Тема 7 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ И ДРУГИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

Тема 7 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ И ДРУГИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ ПЛАН 1. Полимерные материалы. 2. Пластические массы и изделия из пластических материалов. 3. Преимущества пластмассовых материалов. 4. Недостатки пластмассовых материалов. 1

1. Полимерные материалы С древних времен человек использует естественные материалы органического происхождения для медицинских целей: натуральный каучук, различные эфирные масла, шелк тутового шелкопряда и др. В настоящее время наиболее широко используют искусственные или синтетические материалы, поскольку в процессе их производства можно влиять на свойства материалов, а следовательно, можно целенаправленно изменять потребительные свойства медицинских изделий. 2

Медицинская сфера 3

К ЧИСЛУ НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В МЕДИЦИНЕ ОТНОСЯТСЯ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ОЛИГОМЕРОВ ИЛИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. 4

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СОСТАВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ Устоявшейся терминологии в товароведении еще нет. В МФТ мы будем использовать терминологию, принятую в общей и полимерной химии. l l Полимеры — ВМС, молекулы которых состоят из большого числа группировок, соединенных химическими связями. Мономер — низкомолекулярное вещество, молекулы которого способны вступать в реакцию друг с другом или с молекулами других веществ с образованием полимера. 5

Полиме ры (греч. πολύ — много; μέρος — часть) — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев» , соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. 6

Винилхлорид Мономер от греческих слов «моно» и meros доля это вещества, молекулы, которые могут взаимодействовать друг с другом либо молекулами других веществ с возникновением полимера. Мономеры, которые возникают, в итоге могут применяться в виде материала, когда ведутся операции полимеризации и поликонденсации. 7

Олигомеры — члены гомологических рядов, занимающих по размеру молекул область между высокомолекулярными соединениями и мономерами. Это деление условно, но договорились, что верхний предел молекулярной массы (Мол. м. ) олигомера лежит в пределах 1, 5· 103 — 1, 5 104; нижний предел определяется молекулярной массой мономера или мономеров, из которого состоит олигомер. Если молекулярная масса вещества выше верхнего предела, то материал называют полимером. 8

В химии олигомер (греч. ολιγος — малый, немногий, незначительный; μέρος часть) — молекула в виде цепочки из небольшого числа одинаковых составных звеньев. Этим олигомеры отличаются от полимеров, в которых число звеньев теоретически не ограничено. 9

Полимеры или как еще их часто называют высокомолекулярные соединения, являются основой для используемых в медицине полимерных материалов и изделий из них. Полимерные материалы сегодня широко используют в стоматологии. Кроме того, полимеры и олигомеры находят все более широкое применение для получения ЛС пролонгированного действия, перевязочных материалов, медицинских клеев, кровезаменителей и т. п. 10

Полимерные материалы — материалы на основе высокомолекулярных соединений, обычно многокомпонентные и многофазные. Различают следующие группы полимерных материалов: § пластические массы, § каучук, § латекс, § резина, § клеи, § волокна, § пленки полимерные, § лакокрасочные материалы и покрытия и др. 11

Структуры полимеров 12

Пластические массы (пластмассы, пластики) — материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии, а при эксплуатации в стеклообразном или высококристаллическом. Другими словами, пластмассы образуются из природных или синтетических ВМС, которые под влиянием нагревания и давления способны принимать заданную форму и сохранять ее после охлаждения. В большинстве случаев они представляют собой сложные многокомпонентные композиции. 13

В состав композиции кроме высокомолекулярной основы входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, отвердители и другие специальные добавки (ингредиенты). Иногда наполнитель находится в полимерной матрице в газовой или конденсированной фазах. 14

Классификацию ВМС проводят с точки зрения: § происхождения; § метода получения; § строения полимерной цепи; § состава основной цепи; § формы макромолекул; § электрических свойств; § отношения к температуре, § назначения. Это не случайно, поскольку свойства полимеров, а значит, и их назначение определяются всеми перечисленными выше факторами. 15

