногда применяют искусственное старение при температуре 185…195 0С.
Сплавы авиаль (АВ) уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии, имеют высокий предел усталости. Упрочняющей фазой является соединение Мg2Si.
Высокопрочные алюминиевые сплавы. Прочность этих сплавов достигает 550…700 МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Они, кроме Сu и Mg содержат Zn. К ним относятся сплавы В95, В96. Упрочняющими фазами являются MgZn2, Al3Mg3Zn3, Al2CuMg. С увеличением содержания цинка прочность повышается, но снижается пластичность и коррозионная стойкость.
Ковочные алюминиевые сплавы отличаются высокой пластичностью при температурах
ковки и штамповки (450…475 0С) и удовлетворительными литейными свойствами.
Закалка проводится при 515…525 0С с охлаждением в воде, старение при 150…160 0С в течение 4…12 ч. Упрочняющими фазами являются Mg2Si, CuAl2.
Жаропрочные сплавы. Эти сплавы применяются для деталей, работающих до 3000С. Наибольшее применение получил сплав АЛ1. Эти сплавы дополнительно легируют Fe, Ni, Ti.
Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.
Сплавы Al — Si (силумины) содержат много эвтектики, поэтому обладают высокими
литейными свойствами отливки, более плотные. К ним относятся сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9.
Сплавы Al — Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) имеют более низкие литейные свойства, чем силумины. Поэтому их применяют, как правило, для отливок небольших деталей простой формы. Имеют большую усадку, склонность к образованию горячих трещин и к хрупкому разрушению.
Сплавы Аl — Mg. Эти сплавы (АЛ8, АЛ27) имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Они предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере. Сплавы марок АЛ13 и АЛ22 имеют более высокие литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.
В изготовлении медицинских инструментов и оборудования наиболее распространены сплавы меди (медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошо полируется).
Медные сплавы: Латуни - сплав меди с цинком. Наиболее широко используется в медицинской промышленности ( стерилизаторы, бужи, катетеры, зонды и др.)
Бронзы : оловянные - при необходимости высокой коррозионной стойкости в сочетании с прочностью( стерилизационно- дистилляционная аппаратура) и безоловянные - имеют высокие механические, антикоррозийные и др. свойства.
Нейзильбер - сплав меди с цинком, никелем и кобальтом (высокая коррозионная устойчивость - канюли, глазные ложки, зонды Воячека).
Титан и его сплавы: содержат алюминий, молибден или ванадий. Материал для медицинских инструментов (малый удельный вес, высокие механические свойства, коррозионная стойкость). Отмечается хорошее прорастание костной ткани в титановые имплантаты, инструменты не нуждаются в покрытии.
Магний и его сплавы: имеют малую плотность при высоких механических свойствах.
Высокая коррозийная стойкость и хорошая обрабатываемость давлением. Применяют для выпуска из них изделий для оптических устройств и электромедицинской аппаратуры.
Свинец : обладает низкой проницаемостью для рентгеновского и радиоактивного излучения, высокой пластичностью. Используют в химической аппаратуре для облицовок, резервуаров, ванн, желобов, трубопроводов.
Цинк: обладает низкой температурой плавления, хорошими литейными свойствами, высокой стойкостью на воздухе и пресной воде. Используют для антикоррозийных покрытий и протекторов железа, стали, и других металлов.
Золото, серебро, платина: используют для изготовления медицинских изделий (химической посуды, термопар, припоев, контактов и т.д.). Серебро используют в производстве отдельных видов офтальмологических и стоматологических инструментов. Платина применяется для изготовления наиболее точных термометров сопротивления, а также хирургических игл.
Прецизионные сплавы: - металлические сплавы с особыми физическими свойствами
(магнитными, электрическими, тепловыми, упругими). Созданы на основе железа, никеля, кобальта, меди, ниобия. Незаменимы при изготовлении узлов особо чувствительных приборов и установок , экспериментальной аппаратуры, датчиков.
Неметаллические материалы. Понятие, виды. Общая характеристика. Стекло, характеристика свойств. Варка стекла и выработка стеклоизделий. Виды стекол, применяемые в изготовлении медицинских изделий.
Неметаллические материалы — это большая группа материалов, изготовленных из органического и неорганического (минерального) сырья. К органическому сырью относятся древесина и продукты из нее, шерсть, волокна и др., к неорганическому сырью — газ, нефть, воздух, вода, различные горные породы. Применяют в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине, пищевой промышленности, быту и др.: пластмассы, слоистые пластики, стекло, красители, клеи, лаки, бумага, картон. Из-за широкого диапазона свойств неметаллические материалы находят все большее применение (в технике, быту, медицине, судо- и автомобилестроении и т. д.).
Классификация: 1. Неорганические материалы: 1.1. Синтетические (искусственные): -
минералы; - газы; - неорганические химические реактивы. 1.2. Силикатные материалы: -
стекло; - керамика (фаянс, фарфор). 1.3. Природные: - минералы; - газы. 2. Органические материалы: 2.1. Природные: - животные материалы (полимеры, олигомеры, мономеры); - растительные (полимеры, олигомеры, мономеры). 2.2 Синтетические (искусственные): - мономеры; - олигомеры; - высокомолекулярные соединения.
