Odmiany węgla
Biomateriały
vð Diament
" Hybrydyzacja sp3;
Seminarium X
" Sieć regularna, przestrzennie centrowana;
" Stała sieciowa a wnosi 0,3567nm, odległość między atomami węgla 0,154nm;
" Materiał supertwardy (10-stopień w skali Mosha);
" Posiada najniższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, obojętny
chemicznie, odporny na ścieranie, bardzo dobrze przewodzi ciepło, jest
izolatorem elektrycznym.
vð Grafit
" Hybrydyzacja sp2;
" Struktura heksagonalna  odległość pomiędzy warstwami
Węgiel w medycynie
grafitowymi 0,3345nm, odległość pomiędzy atomami węgla w warstwie wynosi
0,1417nm;
1. Węgiel włóknisty;
" Materiał miękki (1-stopień w skali Mosha);
" Posiadają wysoką temp. sublimacji (~4000K), dobre właściwości
2. Węgiel warstwowy;
mechaniczne, niski ciężar właściwy, bierność chemiczną (do ok. 900K),
wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne, dobre właściwości smarne
Formy przejściowe węgla
Formowanie włókien z poliakrylonitrylu (PAN)
Etapy otrzymywanie włókien z poliakrylonitrylu (PAN)  metoda formowania włókien na
mokro:
vð Włókna wÄ™glowe
Przygotowanie roztworu polimeru w rozpuszczalniku (roztwory przędzalnicze);
" Budowa ich znacznie odbiega od naturalnego lub syntetycznego grafitu gdyż cechują się Formowanie włókien;
brakiem trójwymiarowego uporządkowania w strukturze włókna oraz występowania Zestalanie i rozciąg włókien;
heteroatomów pozostałych z obróbki prekursora organicznego (np. PAN, pak
PÅ‚ukanie i suszenie.
mezofazowy, celuloza);
" Właściwości włókien C zależą od rodzaju prekursora i warunków jego przetwarzania;
" Dominującymi cechami użytkowymi włókna są jego wytrzymałości i duży moduł
sprężystości.
vð WÄ™giel szklisty
" Posiada specyficzną strukturę  połączenie grafitu i diamentu;
" Otrzymywany w wyniku pirolizy utwardzonych polimerów (polifenol, poliimidy,
poliakrylonitryl, żywice fenolowe itp.);
Włókna węglowe
" Cechuje się znikomą porowatością.
vð WÄ™giel pirolityczny
vð WÄ™giel diamentopodobny
Utlenianie Karbonizacja
Grafityzacja
üðtlen, powietrze; üðargon;
üðargon;
üðtemperatura: 180-3000Cüðtemperatura: 10000C
üðTemperatura: 2000-30000C
1
Cechy biozgodnych włókien węglowych otrzymywanych z
Cechy, które decyduję o atrakcyjności włókien węglowych
PAN-poliakrylonitryl
dla zastosowań medycznych:
qð włókna niskomoduÅ‚owe;
qð temperatura karbonizacji ok. 10000C; MaÅ‚a gÄ™stość odniesiona do dużej wytrzymaÅ‚oÅ›ci
qð budowa wewnÄ™trzna włókien: lepiej Pojemność cieplna zbliżona do tkanek
uporządkowana warstwa zewnętrzna i
Możliwość dopasowania parametrów mechanicznych
silnie zaburzone wnętrze;
do wymagań tkanki - kompozyty włókniste
Włókna węglowe z PAN SEM 500x
qð maÅ‚a gÄ™stość <1,4 [g/cm3],
Składnik nadający kierunkowe właściwości
porowatość do 15%;
biomateriałom kompozytowym- np. wzrost tkanki w
qð fragmentacja podÅ‚użna włókien;
obrębie wiązki włókien (protezy, więzadła,ścięgna)
Biologiczne włókna węglowe, a klasyczne włókna Degradacja włókien węglowych w środowisku biologicznym
węglowe - porównanie wybranych właściwości
Rodzaj degradacji zależny od struktury włókien
Włókna wysoko-krystaliczne  odporne chemicznie, nie utleniające się
w środowisku biologicznym
Włókno węglowe Biologiczne włókno
Włókna nisko-krystaliczne  fragmentacja w środowisku biologicznym
węglowe
Włókna nisko-krystaliczne  utlenianie poprzez kolejne stadia (fazy o
Odkształcenie przy 1  1.5% 3.5  4.0% wzrastającej ilości tlenu)
zniszczeniu
Rozwinięcie ok.1m2/g ok.5m2/g
Zastosowanie włókien węglowych w medycynie:
powierzchni
Sztuczne więzadła i ścięgna
Opatrunki
Hydrofilowość/ Hydrofobowa Hydrofilowa
Włókniny i tkaniny do leczenia ubytków tkanek
hydrofobowość
powierzchnia powierzchnia
Inżynieria tkankowa
Nośniki leków
Ilość fazy amorficznej Przewaga fazy Przewaga fazy
Nanorurki, nanowłókna -nośniki leków, biosensory, terapia
krystalicznej amorficznej
genowa
Kompozyty z włóknem węglowym  implanty biomechaniczne
2
Zachowanie włókien węglowych w środowisku biologicznym
Badania degradacji protez więzadła (plecionka
włóknista) poddanej działaniu sztucznego i naturalnego
środowiska biologicznego
11,0
simulated body fluid
living body
10,5
10,0
üð Inkubacja pod naprężeniami dynamicznymi w pÅ‚ynie Ringera w
9,5
tem.370C;
9,0
üð Implantacja  tkanka podskórna królika;
8,5
üð Badania po różnych okresach czasu (od kilku dni do 2 lat);
8,0
üð Przedmiotem analizy jest: Å›rednica elementarna, odksztaÅ‚cenie
7,5
przy zniszczeniu, Elektronowy Mikroskop Skaningowy (SEM).
