Notiuni de medicina pentru ingineri

Curs 10 Materiale polimerice si compozite

SL Iulian ANTONIAC

Polimerii sunt molecule cu lanţuri lungi care sunt constituiţi

dintr-un număr de unităţi mici care se repeta. Unităţile ce se

repeta, sau 'merii', diferă de moleculele mici care au fost folosite

in procedeele de sinteza iniţiala, monomerii, prin pierderea

nesaturarii sau eliminarea moleculelor mici, cum ar fi cele de

apa sau de acid clorhidric din timpul polimerizării..

Lanţ tipic de polimer

Structura biomaterialelor polimerice

• Polimerii pot fi :

polimeri liniari, cand merii se unesc intr-un singur lant

polimeri ramificati

polimeri incrucisati, in care lanturile adiacente sunt unite

prin legaturi covalente sau retele 3D formate din

monomeri trifunctionali.

a) Polimeri liniari

b) Polimeri incrucişaţi

c) Polimeri ramificaţi

d) Polimeri in reţea

TIPURI DE POLIMERI

: :

Polimerii se mai pot clasifica în funcţie de rigitate, în trei categorii

Termorigizi

Silicon Poliuretan Poliester nesaturat

Termoplastici

Polietilenă Poliamide Policarbonat Polipropilenă

Elastomeri Cauciuc acrilic Cauciuc uretanic Etilen-propilena

De asemenea, polimerii pot fi:

▫ homopolimeri, formati din meri identici;

▫ copolimeri, formati din doi sau mai multi meri

diferiti.

Polimerizarea prin aditie este utilizata pentru a forma

fie homopolimeri sau copolimeri, in timp ce

polimerizarea prin condensare este folosita numai

pentru a forma copolimeri.

În funcţie de condiţiile de reacţie şi de reactivitatea fiecărui tip de monomer,

copolimerii pot fi:

Homopolimer -A-A-A-A-A-A-A-

Copolimer aleatoriu -A-B-B-A-B-A-B-

Copolimer în bloc -A-A-A-A-B-B-B-

Copolimer „graft”

Metode de obţinere

• În cadrul procesului de polimerizare prin adiţie, monomerii nesaturaţi reacţioneaza în timpul fazelor de iniţiere, propagare şi finalizare a procesului de obţinere a produsului polimeric final. Iniţiatorii pot fi radicalii liberi, cationii, anionii sau catalizatorii specifici.

• Iniţiatorul deschide legătura dublă a monomerului, prin prezenţa unui alt loc de "iniţiere" pe parte opusă a legăturii monomerului, în scopul creşterii în continuare. Creşterea rapida a lanţurilor se desfăşoară în timpul etapei de propagare până când reacţia este terminată de către reacţia cu alt radical, molecula de solvent, alt polimer, iniţiator, sau agent de transfer de lanţ adăugat.

polimerizarea prin adiţie (reacţie în lanţ)

R-NH2 + R’COOH →RNHOCR’ + H2O

• Polimerizarea prin condensare este analoagă reacţiilor de condensare a moleculelor de masă moleculară scăzută.

• Doi monomeri reacţionează pentru a forma o legătură covalentă, de obicei cu eliminarea unei molecule mici cum ar fi apa, acidul clorhidric, metanolul sau dioxidul de carbon.

polimerizarea prin condensare (creşterea în paşi)

Iniţiere RCOO-OOCR → 2R + 2CO2 Propagare R + R’C = C → RR’CC Reacţiile de finalizare ale procesului R + RR’C → RR’CR RR’C + RR”C → RR’CCCCR”R

• Polimetilmetacrilatul (PMMA) este un

polimer liniar hidrofob care e transparent

la temperatura camerei si lasa lumina sa

treaca, prezentând totodată şi bune

proprietăţi de duritate si flexibilitate.

Aceste proprietati permit ca PMMA să fie

utilizat la execuţia de implante intraoculare

si lentile de contact.

• PMMA este de asemenea utilizat drept

agent de cimentare a endoprotezelor

articulare şi a aplicaţiilor stomatologice.

Structura

organica

• Polietilena (PE) este un polimer

termoplastic liniar. Din punct de vedere

comercial, polietilena este de trei tipuri:

▫ cu greutate moleculară scăzută,

▫ ridicată şi

▫ ultra-ridicată.

