Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng vật liệu tổ hợp cacbon dùng trong phẫu thuật chỉnh hình

BỘ KHCN & MT CHƯƠNG TRÌNH CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHCN - 63 +#% BAO CÁO TONG KET DE TAI “NGHIÊN CỨU CONG NGHE VA UNG DUNG VAT LIEU T6 HOP CÁC BON DÙNG TRONG PHẪU THUẬT CHỈNH HÌNH” Thời gian thực : 24 tháng (10/1996 — 9/1998) Mã số: :93-04 Thuộc chương trình : Cơng nghệ vật liệu KHCN-03 Chủ nhiệm chương trình : GS Vien Sĩ Nguyễn Văn Hiệu Cơ quan chủ trì : Viện NGUDCN ~ Bộ KHCN & MT Chủ nhiệm đẻ tài : PTS KHKT Hà Nội - 9/1998 Phan Văn An Cg quan phối chính: 1.Bệnh viện Chợ Rẫy TP.HCM 2.Bệnh viện 175 3.Bệnh viện Xanh pôn, 108 bệnh viện khác Những người thực chính: TT | | | | + | | | | š—| | LÔ | 11 | Họ tên Học vị, học hàm, chuyên mon Cơ quan PhanVan An PTS Công nghệ Vậtliệu | Viện NCƯDC Bài Cong Khe KS ° Đỗ Việt Hưng KS — Cơkhí = Phạm Kim Chi KS Hoá Va Thanh Huong KS Dinh Trang Hoan KS Công ty Sáo Mai Nguyễn Quang Long: | GS BY Cho Ray Trịnh Quan Tuấn : BY 175 PTS Trin Hoh Nguyễn Ngọc Liêm | PTS, BV 108 Cao mạnh Tường KS _ Hoá polirne Vien NCUDCN MỤC LỤC Trang A TONG QUAN Soi cacbon, composite sợi cacbon ứng dung 1H Các loại vật liệu để thay xương, kết hợp xương HÍ Tình hình nghiên cứu nước 16 17 B.MỤC TIÊU ĐỀ TÀI, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 19 C KẾT QUÁ 19 Kết khoa học, công nghệ 11.Kết ứng dụng lâm sàng LII.Kết luận KHCN TV.Két qua vé dao tao va hop tac 19 31 35 36 D.KẾT LUẬN 36 E, MỘT SỐ CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ 40 A TONG QUAN SGLCAC BON VA COMPOSITE SUI CAC BON 1.1 ‘Tinh sợi bon va composite cia nó: Sợi bon có đường kính 6-I0 uưn , mảnh sợi tóc người Khác với loại sợi vật liệu kết cấu truyền thống( sợi thép, nhơm ), sợi bon có thành phần khiết bon 99,9% Sợi bon có độ bên cao sợi thuỷ tính, có trọng lượng riêng nhỏ, modul đàn hối cực cao Compoaite sợi bon đại có thêm du điểm ˆ khác: hệ số giãn nở nhiệt thấp, đặc trưng, cao mơi trường(hình 2) Một đặc điểm bật vật liệu cáo bon làm việc nhiệt độ cao ~ 2000- 3000ĐC nhiệt độ cao độ bên lớn Tính làm vật liệu bon nói riêng vật liệu composite cdc bon - bon trở nên vật liệu thay số lĩnh vực ứng dụng đặc biệt vũ trụ, tên lửa, hàng khơng Ngồi cấu trúc đặc biệt, vật liệu cịn có lính dẫn nhiệt đẳng hướng, vật liệu ma sát (làm hệ phanh cho máy bay đại, tàu vũ trụ), dồng thời vật liệu chống ma sát hoạt động môi trừơng khác nhau, kể môi trừơng sinh học De ben, madul Ngày nay, việc sử dụng sợi cac boa (hay sợi graphit) kết hợp với polime làm nên đột biến lĩnh vực vật liệu kết cấu Tính chất sợi bon sử dụng composiie độ bến, modul đàn hồi, trọng lượng riêng (hinh 1,2,3 , barig 1) 18 CampesteŒ Come.saTT Hình 1; So sánh độ du] với Go Nhóm, $ Thấp in riêng kéo dứt, modul composite sợi bon( chất + dc trưng vật liệu kết cẩu truyền thống Bảng + So sánh tíNH chat xử vật liệu compoyite nêu apoxy củu chúng Vật liệu Modul {be bin] kếo đứt Ty wong | Modul đặc trưng | đặc trưng (GPa) | (MP) | (gem” | (GPa) | * Soi: Cacbon modul siéu cao Cacbon modul cao Cacbon độ bền cao 483 345 206 Boron Aramid Thuỷ tính - S Thuỷ tỉnh - E 2270 3530 3160 | Độ (MIPaì |4600 | |2700 4500 1560 | = 18 1.75 281.5 191.6 117.7 2.30 180 |l44 | 90 |249 - |341 1.95 28.7 2000 1860 1807 800 290 207 103 248 1380 1520 1520 2760 1.68 1.56 1.53 1.86 1726 133 67 133 820 974 993 1484 a3 1820 2.08 1.45 26 32 875 |78 |256 |445 36.4 |?7 25 34 101 220 414 130 85 56 1145 1405 1805 “Composite: Vị = 60% ( % khối lượng sợi composite) Cacbon modul siêu cao Cacbon modul cao Cacbon độ cao Boron, Aramid Thuỷ tỉnh - Š Thuy tinh - E 76 46 *Kim loai: Thép (loại C - 35) 206 Hop kim nhom(6061-T6) | 69 Hợp kim Titan (6AI- 4V) |1I2 Hap kim mage(DTD88C) | 42 Ghi chit: Modui