Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

BIOMATERIAŁY

13. Metody fizyczne i

mechaniczne badań materiałów

medycznych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Materiały medyczne powinny charakteryzować się wysoką

biotolerancją i odpornością korozyjną, a ich własności
fizyczne, mechaniczne i chemiczne muszą być podobne
do własności żywych tkanek.

Jeżeli własności mechaniczne materiału implantu będą

wyższe niż tkanki kostnej, nastąpi zjawisko tzw.
ekranowania naprężeń – materiał odciąży tkankę od
przenoszenia obciążeń i dojdzie do destrukcji tkanki
kostnej (osteolizy)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Własności fizyczne

• Struktura krystaliczna
• Gęstość
• Współczynnik rozszerzalności

cieplnej

• Przewodność cieplna
• Temperatura topnienia i wrzenia
• Oporność elektryczna
• Moduł Younga
• Granica plastyczności

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Własności mechaniczne

• Twardość
• Wytrzymałość na rozciąganie
• Granica plastyczności
• Wydłużenie
• Wytrzymałość zmęczeniowa (zmęczenie korozyjne,

korozja cierna, naprężenia kontaktowe)

• Współczynnik Poissona
• Moduł sprężystości
• udarność

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Metody fizyczne badań materiałów

medycznych

• Mikroskopia: optyczna, holograficzna, elektronowa,

ultradźwiękowa:

- Mikroskop transmisyjny elektronowy (TEM)
- Mikroskop skaningowy elektronowy (SEM)
- Mikroskop sił atomowych (AFM)
• Spektrometria: optyczna i masowa
• Analiza fluoroscencyjna
• Tomografia: komputerowa, promieniowania X,

magnetycznego rezonansu jądrowego;

• Ultrasonografia
• Elektrokardiografia i encelografia

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Metody mechaniczne badań materiałów

medycznych

• Próba trzypunktowego zginania
• Test ścinania
• Test skręcania
• Test rozciągania
• Test przeciągania
• Test ścierania (pin-on-disc)
• Pomiar twardości

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Badanie przyczepności powłoki do podłoża

• Metoda jakościowa:
- metoda rysy
- metoda szybkich zmian temperatury
- metoda nawodorowania
- metoda nawijania
- metoda piłowania pilnikiem
• Metoda ilościowa:
- metoda odrywania
- metoda zarysowania (scratch test)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Mikroskop optyczny

•

Badanie morfologii powierzchni:

-

badanie jakości powierzchni;

-

badanie uszkodzeń warstwy wierzchniej;

-

diagnozowanie zniszczeń korozyjnych.

•

Badanie struktury (budowy wewnętrznej):

-

określenie struktury materiałów

-

badanie topografii przełomów

.

Mikroskop optyczny

Zasada działania:
Mikroskop składa się z dwóch elementów
powiększających: obiektywu i okularu.
Powiększenie mikroskopu jest iloczynem
Powiększenia obiektywu i okularu.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Mikroskop elektronowy

•

Badanie morfologii powierzchni:

- badanie jakości powierzchni;
- badanie uszkodzeń warstwy wierzchniej;
- diagnozowanie zniszczeń korozyjnych.
•

Badanie struktury (budowy wewnętrznej):

- określenie struktury materiałów
- badanie topografii przełomów.

Budowa mikroskopu elektronowego jest podobna do mikroskopu
otycznego.
Światło z zakresu widzialnego – 400 do 700 nm- zostało zastąpione
wiązką elektronów.
Elektrony z działa elektronowego (filament) przyśpieszane są do energii
100 kV, czemu odpowiada długosc fali 3,7 pm.
Obiektyw i okular zbudowane są z układów soczewek magnetycznych.

Mikroskop elektronowy EM910

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Mikroskopia

10

Mikroskop polaryzacyjny Leitza

Mikroskop elektronowy EM910

Mikroskop AFM

Dwuwklęsłe dyski to erytrocyty(czerwone
krwinki) - obraz z monitora podłączonego do
jednostki przetwarzającej dane z mikroskopu

Nanorurki węglowe

Skaningowy mikroskop elektronowy z detektorem EDS (Energy Dispersive XRay
Spectroscopy) pozwala na identyfikację składu pierwiastkowego badanego
materiału dla wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż bor.
Większość pierwiastków jest wykrywana przy stężeniach rzędu 0,1%.
SEM-EDS to badanie umożliwiające analizę każdego ziarenka i ich rozkład w
pobranej próbce. Służy do identyfikacji związków nieorganicznych w obrazie
(głównie pigmentów). Substancje organiczne (barwniki organiczne, spoiwa
werniksy) pozwala określić chromatografia gazowa - w tym przypadku analizie
podlegają widma gazów będących efektem spalania próbki.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Skaningowa mikroskopia sił (AFM)

11

Mikroskop sił atomowych (

AFM) posiada sondę skanującą,

która umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością
rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu. Mikroskop AFM
wykorzystuje siły oddziaływań międzyatomowych na zasadzie
przesuwania ostrza krzemowego po lub nad powierzchnią próbki.

