Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
BIOMATERIAA
Y
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,
ultradz
więkowa:
- Mikroskop transmisyjny elektronowy (TEM)
- Mikroskop skaningowy elektronowy (SEM)
- Mikroskop sił atomowych (AFM)
" Spektrometria: optyczna i masowa
" Analiza fluoroscencyjna
" Tomografia: komputerowa, promieniowania X,
magnetycznego rezonansu jÄ…drowego;
" Ultrasonografia
" Elektrokardiografia i encelografia
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Metody mechaniczne badań materiałów
medycznych
" Próba trzypunktowego zginania
" Test ścinania
" Test skręcania
" Test rozciÄ…gania
" Test przeciÄ…gania
" 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
Zasada działania:
Mikroskop składa się z dwóch elementów
powiększających: obiektywu i okularu.
Powiększenie mikroskopu jest iloczynem
Powiększenia obiektywu i okularu.
" 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
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.
Mikroskop elektronowy EM910
Obiektyw i okular zbudowane są z układów soczewek magnetycznych.
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Mikroskopia
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.
Mikroskop AFM
Mikroskop polaryzacyjny Leitza
Dwuwklęsłe dyski to erytrocyty(czerwone
Mikroskop elektronowy EM910
krwinki) - obraz z monitora podłączonego do
jednostki przetwarzajÄ…cej dane z mikroskopu
10
Nanorurki węglowe
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Skaningowa mikroskopia sił (AFM)
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.
11
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Mikroskop ultradz
więkowy
Budowa urządzeń ultradz
więkowych dla celów
diagnostycznych opiera siÄ™ bÄ…dz
na zasadzie
odbierania i analizowania echa, podobnie jak jest
to wykorzystywane w defektoskopii, bÄ…dz
na
przepuszczaniu drgań ultradz
więkowych i ocenie
stopnia pochłaniania.
Mikroskop ultradz
więkowy
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 wzbudzajÄ…cym. Energia promieniowania daje informacjÄ™ o
rodzaju pierwiastka natomiast natężenie rejestrowanego promieniowania o
koncentracji tego pierwiastka w próbce.
Najbardziej popularne rozwiÄ…zania techniczne:
- XRF X-RayFluorescence metoda wykorzystujÄ…ca wzbudzanie
charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego atomów tarczy przez
fotony z lampy rentgenowskiej
- RXRF-RadioisotopeX-RayFluorescence wzbudzanie promieniowaniem ze z
ródeł
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
RENTGENOWSK
SPEKTROGRAFI
EMISYJN

(X-RAY EMISSION SPECTOGRAPHY lub X-RAY FLUORESCENCE ANALYSIS).
Jest instrumentalnÄ… analizÄ… chemicznÄ… opartÄ… na obserwacji charakterystycznego
promieniowania rentgenowskiego pierwiastków wchodzących w skład próbki, wzbudzanego
za pomocÄ… promieniowania emitowanego przez lampÄ™ rentgenowskÄ… lub z
ródła
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 sÄ… 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 ROZWI
ZANIA
TECHNICZNE ROZRÓŻNIAMY KILKA WARIANTÓW
METODY:
" Ze względu na sposób wzbudzania fluorescencji
wyróżniamy:
MetodÄ™ klasycznÄ… (z
ródłem wzbudzającym jest lampa
rentgenowska)
MetodÄ™ radioizotopowÄ… (lampa zastÄ…piona jest preparatem
promieniotwórczym emitującym promieniowanie X lub
gamma)
" Ze względu na sposób analizy widma promieniowania
wzbudzonego w próbce rozróżniamy:
MetodÄ™ stosujÄ…cÄ… dyfrakcjÄ™ promieni X na krysztale
analizującym, zwaną metodą dyspersji długości fali (WLD
XRF)
MetodÄ™ stosujÄ…cÄ… elektronicznÄ… analizÄ™ widma zwanÄ… metodÄ…
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 sÄ… 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
Tomograf komputerowy firmy TOSHIBA
16
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 energiÄ™ promieniowania w
wyniku nagłego wyhamowania w miejscu, które nazywamy
ogniskiem lampy.
17
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Tomografia magnetycznego rezonansu
jÄ…drowego
" Idea obrazowania metodÄ… rezonansu magnetycznego polega na wykorzystaniu
gradientów pola magnetycznego do odróżnienia sygnałów jądrowego rezonansu
magnetycznego pochodzących z różnych miejsc badanej próbki. Tomografia
magnetyczno-rezonansowa opiera siÄ™ na zjawisku jÄ…drowego 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
Próba trzypunktowego zginania służy do wyznaczenia strzałek ugięcia badanej próbki
i obliczenie na ich podstawie odkształcenia w miejscu występowania największych
naprężeÅ„ normalnych Ã.
Przystawka do prób giętkości
System ElectroPuls
20
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Test ścinania
Przystawka do ścinania firmy Instron
21
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.
Model 55MT10 z uchwytami do prętów i troptometrem
do pomiaru obrotu skrętnego.
22
Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
Przedmiot:
Test rozciÄ…gania
" 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)
Maszyna wytrzymałościowa firmy Instron
23
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.
Urządzenie to testów ścieralności (Pin-on-disc ) T-01M
24
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 wewnÄ…trz 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
Twardościomierz Rockwella 600 MRD Twardościomierz Vickersa
Twardościomierz Hildebrand a Twardościomierz Brinella
do badań metodą Shore a
26