9679385271

Kompozyty w medycynie 51

z doborem biozgodnych włókien. Dobrą biozgodność wykazują tylko włókna węglowe otrzymane w określonych warunkach, włókna z polimerów resorbowalnych oraz whiskersy otrzymane z HAP [4-6], Styvarza to niewielkie możliwości kombinacji yvłókien i osnowy yv celu otrzymania kompozytu o y\łaściyvościach przydatnych dla danej funkcji biologicznej.

W niniejszej pracy przedstawiono yyyniki badań nad otrzymywaniem biozgodnych kompozytów wzmacnia-nych włóknami węglowymi.

CHARAKTERYSTYKA WŁÓKIEN WĘGLOWYCH STOSOWANYCH W MEDYCYNIE

Z uwagi na korzystne yvlaściyvości mechaniczne i niektóre cechy fizy kochemiczne yvlókna węglowe mogą być wykorzy stane w medycynie w postaci wiązek, plecionek, włóknin oraz jako elementy yvzmacniające w materiałach kompozytoyyych. Podstayvoyyym yyymogiem w tych zastosowaniach jest ich biozgodność. Cala gama obecnych na rynku yvlókien yvęgloyyych różni się zasadniczo swoją budową i właściwościami. Dotyczy to za-równo budowy nano- i mikrokrystalicznej, jak i stanu powierzchni i składu chemicznego. Powstałe kontrower-sje    w    stosowaniu    włókien

węglowych yv medycynie były między’ innymi spowodowane brakiem analizy’ wpływu parametrów’ strukturalnych i powierzchniowych na zachowanie w środowisku biologicznym. Stąd stosowanie włókien przeznaczonych do celów technicznych, a yvięc najczęściej średnio- i yyysokomoduloyyych, objawiało się niekorzy stną odpowiedzią tkankową organizmu. W yyyniku wiclolct-nich badań [7] określono wymogi, jakie muszą spełniać yylókna węglowe przydatne do celóyy medycznych. Nie są one korzystne z punktu widzenia osiągnięcia optymalnych yvłaściyvości mechanicznych kompozytóyy. Wymóg biozgodności najlepiej spełniają yylókna niskomodułoyye, o malej wielkości krystalitów grafito-wych (kilka nm), z kilkuprocentoyyą zayyartością tlenu i z obecnością poyyierzchnioyyych grup funkcyjnych o charakterze zasadoyyym. Grupy te korzy stnie wpływają na reakcję komórkoyyą. W kompozytach natomiast istotniejsze są grupy o charakterze kyvasoyvym, jak karbo-ksyloyye i fenolowe, które są odpoyyiedzialne za tworzenie więzi o charakterze chemicznym, najczęściej z osno-yyami organicznymi [8]. Biozgodność jest jednak czynnikiem najyyażniejszym, co poyvoduje, że do celóyy medycznych często otrzymuje się kompozyty z włóknami węglowymi o yvlaściyvościach dalekich od optymalnych.

KOMPOZYTY WĘGIEL-WĘGIEL (CFRC)

Podstawowym kryterium decydującym o wykorzys-taniu tego kompozytu yv medycynie było potyyierdzenie jego dobrej biozgodności yv badaniach komórkowych in y itro oraz yy badaniach in vivo na zyyicrzętach [91.

Badania proyyadzono, wykorzystując jako prekursor osnowy węglowej żywice fenolowo-formaldehydowe (f-

0    oraz paki. W yyyniku obróbki termicznej w atmosferze obojętnej przekształcają się one yv fazy yyęglowe, które zasadniczo różnią się wielkością krystalitóyy węgloyyych oraz poroyyatością. Ma to istotny wpływ na proces oddziaływania ze środoyyiskiem biologicznym. Fazy' węglowe otrzymane z żywicy fenolowo-formaldc-hydowej są amorficzne (wielkość krystalitóyy Lc = 3 nm)

1    tym samym bardziej podatne na yyystąpienie procesu biodegradacji. W przypadku prekursora pakoyyego wielkość krystalitóyy w fazie węglowej jest rzędu 30 nm. Ogranicza to proces biodegradacji i niekorzystnie yypływa na reakcję komórkoyyą. Na przebieg tych procesów ma yyplyw obecność pirowęgla, fazy yyęgloyycj powstałej yy yyyniku rozkładu termicznego węglowodorów', najczęściej metanu podczas procesu dosycania kompozytu. Jego zwarta mikrostruktura hamuje oddziaływanie poyyierzchnioyye z jednej strony, z drugiej sprzyja poprayyie adhezji na granicy faz wlókno--osnowa. Ilustrują to zmiany yyytrzymalości na między-warstwowe ścinanie (ILSS) dla kompozytóyy otrzymanych z różnych prekursorów i przetrzymywanych yv pły nach fizjologicznych, symulujących naturalne śro-dowisko biologiczne (rys. 1).

|    | -kompozyt wyjściowy

-po przetrzymaniu w płynie fizjologicznym

Rys. 1. Zmiany wytrzymałości na ścinanie kompozytów po przetrzymywaniu w płynach fizjologicznych [9]: A - CFRC. pak. grafit, B -CFRC. pak. grafit, pirowęgicl. C - CFRC, żywica f-f, D - CFRC. żywica f-f. pirowęgiel

Fig. 1. Changesof ILSS in coinposite afier immersion [91: A-CFRC. pitch. graphitc, B - CFRC. pilch, graphile. pyrocarbon. C - CFRC, f-f resin. D - CFRC. f-f resin. pyrocarbon

Adhezja na granicy faz jest nie ty lko głównym czynnikiem decydującym o oddziaływaniu biologicznym, ale także ma istotny wpływ na końcowe właściwości mechaniczne kompozytu. Jak wynika z trójwymiarowej zależności przedstawionej na ry sunku 2, najkorzystniejszą wytrzymałość uzyskują kompozyty węgiel-węgiel, otrzymane z włókien węglowych wysokomodułowych o pośredniej adhezji na granicy faz. Zbyt wysoka wytrzymałość powoduje pękanie kompozytu podczas zwęglania, zbyt niska może być przyczyną całkowitej dclaminacji kompozytu. Przedstawione warunki dla