Формирование пористой структуры поверхности материала межпозвонкового диска лазерной обработкой

Лазеры в медицине, Научная библиотека Комментариев к записи Формирование пористой структуры поверхности материала межпозвонкового диска лазерной обработкой нет

Фандеев В.П., Самохина К.С. // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 3 – С. 148-152, УДК 538.951-405

Статья содержит анализ противоречий, порождающих проблему конструирования протезов межпозвонковых дисков, концепцию, системные и конструкторские принципы разрешения противоречий оптимальным и компромиссным сочетанием анатомической и функциональной совместимости, надёжности и технологичности конструкции с биосовместимостью конструкционных материалов. Показано, что оптимальное сочетание совместимости, надежности и технологичности конструкции в непассивной биологической среде труднодостижимо. Рассматриваются конструкции функциональных протезов межпозвонковых дисков. Приведена классификация и примеры конструкционных материалов протезов межпозвонковых дисков.

Перспективными конструкционными материалами опорных пластин протезов остаются биосовместимые сплавы и неметаллы с упругостью, подобной упругости костной ткани. Предлагаемая технология может быть использована при формировании микропористости поверхности деталей эндопротезов для улучшения их интеграции с костной тканью. Материал статьи может быть полезен разработчикам хирургических имплантатов, специалистам по хирургии позвоночника и пациентам, выбирающим тип протеза.

Описание на английском языке:

FABRICATION DESIGN PROSTHETIC DEVICE BETWEEN VERTEBRA DISK, Fandeev V.P., Samokhina K.C.
Abstract:
This article presents an analysis of contradictions leading to design problem of intervertebral disc prostheses. It describes a concept, the systems and design principles of resolving the contradictions by a compromise settlement of anatomical and functional interoperability, reliability, product manufacturability and biocompatibility of structural materials. It is shown that optimum combination to compatibility, reliability and ease of manufacturing to designs in not passive to biological ambience it is difficult achievable. The designs functional prosthetic device between vertebra disk are considered. The broughted categorization and examples design a material prosthetic device between vertebra disk. Perspective design material of the supporting plates prosthetic device remain the bio compatible alloys and metalloids with bounce, like by bounce bone fabrics. Proposed technology can be used when shaping micro-porosity to surfaces of the details andy-prosthetic device for improvement of their integrations with bone fabrics. Material of the article is useful for developers of surgical implants, spinal surgeons and for patients choosing a type of prosthesis.

Пористая структура конструкционных материалов имплантатов формируется методами порошковой металлургии, нанесением пористых покрытий, травлением. Существенными недостатками традиционных технологий формирования пористой структуры имплантатов являются трудноуправляемость процессов формирования структуры с требуемыми параметрами, опасность отслоения покрытия, наличие и образование биоопасных примесей и химических соединений. Перечисленные недостатки не характерны для технологии формирования макропористой структуры лазерной обработкой.

Лазерное излучение, направляемое на обрабатываемую поверхность, поглощается материалом, и материал нагревается (рисунок) [3]. Результаты теплофизического взаимодействия лазерного излучения с материалом зависят от коэффициента поглощения материала на длине волны излучения лазера, пиковой мощности, длительности воздействия на материал. Теплофизику лазерного нагревания необходимо учитывать при разработке любого технологического процесса лазерной обработки [1, 5, 6].

Процессы теплофизического взаимодействия лазерного излучения с материалом: а – поглощение лазерного излучения; б – нагревание до температуры плавления и плавление после поглощения удельной теплоты плавления Lпл; в – нагревание до температуры кипения и испарение после поглощения удельной теплоты парообразования Lи; г – образование плазмы

Выделившееся тепло распространяется вглубь материала за счёт теплопроводности. Материал нагревается до температуры плавления, жидкая фаза распространяется вглубь материала. При дальнейшем облучении материал нагревается до температуры кипения, испаряется, а пары ионизируются. Давлением паров расплав расплёскивается и в материале постепенно формируется отверстие.

Если интенсивность излучения слишком велика, то в результате испарения образуется высокотемпературная непрозрачная плазма, которая может распространяться навстречу лазерному пучку. Облако плазмы поглощает падающее лазерное излучение и экранирует поверхность образца, препятствуя дальнейшему воздействию лазерного пучка на материал.

Увеличение количества жидкой фазы происходит под влиянием таких факторов, как уменьшение плотности светового потока из-за постепенной расфокусировки лазерного пучка с ростом глубины отверстия, длительности воздействия, неоднородности распределения интенсивности лазерного пучка по сечению из-за модовой структуры. Следовательно, для уменьшения количества жидкой фазы необходимо оптимизировать параметры лазерного пучка:

1) энергетические и временные характеристики лазерного излучения, которые зависят от типа лазера, его устройства;

2) пространственные характеристики лазерного пучка в месте обработки, которые зависят от особенностей оптической системы технологического лазерного комплекса и параметров самого лазерного излучения.

Чем меньше длительность импульса τ лазерного излучения, тем меньше его тепловое и деформационное влияние на обрабатываемый материал вне зоны облучения. Если импульс излучения короткий, плотность энергии высокая, то малый объём материала может расплавиться и испариться до того, как тепло из зоны облучения успеет распространиться в окружающий материал. Длительностью импульса определяются также давление отдачи паров, обратно пропорциональное t0,5. Следовательно, для повышения качества обработки рекомендуется использовать лазер с короткой длительностью импульса, а при использовании непрерывного излучения уменьшать время воздействия.

Лазерная обработка осуществляется автоматизированным комплексом приборов и систем, выполняющих взаимосвязанные функции. Наиболее часто для лазерной обработки материалов используются лазеры, имеющие наносекундную длительность импульса. Более дорогие пикосекундные и фемтосекундные лазеры применяются для выполнения прецизионной обработки. Эксимерные лазеры обеспечивают высокую плотность мощности излучения в ультрафиолетовой области спектра. Лазеры на парах меди, благодаря короткой длине волны и высокому качеству пучка излучения, обеспечивают высокое пространственное разрешение обработки материалов.

Пористая структура поверхности материала формируется технологическими операциями лазерной обработки отверстий, лазерного микроструктурирования и рифления. Наилучшая форма поверхности и краёв отверстия достигается способом многоимпульсной обработки. Глубина отверстия увеличивается постепенно вследствие испарения материала слой за слоем с каждым импульсом. Конечная глубина отверстия определяется полной энергией серии импульсов, а диаметр зависит от средних параметров отдельного импульса. Обработка отверстия необходимой формы и размеров осуществляется перемещением лазерного пучка по заданному контуру или спирали.

Предлагаемая технология может быть использована при формировании микропористости поверхности деталей эндопротезов для улучшения их интеграции с костной тканью, деталей узлов трения для улучшения их антифрикционных свойств.

Полное содержание статьи: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37100

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top