Tryby pracy mikroskopu AFM:
- tryb kontaktowy;
- tryb bezkontaktowy;
-tryb z przerywanym kontaktem.

Wynikiem pomiarów przy pomocy mikroskopu AFM są obrazy
przedstawiające kształt badanej powierzchni.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Mikroskop ultradźwiękowy

Mikroskop ultradźwiękowy

Budowa urządzeń ultradźwiękowych dla celów

diagnostycznych opiera się bądź na zasadzie
odbierania i analizowania echa, podobnie jak jest
to wykorzystywane w defektoskopii, bądź na
przepuszczaniu drgań ultradźwiękowych i ocenie
stopnia pochłaniania.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Analiza fluoroscencyjna

•

Czuła metoda analityczna do określania koncentracji pierwiastków.

•

Zasada działania: rejestracja charakterystycznego promieniowania X
emitowanego z atomów na skutek jonizacji wewnętrznych powłok atomowych
promieniowaniem wzbudzającym. Energia promieniowania daje informację o
rodzaju pierwiastka natomiast natężenie rejestrowanego promieniowania o
koncentracji tego pierwiastka w próbce.

Najbardziej popularne rozwiązania techniczne:
-

XRF–X-RayFluorescence–metoda wykorzystująca wzbudzanie

charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego atomów tarczy przez
fotony z lampy rentgenowskiej

-

RXRF-RadioisotopeX-RayFluorescence–wzbudzanie promieniowaniem ze źródeł
promieniotwórczych (np. 109Cd)

-

SRIXE(SR-XRF) –Synchrotron RadiationInducedX-RayEmission–
wzbudzanie silnym promieniowaniem synchrotronowym

-

PIXE–ParticleInducedX-RayEmission–wzbudzanie
cząstkami naładowanymi z akceleratora

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

RENTGENOWSKA ANALIZA FLUORESCENCYJNA

zwana jest też

RENTGENOWSKĄ SPEKTROGRAFIĄ EMISYJNĄ

(X-RAY EMISSION SPECTOGRAPHY lub X-RAY FLUORESCENCE ANALYSIS).

Jest instrumentalną analizą chemiczną opartą na obserwacji charakterystycznego

promieniowania rentgenowskiego pierwiastków wchodzących w skład próbki, wzbudzanego
za pomocą promieniowania emitowanego przez lampę rentgenowską lub źródła
radioizotopowe.

XRF jest metodą porównawczą, ilościowa interpretacja jej wyników wymaga stosowania

zestawu wzorców (standardów) o znanym składzie chemicznym.

Porównując tą metodę do optycznej spektrometrii emisyjnej można zauważyć że różni się

jedynie zakresem energii( długości fali) promieniowania; zamiast światła widzialnego
stosowane są tu promienie rentgenowskie.

Rentgenowska analiza fluorescencyjna jest metodą porównawczą, konieczne jest stosowanie

wzorców o znanym składzie chemicznym.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Z UWAGI NA STOSOWANE ROZWIĄZANIA

TECHNICZNE ROZRÓŻNIAMY KILKA WARIANTÓW

METODY:

• Ze względu na sposób wzbudzania fluorescencji

wyróżniamy:

Ø Metodę klasyczną (źródłem wzbudzającym jest lampa

rentgenowska)

Ø Metodę radioizotopową (lampa zastąpiona jest preparatem

promieniotwórczym emitującym promieniowanie X lub

gamma)

• Ze względu na sposób analizy widma promieniowania

wzbudzonego w próbce rozróżniamy:

Ø Metodę stosującą dyfrakcję promieni X na krysztale

analizującym, zwaną metodą dyspersji długości fali (WLD

XRF)

Ø Metodę stosującą elektroniczną analizę widma zwaną metodą

dyspersji amplitudy lub dyspersji energii (ED XRF)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Tomografia komputerowa

•

Metody tomografii komputerowych umożliwiają wyznaczanie dwuwymiarowego (2D) lub
trójwymiarowego (3D) rozkładu wybranej wielkości fizycznej na podstawie serii jednowymiarowych
pomiarów lub czterowymiarowego (4D) tj zmiana 3D w czasie (np. bijące serce)

•

Podstawowa zasada działania CT opiera się na założeniu,
że wewnętrzną strukturę obiektu (ciała) można zrekonstruować na podstawie pewnej liczby
pomiarów zewnętrznych. Pomiary
te wykonywane są podobnie jak w obrazowaniu klasycznym RTG, tzn. promieniowanie X jest
emitowane przez lampę, następnie promieniowanie to napotyka obiekt (ciało)
i w zależności od struktury materiału jest w większym
lub mniejszym stopniu pochłaniane, co jest odzwierciedlane
na detektorach umieszczonych za obiektem.