Химическое строение полимера определяет такие его свойства, как устойчивость к действию химических реагентов и растворителей, высоких температур, диэлектрические свойства. В частности, хорошо сопротивляются действию кислот и щелочей и обладают негорючестью полимеры, содержащие в мономере галоиды. Светостойкость материалов значительно повышается с введением в макромолекулу фтора и групп —CN. 16

Молекулярная масса является важной характеристикой, сильно влияющей на свойства полимеров. С повышением средней молекулярной массы увеличиваются механическая прочность, твердость и эластичность, повышается химическая инертность к действию различных реагентов, изменяются и другие свойства. 17

Характер связей между элементарными звеньями макромолекул оказывает влияние на свойства полимера. Так, карбоцепные полимеры, содержащие насыщенные углеродные связи, весьма устойчивы к действию кислот, щелочей и других агрессивных сред. Гетероцепные полимеры, содержащие сложные эфирные, ацетильные, алкидные связи, обладают меньшей химической стойкостью в кислотах и щелочах. 18

Форма макромолекулы также влияет на свойства полимеров. Чем более вытянута и менее разветвлена макромолекула полимера, тем выше его вязкость, прочность и меньше растворимость. Строение полимера сильно влияет на его свойства. В большинстве своем полимеры имеют аморфную (стеклообразную) структуру. В случае кристаллической структуры увеличивается межмолекулярное взаимодействие, но снижается гибкость молекул. 19

Метод получения определяет помимо основных свойств полимерного материала также наличие в материале посторонних примесей в небольших количествах, которые могут мигрировать на поверхность изделия или вымываться из него в процессе использования. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формованию изделий, полимерные материалы делят на реактопласты и термопласты. 20

Состав полимерных материалов Полимерные материалы состоят из нескольких взаимно совмещающихся и не совмещающихся компонентов. Поэтому бывают однофазными (гомогенными) или многофазными (гетерогенными, композиционными) материалами. В однофазных полимерных материалах полимер является основным компонентом, определяющим свойства материала. Остальные компоненты растворены в полимере и способны улучшать те или иные его свойства. 21

В многофазных полимерных материалах полимер выполняет функцию дисперсионной среды (связующего) по отношению к диспергированным в нем компонентам, составляющим самостоятельные фазы. В состав полимерного материала помимо полимера могут входить наполнители полимерных материалов, пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы полимерных материалов, замедляющие его старение, пигменты и красители и др. 22

Классификация по назначению в медицине: • медико технического назначения; • используемые в восстановительной хирургии; • полимерные клеи для хирургии внутренних органов и тканей; • полимеры для офтальмологии; • для стоматологии и челюсто лицевого протезирования. • используемые в функциональных узлах различных медицинских приборов и аппаратов; • направленного биологического действия; • используемые в качестве вспомогательных веществ; 23

• используемые в качестве вспомогательных веществ; • для крове и плазмозаменителей; • полимеры — пролонгаторы; • полимеры — ЛС; • полимеры для вспомогательных веществ при создании различных ЛФ; • используемые в качестве упаковочных материалов; • используемые в инструментах для проколов, отсасывания и инъекций; • идущие на изготовление предметов санитарии и гигиены; • используемые в качестве перевязочного материала. 24

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЕДИЦИНЕ Основная особенность применения полимерных материалов в медицине связана с тем, что в большинстве случаев они находятся в контакте с биологическими средами организма. Полимерные материалы, находящиеся в контакте с биологическими средами живого организма, могут в них растворяться без изменения молекулярной массы или подвергаться биодеструкдии по следующим основным механизмам: 1) гидролиз с образованием макромолекулярных осколков и мономерных продуктов; 2) каталитический гидролиз под влиянием ферментов; 3) фагоцитарное разрушение (защитная клеточная реакция организма на инородное тело). 25