• PE este folosită la realizarea de tuburi de

drenaj şi catetere.

• PE cu densitate mare se mai numeste

polietilenă de înaltă densitate moleculara

(UHMWPE) si este cea mai utilizată în

aplicaţiile biomedicale datoria faptului ca

prezintă o bună rigiditate şi rezistenţă,

prelucrabilitate şi biocompatibilitate.

• Polipropilena (PP) este legată îndeaproape de PE şi are rigiditate ridicata, o bună rezistenta chimica. Deşi este utilizata in general la executia de aplicatii similare celor din PE, are avantajul de a avea proprietati de întindere si rezistenta la fisurare superioare acesteia.

• Politetraflouretilena (PTFE), cunoscuta si sub denumirea comerciala de teflon, are o structura similara PE, cu excepţia faptului ca hidrogenul din PE este înlocuit de fluor. Este hidrofob si are o proprietati de lubrifiere foarte bune. In schimb, PTFE este un polimer foarte stabil atât din punct de vedere chimic cat si termic, fapt ce implică o prelucrabilitate mai dificila a sa. Teflonul este utilizat la realizarea implantelor cardio-vasculare.

• Clorura de polivinil (PVC) este utilizată in principal

pentru realizarea de tuburi pentru transfuzii de sânge,

nutriţie si dializa. PVC pur este un material dur si

fragil, dar prin adaosul de plastifianţi poate deveni

flexibil si moale. In contact cu organismul uman,

PVC isi modifica structura si proprietatile de

flexibilitate.

• Polidimetilsiloxanul (PDMS) este un polimer de tip

cauciuc, unic ca structura in sensul ca prezintă un

schelet central din Si-O in loc de carbon. PDMS este

folosit la executia de tuburi de drenaj si a cateterelor,

sau ca si component in unele sisteme de grefe

vasculare. Datorita flexibilitatii si stabilitatii sale

excelente, fiind un elastomer, este folosit si intr-o

mare varietate de implante ale ţesuturilor moi umane,

cum ar fi: valve cardiace, urechi artificiale, nas

artificial, etc.

• Nylonul reprezintă numele comercial dat unei familii de

poliamide. Nylonurile sunt formate prin reacţia diaminelor cu

acizii bibazici sau prin polimerizarea in inel deschis a

lactamilor, fiind utilizate de regulă în suturile chirurgicale.

• Copolimerii reprezintă o altă clasa importanta de biomateriale polimerice. Doi copolimeri reprezentativi utilizaţi ca biomateriale: poliglicolid-lactida (PGL) şi poliuretanul.

• Poliglicolid lactida (PGL) este un polimer dezordonat folosit la execuţia de suturi chirurgicale resorbabile.

• Poliuretanii sunt copolimeri in bloc care conţin blocuri tip sticla sau blocuri de întărire semicristalina, si alte blocuri care le conferă un comportament de tip cauciuc. Poliuretanii sunt elastomeri duri, cu bune proprietati de rezistenţă la oboseală şi de compatibilitate cu sângele, fiind utilizaţi de regulă la izolarea firelor de pacemaker, grefe vasculare, stenturi cardiovasculare.

• Proprietatile polimerilor sunt influenţate de: compozitia monomerului,

structura polimerului,

greutatea moleculară,

forma de cristalizare:

Proprietăţile polimerilor

Ureche si parţi de ureche: acril,

polietilena, silicon, clorura de polivinil

(PVC)

Dantura: acril, polietilena de masa

moleculara foarte ridicata (UHMWPE)

Proteze faciale: acril, poliuretan (PUR),

PVC

Tuburi traheale: acril, silicon, nylon

Inima si componente cardiace:

poliester, silicon, PVC

Peacemaker cardiac: polietilena, acetal

Plămâni, rinichi si parţi de ficat :

poliester, polialdehida, PVC

Segmente de esofag : polietilena,

polipropilena (PP), PVC

Vase de sânge : PVC, poliester.