стекло – это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава
оксидов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при
охлаждении переходит из расплавленного, жидкого состояния в высоковязкое состояние, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения. В составе стекла могут присутствовать оксиды трех типов: - стеклообразующие(оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка), - модифицирующие(оксиды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Мg, Ва)
металлов.), - промежуточные.
По химическому составу в зависимости от природы стеклообразующих оксидов различают: - силикатное; - алюмосиликатное; - боросиликатное; - алюмоборосиликатное; и другие виды стекла.
В зависимости от содержания модификаторов стекло может быть: - щелочным; - бесщелочным; -
кварцевым неорганическим стеклом.
Изготовление: Медицинское стекло получают в результате охлаждения расплавленной смеси силикатов, оксидов металлов, солей и представляет собой твердый раствор. Из-за того, что медицинское стекло изготавливают из кварцевого стекла, состоящего на 95—98% из кремния диоксида, оно обладает очень высокой термической и химической устойчивостью. Изготовление и запайка ампул затруднительна из такого стекла из-за чрезвычайно высокой температуры плавления. В состав стекла для понижения температуры плавления добавляются специальные модификаторы (калия и натрия оксиды).
Основным сырьем для получения стекла: кварцевый песок; нефелин; магнезит; доломит; натрия тетраборат; кислота борная; известняк; поташ; сода кальцинированная; натрия сульфат.
Способы получения стекла и выработки изделий: Варку медицинских стекол производят в ванных печах непрерывного действия. Температура варки в среднем 1480— 1520 °С, температура выработки 1200—1250 °С. При варке этих стекол эффективное воздействие оказывает бурление стекломассы. При варке оранжевых стекол для окраски вводят сульфат натрия с избытком восстановителя (угля). При варке таких стекол в них образуются сульфиды металлов, окрашивающие стекло в оранжевый цвет.
Получение стекла: Медицинские изделия вырабатывают преимущественно из нейтральных стекол (марок МС-1 и НС-2), из щелочного стекла (марок НБ-1, МТ и ОС) и из светозащитного оранжевого стекла. Стекла марок НС-1 и НС-2 относят к классу нейтральных стекол. Они обладают высокой устойчивостью к стерилизации паром в автоклаве при давлении 200-103 Па. Нейтральное стекло НС-3 характеризуется повышенной химической устойчивостью. Стекло марки АБ-1 допускает стерилизацию в автоклаве и не образует при этом высокощелочных растворов и осадков в виде хлопьев. Для изготовления банок, склянок, бутылей применяют автоматы АВ-4 и АВ-6, в том числе двухъячейковые. На них также могут изготовляться флаконы. Их получают также на вакуумно-выдувных автоматах ВВ-6. На вакуумно-выдувных автоматах ВВ-6 могут быть выработаны изделия емкостью 5—250 мл. После выработки изделия направляют в печь для отжига. Для отжига применяют туннельные отжигательные печи ЛН 10000-18 и ПО-180.
Стекло, характеристика свойств.
1. Термостойкость
• Наибольшая термостойкость (не менее 170-190˚С) – у стёкол марок ХТ и ХТ-1 (химически- и термостойких),
• Наименьшая термостойкость (ниже 125˚С) – у стёкол марок МТО (медицинское тарное) и ОС и ОС-1 (оранжевое тарное).
2. Водостойкость
• Наиболее низкая водостойкость у тарного медицинского стекла марки МТО (0,6-0,65 мг/г) и щелочного стекла марки АБ-1 (0,3 мг/г).
• Наиболее высокая водостойкость (0,02-0,25 мг/г) у стёкол марок ХТ и ХТ-1.
3. Щелочестойкость
• Показатель щелочестойкости:
− марок МТО, НС-1, НС-2 не должен превышать 85 мг/дм3,
− марок ХТ и ХТ-1 не более 110 и 135 мг/дм3соответственно.
Виды стекол, применяемые в изготовлении медицинских изделий.
1. Химико-лабораторное стекло (ГОСТ 21400-75) применяют для изготовления лабораторной посуды, приборов и аппаратов. Подразделяют на химически стойкие 1-го, 2-го и 3-го классов (ХС-1, ХС-2 и ХС-3), термически и химически стойкие (ТХС-1 и ТХС-2), термически стойкое боросиликатное (ТС).
2. Оптическое стекло применяют для изготовления очковых линз и оптических элементов медицинских приборов. Должно быть однородным (отсутствие пузырей), не должно быть в составе железа и хрома, которые окрашивают стекло и уменьшают светопропускание, а также сульфаты и хлориды, вызывающие помутнение стекла. Очковые стёкла изготавливают их стекла типа
крон с показателем преломления 1,25.
3. Защитные стёкла предназначены для защиты организма от вредных и слишком ярких излучений (теплозащитные, светофильтры).
− Солнцезащитные стёкла изготавливают из стекла с коэффициентом пропускания светового потока 10-80%.
− Для защиты от рентгеновских лучей в состав стекла включают оксид свинца до 85%, который придаёт стеклу желтый оттенок.
− Фотохромные стёкла обладают способностью темнеть при облучении ультрафиолетовыми лучами и просветляются при прекращении облучения.
Эффект обеспечивается наличием в стекле светочувствительных добавок – галогенидов серебра, кадмия, никеля, железа)