СРЕДИ МНОГОЧИСЛЕННЫХ ПРОБЛЕМ САНИТАРНО ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИМЕРОВ ОСОБОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИМЕЮТ СЛЕДУЮЩИЕ: • выявление токсикологической опасности полимерных материалов на основании качественного и количественного определения состава низкомолекулярных продуктов; • изучение закономерностей миграции примесей из полимеров в зависимости от их химической природы и сред живого организма; • исследование процессов метаболизма, изменений функциональных систем организма, путей выведения из него продуктов биодеструкции. 26

Основными требованиями, предъявляемыми к полимерам и материалам на их основе, используемым в производстве изделий медицинской техники, являются: • необходимый комплекс физико механических свойств, зависящий от конкретного назначения материала; • повышенная химическая стойкость, обусловливающая стабильность изделий под воздействием жидких сред; • способность выдерживать тепловую (в том числе автоклавирование) и радиационную стерилизацию; • стабильность состава жидких медицинских препаратов, находящихся в контакте с полимерным материалом. 27

ИЗ ОГРОМНОГО ЧИСЛА ИЗВЕСТНЫХ ПОЛИМЕРОВ ВЫБИРАЮТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИМН ТОЛЬКО ТЕ, КОТОРЫЕ: § не выделяют токсичных и канцерогенных веществ; § не травмируют живую ткань; § не вызывают свертывания крови и гемолиз; § не вызывают денатурацию белков и ферментов; § не нарушают электрический баланс; § не вызывают отклонения в системе метаболизма; § не подвергаются механическому разрушению под действием химических веществ, входящих в состав живого организма, лекарственных препаратов, стерилизующих агентов; § не изменяют структуру поверхности; § не претерпевают существенных изменений под действием внешних факторов. 28

Особое значение имеет токсикологическая оценка полимерных материалов, применяемых в медицине в условиях непосредственного контакта с живым организмом. Это связано с тем, что в процессе переработки даже химически стойких полимеров они часто подвергаются воздействию температур, близких или превосходящих начальные температуры разложения этих полимеров. Продукты термической или термоокислительной деструкции могут присутствовать в материале в сорбированном виде и оказывать токсическое действие на организм, не связанное непосредственно с химической природой и структурой исходного полимера. 29

Кроме того, при проектировании модели изделия следует учитывать возможность проявления так называемого бластомогенного действия биоинертных полимеров (часто приводящего к образованию злокачественных опухолей), которое связано не с химической природой полимера, а механическим длительным раздражением стенок соединительнотканой капсулы, возникающей вокруг имплантированного материала и нарушением нормального обмена в ней. 30

В настоящее время из пластмассы производят большое количество медицинских инструментов и их деталей, например бужи, катетеры, трахеостомические трубки, стетоскопы, шприцы, а также изделия по уходу за больными. К пластмассам относят материалы органического и неорганического происхождения, в состав которых входят высокомолекулярные соединения. ADEPT икодекстрин в конц. 4% в р ре электролитов. Икодекстрин полимер глюкозы, сшитой 1, 4 связями 31

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРОВ НА ИХ ПОТРЕБИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА Переработка полимеров в изделия отличается спецификой методов и технологических приемов. Важным обстоятельством является то, что в подавляющем большинстве случаев сам материал и его свойства формируются в процессе изготовления изделия. Именно это обстоятельство позволяет целенаправленно программировать свойства в процессе конструирования и изготовления объекта. 32

Технология переработки полимеров 33

Другим важным обстоятельством является тот факт, что за один технологический прием возможно изготовить из полимера изделие сложной конфигурации, тогда как при изготовлении такого изделия из металлов потребовалось бы осуществить ряд технологических операций на различном оборудовании, а иногда выполнить сборку нескольких деталей. 34

При выборе метода переработки полимера в изделие учитываются его физическое состояние при нагревании и отношение к теплу (термопластичность и термореактивность). Есть методы, которые целесообразны только для переработки термопластов, а есть — предназначенные только для реактопластов. Кроме того, необходимо строго регламентировать температурные режимы, поскольку, как было сказано ранее, в процессе переработки даже химически стойких полимеров они часто подвергаются воздействию температур, близких или превосходящих начальные температуры разложения этих полимеров. 35