Suturi biodegradabile: PUR

Segmenti gastrointestinali: silicon,

PVC, nylon

Articulaţii de degete: silicon,

UHMWPE

Oase si articulaţii: acril, nylon, silicon,

PUR, PP, UHMWPE

Încheieturi de genunchi: polietilena

Aplicaţii medicale

Ureche si parţi de ureche:

acril, polietilena, silicon, clorura de polivinil

(PVC)

Implante oculare:

PMMA

Lentila intraoculara

Aplicatii in stomatologie:

acril, polietilena cu masa moleculara

ridicata (UHMWPE)

Proteze faciale:

acril, poliuretan (PUR), PVC

Aplicatii in O.R.L: acril, silicon, nylon

Tuburi traheale

Inima artificiala si componente cardiace: poliester,

silicon, PVC

valvă cardiacă

tricuspida

Inima artificiala

Peacemaker cardiac: polietilena, acetal

Segmente de esofag : polietilena, polipropilena (PP), PVC

Suturi biodegradabile: PUR (poliuretan)

Articulaţii de degete: silicon, UHMWPE

Articulatia genunchiului si articulatia soldului: UWMHPE

Componenta femurala a Componenta acetabulara

protezei de genunchi a protezei de sold

Ce sunt materialele compozite ?

▫ Termenul de materiale compozite defineşte o gamă largă de materiale folosite în inginerie şi în proiectare.

▫ Un material compozit (denumit prin simplificare compozit) este o combinaţie de două sau mai multe materiale individuale (numite componente), realizată în aşa fel încât compozitul obţinut să aibă proprietăţi diferite de ale fiecăruia din componenţii săi

▫ Proprietăţile mecanice ale acestora depind atât de proprietăţile fazelor (denumite in general matrice şi material de ramforsare) cât şi de natura interfeţelor, volumul fracţiilor, de aranjamentul local şi global al elementelor de ranforsare. Materialul de ranforsare mai este denumit si armatura sau umplutura.

Materiale compozite

• Având în vedere scopul final urmărit, compozitele sunt - în majoritatea covârşitoare a cazurilor - materiale artificiale.

• Ele se obţin prin procedee speciale din materialele componente iniţial separate şi combinate ulterior.

In afară de diferenţele de compoziţie şi de structură - care le determină diferenţele de proprietăţi - componentele trebuie să îndeplinească, în primul rând, condiţia de compatibilitate, respectiv capacitatea de a conserva integritatea compozitului faţă de acţiunile exterioare mecanice, termice şi chimice, în intervalele de valori prezumate pentru prelucrarea sau funcţionarea în exploatare a produselor confecţionate din compozitul dat

• În majoritatea cazurilor, un material compozit este alcătuit din două faze, şi anume:

faza continuă, sau MATRICEA, în care se află dispersat un material complementar sub formă de particule sau fibre, reprezentată de componentul cu cea mai mare proporţie volumică;

faza complementară, sau INSERŢIA (RANFORTUL, faza dispersă), care este distribuită în matrice.

• Faza continuă – MATRICEA — poate fi de natură metalică,

ceramică, carbonică si polimerică.

• Faza complementară dispersă – RANFORT – se poate prezenta sub trei forme distincte:

▫ granule (pulberi),

▫ fibre

▫ şi alte structuri (plăcuţe, eutectice, lamele etc.).

“Materiale compozite”

Polimeri,

Spume

{poroase} Materiale naturale

Compozite

Alumina

Ceramice,

Sticle

Metale

Unit 1, Frame 1.4

Clasificarea materialelor compozite

• după natura matricei:

▫ compozite cu matrice metalică

Al, Cu, Ni, Mg şi o serie de aliaje metalice;

▫ compozite cu matrice ceramică

Al2O3, SiO2, SiC etc.;

▫ compozite cu matrice organică (polimeri);

▫ compozite cu matrice din carbon sau grafit

Clasificarea materialelor compozite

• după forma şi geometria inserţiei:

▫ compozite cu particule care, la rândul lor, pot fi:

▫ particule mari – peste 1 micron;

▫ microparticule mici sub 0,1 microni;

▫ compozite cu fibre :

▫ continui (fibre lungi);

▫ discontinui (fibre scurte şi foarte scurte-whiskeri).

▫ compozite cu structuri:

▫ lamelare;

▫ sandwich.