dic img Độ bên đặc trưng Modul = TY wong = Độ bến Tỷ trọng 1380 | 1.38 |420 260 J980 2800 1.80 35 1000 1556 ph |mssieet Series 18 ° Seriest: Comp Series: Thep —Series3: Nhom Hệ số dãnnở — Tính mỏi nhiệt -dng ten viễn thông - Công nghệ d tử - Kỹ thuật Độ bên môi trường - chế tạo máy - Dụngcụ thể thao + Dung cu dm nhac - Ứng dụng y-sinh - Máy hođ - Các đường ống Hinh 2: So sdnh mt vai dac wing khdc va cde Hah vue ing dung Soi PAN a9 bén cao Soi aramid a modul cao qm Soi pek a i mezopha 100 200 300 400 500 600 700 Modul đàn hồi GPa Hình 3: Độ bên, modul dan héi vài loại soi Khi phân tích đặc trưng học đặc biệt cao sợi bon, cần thiết dừng lại câu hỏi sau: 1.Nguyên nhân đặc ưưng lý cực cao gi? 2.Tại đặc trmg học loại sợi bon lại thay dối tháng giáng giải rộng vậy? 3.Tất loại sợi có đạc trưng ổn định? Bản chất cá đặc trưng học dác biệt sợi bon Nguyên nhân làm sợi bon có modul đàn hỏi cao giá tri nang lượng tương tác nguyên tử cực cao Trong mật nguyên tử xếp chát, nguyên tử bon liên kết với theo liên kết ( quï đạo diện tử sp) Cấu trúc ð mạng nguyên tử graphit có cấu trúc mặt nguyên tử xếp chặt quan sát thấy sợi bon kính hiển vi điện tử truyền qua (hình 4) Sợi ben có đường kính nhỏ nên cấu trúc sợi gần cấu trúc đơn tình thể hồn hảo khơng sai hỏng, độ bền học tính thể hồn hảo gần đạt giá trị lý tưởng (cao nhất) Nói chung, modul đàn hồi vật liệu xác định tương tác nguyên tử Độ cao graphit mặt nguyên tử tạo đặc trưng không phân cực tương rác nguyên tử, khi kéo graphit theo hướng vng góc với mật ngun tử (có liên kết yếu khoảng cách xa hơn) thấp Độ nhiệt, điện graphit xác định tử hoá trị - Từ đặc trưng dễ hiển có khác biệt hệ số đàn hổi Cụ, C;;và Cụ, graphit ( hình 5) modul đàn hỏi có giá trị gần lí tưởng =1060GPu dọc theo mặt nguyên từ 4,5 GPa doc theo hướng vng góc ngược lai Hình 4- ảnh liển ví điện tử truyền qua cia edu tric graphit don tinh thé vợi bon (graphi(a) mơ hình cấu trite db (b) (các đường sọc mặt nguyên tứ C xếp chặt) toaSi €112a0epMôx § Modul dan hoi a 22 i= mã lại of a: 80% pek graphit Mục dịnh huong ? b: soi pek eac bon sai bơi PAN niet cao để soi hạn PAN Diol thop Hình Hệ số đân hồi graphit ảnh ludông mức dé định hướng mặt nguyên từ lên modul dan héi cia sợi bon Nguyên nhân gây nén đa dạng loại sợi Hình Š cho thấy: bọn: a DO chat (stiffness) độ bền sợi bon dạt giá trị cao mật mang tinh thé dinh hướng dọc theo trục sợi b Modul dich chuyển dọc theo mật nguyên tử cải thiện Dễ dàng nhận thấy nguyên nhân gây nên da dạng loại sợi cacbon là: ~Ảnh hưởng sai hỏng cấu trúc tỉnh thể sợi bon đặc biệt sai hỏng chiều ( lệch mạng- dislocation) sai hỏng mặt (twin, stacking fault) Các nhân tố cấu thành bởi: Nguyên liệu đầu vào , chế độ công nghệ Độ ổn định đặc trưng chất lượng cuo sợi cacbon: Medul đàn hổi sợi xác định nhiệt độ gia công giai đoạn cuối mức độ kếo đấn cuả polime, Các thông số công nghệ dễ dàng điều khiển dược nên modul đàn hồi loại sợi cơng nghiệp có,các đặc trưng ổn định bên sợi phụ thuộc nhiều vào sai hỏng cấu trúc việc chế tạo sợi có đặc trưng độ bên ổn định việc khó làm Một điều kiện quan trọng cơng nghệ việc tạo ngun liệu đồng nhất, 1.2 ứng dụng; Các lĩnh vực ứng dụng chủ yếu sợi bon ình bày hình 3% 19% ` 50% á- NHẠT BẠN C1 Hang khong, yu tn ộ- CHAU AU BH Dung ca the thao HOa EI ÂM Che tao may Hình Các lĩnh vực ứng dụng chủ yếu sợi bon" a gig dung hang khong vil tru: Trong lĩnh vực yêu cầu lớn dối với vật liệu vật liệu phải thật nhẹ bẻn, thay hợp kim nhơm, titan, Ở corapoaite sợi bon có đất dụng võ 10 Hình 7: Phanh thể hệ cho suy buy đại làm bang composite C-C (vật liệu ta xát) DEöiTEN Đaytoad capacily 10 Tors 3820 its 3000: WE Savienres LOFLE sea ck Hiuh 8) Khung ngdn cia tau thoi “Space shuttle” Mj lam bang composite soi cdc bon