7,0
0 20 40 60 80
days
Wykres zmiany średnicy włókien węglowych (niskomodułowych) w środowisku biologicznym
Zachowanie włókien węglowych w środowisku biologicznym
1100
2700 SEM włókien węglowych 
sztuczne środowisko
1 ,3
l i v i n g b o d y
1 ,2
Niskomodułowe
1 ,1
1 ,0
0 ,9
0 ,8
0 ,7
0 ,6
Wysokomodułowe
0 ,5
0 ,4
1 10 100
days
Wykres zmiany odkształcenia włókien węglowych (niskomodułowych i wysokomodułowych) w
środowisku biologicznym
3
diameter,
mð
m
strain, %
SEM włókien węglowych  środowisko naturalne
Powłoki węglowe
Włókna węglowe wyskomodułowe
Włókna węglowe niskomodułowe
Powłoki węglowe stosowane w medycynie: Zadania powłok węglowych na powierzchni implantów
metalicznych i ceramicznych:
vð poprawa wÅ‚asnoÅ›ci tribologicznych;
üð wÄ™giel pirolityczny typu LTIC (low-temperature
isotropic carbon); vð zmniejszenie zużycia przez Å›cieranie;
üð wÄ™giel ULTIC (ultra low-temperature isotropic vð redukcjÄ™ moduÅ‚u Younga;
carbon);
vð zwiÄ™kszenie powierzchni kontaktu przez powstanie
üð wÄ™giel PVDC (physical vapor  deposited carbon); miÄ™kkiej drugiej fazy;
üð wÄ™giel DLC (diamond  like carbon). vð obniżenie powierzchni Å›lizgowych;
vð poprawÄ™ biozgodnoÅ›ci.
4
Otrzymywanie węgla pirolitycznego Węgiel LTIC
żð Mikrostruktura LTIC w sÅ‚abym stopniu ulega
Węgiel pirolityczny należy do rodziny węgli turbostratycznych
porządkowaniu pod wpływem temperatury;
mikrostruktura węgli pirolitycznych charakteryzuje się laminarną
żð Krystality wzglÄ™dem siebie poukÅ‚adane sÄ… w
budową zbliżoną do grafitu, jednakże wielkość obszarów
sposób przypadkowy (izotropowo);
uporządkowania zależy przede wszystkim od temperatury
żð Temperatura wytwarzania LTIC 800-1500oC;
żð UÅ‚ożenie krystalitów grafitowych w warstwie jest
silnie nieuporządkowane, dzięki czemu węgiel
taki charakteryzuje się wysoką twardością i małą
Nisko Wysoko
Średnio uporządkowany ścieralnością.
Izotropowy
uporzÄ…dkowany
uporzÄ…dkowany
Otrzymuje je siÄ™ metodami: pirolizy-CVD
(chemiczne osadzanie z fazy gazowej), PVD
(fizyczne odparowanie)
Powierzchnia
Temperatura ok. 2900oC
Własności warstw DLC
Węgiel diamentopodobny - DLC
jest metatrwałą strukturą amorficzną zawierającą
üð w tem. pokojowej sÄ… chemicznie obojÄ™tne wobec prawie wszystkich
znaczącą ilość wiązań sp3 występujących
rozpuszczalników i nie ulega degradacji w obecności silnych kwasów,
pomiędzy atomami węgla;
alkali oraz rozpuszczalników organicznych;
struktura jego jest silnie zdefektowana;
zbudowane sÄ… z mikrokrystalitów diamentowych üð wysoka twardość od 10 do 30 GPa;
o wymiarach dziesiÄ…tek mðm;
üð współczynnik tarcia zależy od struktury warstwy oraz warunków
zawiera w swojej strukturze wodór (w literaturze
środowiska (próżnia, środowisko wilgotne);
zwany jako a-C-H  węgiel amorficzny zawierający
wodór, bądz
a-C  wÄ™giel amorficzny); üð o niskim współczynniku tarcia i niskiej Å›cieralnoÅ›ci oraz niskiej adhezji
ilość wodoru w a-C-H od 10% do 60%, w a-C ok. innych materiałów od warstw DLC decyduje stosunek H/E oraz S/H
1%;
(H-twardość  jak dla ceramiki, E-moduł Younga  jak dla materiałów
inne pierwiastki mogą wchodzić w strukturę DLC
organicznych, S-energia powierzchniowa);
np. azot, krzem, fluor oraz metale;
üð współczynnik tarcia dla DLC w próżni wynosi od 0,007-0,4,
Można je otrzymać za pomocą metod: PVD (phisical
w powietrzu o wilgotności 20%-60% wynosi 0,05-1,00
vapour deposition  fizyczne odparowanie), CVD 
(Chemical Vapour Deposition  chemiczne
üð tworzenie siÄ™ warstwy transferowej sprzyja zmniejszeniu tarcia
osadzanie z fazy gazowej)
pomiędzy powierzchniami trącymi.
5