При выборе метода переработки учитываются также конструктивные особенности изделия и условия его эксплуатации, тиражность, стоимость и т. д. 36

Схема изготовления изделий из термопластов литьем под давлением 37

Пластмассы многими свойствами выгодно отличаются от других конструкционных материалов • В среднем пластмассы в 2 раза легче алюминия, в 5 7 раз стали, меди, свинца, бронзы и т. д. • Прочностные показатели у большинства пластмасс ниже, чем у металлов. Но условная прочность у некоторых видов пластмасс выше, чем у лучших марок стали. • Основные виды пластмасс в отличие от металлов устойчивы не только к атмосферной коррозии, но и к воздействию различных кислот, щелочей, растворителей. 38

Непосредственной переработке полимеров в изделие предшествуют подготовительные операции, цель которых — улучшение технологических свойств перерабатываемого сырья, а также получение полуфабрикатов и заготовок, применяемых в основных процессах переработки. 39

К подготовительным операциям относятся смешение, вальцевание, таблетирование, предварительный подогрев и сушка, гранулирование. 40

Переработка — следующая стадия технологического процесса по лучения изделий из полимерных материалов. Методы переработки выбирают в зависимости от типа полимера. Термопластичные полимерные материалы (термопласты) перерабатывают в изделие нагреванием до температуры выше температуры текучести, формообразованием при этой температуре за счет приложения давления и фиксацией полученной формы. При этом используют методы экструзии, литья под давлением, каландрирование. 41

Термореактивные полимерные материалы (реактопласты) перерабатывают, сочетая физический процесс собственно формования с химическим процессом образования трехмерных полимеров (отверждением или вулканизацией). Потребительные свойства изделий из таких полимеров определяются полнотой отверждения. Чаще всего реактопласты перерабатывают методом прессования. 42

Экструзия — это процесс получения из сырья в виде гранул, порошка или расплава изделий бесконечного типа заданного профильного сечения (трубки, пленки) путем непрерывного продавливания через формирующий инструмент. Процесс осуществляется на специальных машинах — экструдерах. 43

Литье под давлением — это высокопроизводительный и автоматизированный метод переработки термопластов в изделия. Современные разновидности этого метода различаются способами и степенью нагрева материала, вводом его в форму и способом последующего формования. К недостаткам метода относятся низкая производительность при изготовлении изделий сложной формы, а также высокая стоимость литьевых форм. 44

Каландрирование — сущность этого технологического метода, как и вальцевания, заключается в непрерывном продавливании полимерного материала через зазор между валками, которые вращаются один навстречу другому. Но в отличие от вальцевания при каландрировании материал пропускается между несколькими зазорами 45

Прессование — один из самых распространенных методов переработки термореактивных полимеров в изделия с помощью прило жения внешнего давления к нагретому материалу, загружаемому требуемыми дозами в пресс форму в виде порошка, гранул, таблеток. Оформление и отверждение изделия происходит в горячей пресс форме. Изделия несложной конфигурации получают методом прямого прессования. Для изготовления деталей сложной конфигурации используется метод литьевого прессования. 46

Контроль качества, маркировку осуществляют в соответствии с государственного стандарта на изделие. и упаковку требованиями 47

ЛИТЕРАТУРА 1. О. А. Васнецова. Медицинское и фармацевтическое товароведение. Учебник. Москва: «ГЭОТАР Медиа» , 2005. 2. О. А. Васнецова. Медицинское и фармацевтическое товароведение. Практикум. Москва: «ГЭОТАР Медиа» , 2005. 3. Умаров С. З. , Наркевич И. А. , Костенко Н. П. , Пучинина Т. Н. Медицинское и фармацевтическое товароведение. Москва: ГЭОТАР MED, 2004. 48