•

Rodzaje tomografii komputerowej:

-

Tomografia promieniowania X (CT – computer tomography)

-

Emisyjna tomografia komputerowa pojedynczych fotonów (SPECT)

-

Pozytonowa tomografia komputerowa (PET)

•

Tomografia komputerowa służy do oceny:

-

wielkości

-

kształtu

-

struktury wewnętrznej

16

Tomograf komputerowy firmy TOSHIBA

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Tomografia promieniowania X

• Dyfrakcja rentgenowska (XRD) – analiza fazowa,

rozróżnienie faz stałych amorficznych od krystalicznych;
skład fazowy próbek krystalicznych.

• Promieniowanie X lub promieniowanie rentgenowskie jest to

fala elektromagnetyczna od długości w zakresie od 10
nanometrów do 100 piktometrów

• Idea wytwarzania promieni RTG polega na nadaniu wolnym

elektronom odpowiedniej energii kinetycznej w kierunku od
katody do anody i zamianie jej na energię promieniowania w
wyniku nagłego wyhamowania w miejscu, które nazywamy
ogniskiem lampy.

17

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Tomografia magnetycznego rezonansu

jądrowego

•

Idea obrazowania metodą rezonansu magnetycznego polega na wykorzystaniu
gradientów pola magnetycznego do odróżnienia sygnałów jądrowego rezonansu
magnetycznego pochodzących z różnych miejsc badanej próbki. Tomografia
magnetyczno-rezonansowa opiera się na zjawisku jądrowego rezonansu
magnetycznego (NMR – ang. Nuclear magnetic resonance).

•

Spektroskopia NMR polega na wzbudzaniu spinów jądrowych znajdujących się w
zewnętrznym polu magnetycznym poprzez szybkie zmiany pola magnetycznego,
a następnie rejestrację promieniowania elektromagnetycznego powstającego na
skutek zjawisk relaksacji (czyli powrotu układu spinów jądrowych do stanu
równowagi termodynamicznej).

18

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Metody mechaniczne badań

materiałów medycznych

19

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Próba trzypunktowego zginania

20

Próba trzypunktowego zginania służy do wyznaczenia strzałek ugięcia badanej próbki
i obliczenie na ich podstawie odkształcenia w miejscu występowania największych
naprężeń normalnych σ.

System ElectroPuls

Przystawka do prób giętkości

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Test ścinania

21

Przystawka do ścinania firmy Instron

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Test skręcania

• Próba na skręcanie umożliwia scharakteryzowanie takich

właściwości, jak moduł sprężystości poprzecznej, końcowa
wytrzymałość na ścinanie, umowna wytrzymałość na ścinanie oraz
plastyczność.

• Urządzenie do testu skręcania dokonuje pomiaru momentu

obrotowego oraz kąta skrętu względem nieruchomego przyrządu
pomiarowego.

22

Model 55MT10 z uchwytami do prętów i troptometrem
do pomiaru obrotu skrętnego.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Test rozciągania

• Próby na rozciąganie wykonuje się w celu wyznaczenia granicy

plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wyznaczenia
parametrów wydłużenia oraz modułu sprężystości.

• Próba statycznego rozciągania pozwala na obserwację zachowania

się materiału w całym zakresie odkształceń (sprężystym, sprężysto-
plastycznym do momentu zerwania)

23

Maszyna wytrzymałościowa firmy Instron

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Test ścierania (pin-on-disc)

• Badanie własności tribologicznych materiałów

medycznych (badanie tarcia i zużywania)

• Pomiar ścieralności polega na pomiarze ubytku masy

próbki podczas ścierania jej na wirującej tarczy ściernej.

24

Urządzenie to testów ścieralności (

Pin-on-disc ) T-01M

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Pomiar twardości

•

Twardość – mechaniczna własność materiału wyrażająca się odpornością na odkształcenie
plastyczne przy działaniu skupionego nacisku na jego powierzchnię, podczas wciskania
tzw. wgłębnika czyli penetratora

•

Metody pomiaru twardości:

1. Metody oparte na wciskaniu:
a) statyczne:
-

Brinella – wgłębnik: kulka stalowa hartowana o minimalnej twardości 850 HV lub kulki z
węglików spiekanych. Twardość HB (skala 3 – 600)

-

Rockwella – wgłębnik ma kształt stożka lub kulki. Twardość HR

-

Vickersa – wgłębnik: diamentowy ostrosłup o kwadratowej podstawie. Twardość HV
(skala 80 - 700)

-

Inne

b) dynamiczne:
-

metoda Poldi – pomiaru dokonuje się za pomocą tzw. młotka Poldi

-

Skleroskopem Shore’a – swobodne spadanie kulki wewnątrz szklanej rury i pomiar
wysokości, na jaką się odbije

-

Wahadłem Herberta

1. Próby zarysowania – metoda Martensa

2. Metody sprężystego odskoku

25

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Pomiar twardości

26

Twardościomierz Rockwella 600 MRD

Twardościomierz Vickersa

Twardościomierz Hildebrand’a
do badań metodą Shore’a

Twardościomierz Brinella