Clasificarea materialelor compozite

• după starea de agregare a matricei şi a materialului complementar:

▫ compozite lichid – solid (suspensii, barbotine);

▫ compozite lichid – lichid (emulsii);

▫ compozite solid – gaz (structuri fagure, aerodispersii);

▫ compozite solid – solid

▫ metal-carbon, metal-particule ceramice, metal-fibre metalice, metal- fibre ceramice, polimeri-fibre, carbon- carbon

Clasificarea materialelor compozite

• după modul de distribuţie a materialului complementar pot fi:

▫ compozite izotrope, care conţin elemente disperse de tip particule, granule metalice sau fibre scurte, uniform repartizate în masa matricei;

▫ compozite anizotrope – cu proprietăţi variabile cu direcţia, la care materialul complementar este sub formă de fibre continui (inserţii, împletituri), orientate unidirecţional în plan sau în spaţiu, sau fibre scurte repartizate liniar;

▫ compozite stratificate, în care elementele componente sunt repartizate bidimensional;

▫ compozite cu distribuţie dirijată a materialului dispers, obţinute prin solidificare unidirecţională sau deformare plastică la rece.

Clasificarea materialelor compozite

• după modul de realizare a suprafeţei de contact:

▫ compozite integrate chimic, la care interacţiunile din suprafaţa de contact sunt de natură chimică (sticla vitroasă, gresia lucioasă, masele refractare fosfatice, cermeţii);

▫ compozite obţinute prin agregare, la care predomină forţele de legătură, de adeziune şi coeziune între componenţi;

▫ compozite cu armare dispersă, care constau dintr-o matrice rigidă (ceramică) sau deformabilă (metale, aliaje, polimeri), în care se înglobează materialul dispers, constituit din fibre sau particule, forţele de legătură fiind de natură fizică sau chimică.

Principalele proprietăţi tehnologice generale şi de

funcţionare a materialelor compozite sunt:

• masa volumică mică în raport cu metalele;

• rezistentă la tracţiune sporită (Rm);

• coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;

• rezistenţa la şoc;

• durabilitate mare în funcţionare;

• capacitate ridicată de amortizare a vibraţiilor;

• siguranţă în funcţionare întrucât ruperea unui element din armătură (de exemplu a unei fibre) nu constituie amorsă de rupere pentru piesă;

• consum energetic scăzut şi instalaţii mai puţin costisitoare în procesul de obţinere, comparativ cu metalele;

• rezistenţă sporită faţă de acţiunea factorilor atmosferici agresivi, ca de exemplu: oxidare, coroziunea etc.;

• stabilitate chimică şi rezistenţă mare la temperaturi ridicate.

• Utilizarea materialelor compozite este motivată de faptul că acestea pot prezenta proprietăţi superioare materialelor omogene.

• Proprietăţile mecanice depind atât de structura componentelor materialului cât şi de orientarea acestora

Materiale compozite – proprietati mecanice

Tensiuni aplicate diferitelor materiale compozite: a, c – laminat; b –fibros.

Materialele compozite fibroase sau sub formă de benzi laminate sunt

anizotrope, iar materialele compozite cu incluziuni sub formă de particule

distribuite haotic în matrice sunt izotrope.

Compozitele anizotrope cu rezistenţă şi rigiditate mai mare decât cele

izotrope, ele putând fi utilizate doar dacă se cunoaşte direcţia de aplicare a

tensiunii.

Rezistenţa mecanică depinde de asemenea de fragilitatea sau ductilitatea atât

a incluziunilor, cât şi a matricei.

Ruperea materialului, în compozitele fibroase, poate fi provocată de ruperea,

îndoirea sau smulgerea fibrelor, de fisurarea matricei sau desprinderea fibrei de

matrice.

Materiale compozite – proprietati mecanice

Compozite armate cu fibre:

Tipuri de biomateriale compozite

• Principala cerinţă impusă biomaterialelor compozite este aceea ca fiecare constituent al compozitului să fie biocompatibil, iar interfaţa dintre constituenţi să nu fie degradată de mediul corpului.

• Sunt cele mai utilizate biomateriale în medicina.

• Cateva exemple sunt: ▫ compozitele dentare,

▫ cimentul osos,

▫ compozite cu structura poroasa (utilizate ca substituenti ososi),

▫ compozite de tip scaffolds.

BIOMATERIALE COMPOZITE DENTARE

Biomaterialele compozitele dentare se obţin prin dispersia unei umpluturi anorganice într-o fază organică alcătuită din monomeri, de obicei cu două grupe polimerizabile.

Structura biomaterialelor compozite cu matrice polimerică utilizate în stomatologie: faza organică (monomeri de bază, monomeri de diluţie, sistemul de iniţiere şi diferiţi aditivi) faza anorganică; agenţii de cuplare.