Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství Lekce 4 Polymery Autor: Dr Robert Hill Imperial College London.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství Lekce 4 Polymery Autor: Dr Robert Hill Imperial College London."— Transkript prezentace:

1 Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství Lekce 4 Polymery Autor: Dr Robert Hill Imperial College London

2 πολύς μέρος

3 Poly = mnoho mer = jednotka tj. materiál složený z mnoha jednotek. Reaktoplasty (termosety, pryskyřice): zesíťované polymery do své finální podoby a tvaru. Termoplasty: nejsou zesíťované, lze je zpracovávat v plastickém stavu. Po ochlazení pevné (skelný stav), po zahřátí plastické a lze je opět zpracovat. Polymery – definice

4 Poly(methylmethakrylát)„Tvrdé“ kontaktní čočky Intraokulární čočky Kostní cementy, základ fixních zubních náhrad UHMWPE (Ultra High Molecular Nosná plocha u umělých kloubů - jamky Weight Polyethylen) PET( Polyethylen tereftalát) Umělé tepny (cévy) PolyurethanyKatetry PolyHEMA Měkké kontaktní čočky, (Polyhydroxyethylmethacrylate) P řekryvy ran (obvazy) Matrice pro uvolňování léčiv Silikony (elastomery)Prsní implantáty, obecně výplně dutin PolypropylenSutury, srdeční chlopně, klouby u prstů PolyglykolidBiodegradovatelné sutury Hlavní biomedicínské aplikace polymerů

5 Kolagen Umělé šlachy (ligamentum) Fibrinové „lepidlo“Kostní lepidlo KorálMikroporézní kost Zesíťovaný Umělé srdeční chlopně Perikard (osrdečník) K dispozici jsou také hybridní biomateriály na bázi přírodních materiálů nebo dokonce živých buněk v syntetické matrici (viz tkáňové inženýrství). Biomedicínské aplikace přírodních polymerů

6 Adiční polymery – vyrábějí se radikálovými adičními reakcemi z nenasycených monomerů, tj. nejběžněji monomerů s C=C vazbami. Př.: polyethylén (PE),polymethylmethakrylát (PMMA) kondenzační polymery tvořené reakcí dvou monomerů, kdy se uvolňuje malá molekula (H 2 O, NH 3,..). Kondenzační polymery mohou často v těle hydrolyzovat. Př.: polyamidy (PA) a polyestery (PES) 2 typy syntéz polymerů

7 Polyethylén – adiční polymerizace CC Ethen (monomer) CCCC Polyethylén či C n. CC Free radical. CC CC + (opakující se jednotka) Volný radikál např. benzoyl peroxid +

8 Kondenzační polymerizace Mnoho přírodních polymerů (polysacharidů, proteinů) vzniká kondenzační polymerizací R’C R N + H H OH O amid kyseliny + H 2 O R’CNR OH aminkarboxylová kyselina

9 Stupeň polymerizace (N)- počet jednotek monomeru v polymerním řetězci. N má obecně hodnotu Rozdělení molekulových hmotností v polymeru. Většina polymerů je polydisperzních, tj. v materiálu je zastoupeno mnoho různě dlouhých řetězců o různé MW a v různém množství. Vlastnosti polymerů

10 Homopolymer : polymer obsahující jeden typ monomerních jednotek. Kopolymer : polymer obsahující dva typy monomerních jednotek. Může být: –Náhodný - ABABBAABABAABABAABA –Střídavý - ABABABABAB –Blokový – AAAAAAABBBBBBBAAAAAA Terpolymer: polymer obsahující tři typy monomerních jednotek. Příklad: ABS kaučuku (akrylonitril – butadien – styren) Strukturní typy polymerů

11 Amorfní : bez krystalinity, podobné sklu. Semikrystalické : obsahují amorfní a krystalické oblasti. Jednotlivý polymerní řetězec se vyskytuje jak v amorfní, tak i krystalické části. –Krystalické oblasti fungují jako zesíťovaná místa omezující tok, creep a plastickou deformaci. –Stupeň krystalinity ovlivňuje mechanické vlastnosti. (moduly, pevnost apod.). –Stupeň krystalinity také ovlivňuje permeabilitu plynů, nasákavost vody apod. Strukturní typy polymerů

12 Struktura semikrystalického polymeru Uspořádaná krystalická oblastAmorfní oblast Fig. 4.1

13 Mechanické vlastnosti Tahová zkouška semikrystalického polymeru s relativně nízkým T g ( např. HDPE) Elastická oblast Plastická oblast Mez kluzu

14 Thermoplastické polymery jsou dlouhé tenké moilekuly („jako struny“). Podobně jako struny se zamotávají. „Propletence“ drží polymer dohromady. Fyzické uzly nejsou přítomny. Lom je proces rozmotání klubek Lomové vlastnosti závisí na molární hmotnosti. Pro dobrou pevnost a tuhost polymeru je třeba MW >100,000 Thermoplastické polymery

15 Polymery mají časově závislé mechanické vlastnosti. Mají rysy jak elastických pevných materiálů tak i viskózních tekutin a jejich vlatnosti se mění s časem. Chobvání polymerního materiálu se popisuje jako “viskoelastické” Vlastnosti se blíží čistému viskoelastickému chování blízko T g materiálu. Časová závislost mechanických vlastností

16 Konfigurace polymeru je jeho chemická struktura. Přeměna jedné konfiguratice na druhou vyžaduje přerušení chemické vazby. Konformace polymeru zahrnuje jeho 3D strukturu a ke konverzi jedné konformace v druhou je třeba jen rotace vazeb. Uhlíkový atom se čtyřmi různými substutuenty se nazývá asymetickým uhlíkovým atomem. Je to chirální ( χειρ) centrum. Existují levotočivé (L) a pravotočivé (D) formy chirálních center. Konfigurace a konformace

17 Dvě chirální centra; A je zrcadlovým obrazem B Chirální centra

18 Přítomnost chirálních center má pro polymery velký význam. Monomer s chirálním centrem může polymerizovat třemi způsoby: 1.Chirální centra LH a RH se mohou spojit náhodně, vzniká ataktický polymer. 2.Chirální centra LH a RH se mohou napojovat střídavě, vzniká syndiotaktický polymer. 3.Chirální centra LH a RH se mohou napojovat za zachování jednoho jediného uspořádání, vzniká isotaktický polymer. Chirální centra

19 Vlastnosti polymerů závisí T m a T g. Tání je tok způsobený pohybem řetězců Jak se M w snižuje a rozvětvení řetězců zvyšuje, počet volných konců u řetězců se zvyšuje a T m snižuje Zvyšující se stupeň rotace řetězců snižuje T m Zvyšující se stupeň zesítění zvyšuje T m Jak roste stupeň krystalinity, T m se zvyšuje Teplota tání (T m )

20 Všechny polymery podstoupí přechod ze skelného do plastického stavu při určité teplotě – teplotě skelného přechodu T G. Shoduje se se segmentovým pohybem polymerních řetězců a 4-5 násobným snížením hodnoty modulu. Difusní procesy se zvyšují o několik desítek při přechodu přes T g. Gumový míček pro squash – materiál nad T g. Polymethylmethakrylát při lab. teplotě je pod T g Teplota skelného přechodu (T g )

21 Závislost modulu napěťové relaxace na teplotě pro polymethylmetakrylát, PMMA Teplota | | | | Log E SRM (GPa) C B A I II III IV V Teplotní efekty A =  -proces spojený s rotací vedlejší skupiny (u PMMA to je esterová skupina). B = T g. Nad C lze materiál zpracovávat do forem. E SRM je modul napěťové relaxace.

22 Navrhl de Gennes (NC za fyziku 1991). Polymerní řetězec je zachycen v trubici zámotků. Zámotky (entanglements) omezují pohyb. Pohyb nastává “vrtěním” řetězce podél trubice. de Gennes předpověděl škálovací zákony pro samodifusi, mezidifusi, rozpouštění a viskozitu jako funkci délky řetězce. Plazivý model

23 Prentice rozvinul Model plazení a vytažení řetězce pro lom termoplastů Model zobrazuje lom tak, že nastává rozplétáním klubek při zahrnutí pohybu (vytahování) a natahování klubek polymerních řetězců přes lomovou plochu. Energie se spotřebuje při vytahování řetězců z jejich trubic. Model plazení a vytažení řetězce pro lom termoplastů

24 Získána směrnice 2.45 (tg  oproti předpověděné 2.0. Plateau je při vysoké MW – štěpení polymerních řetězců. Extrapolace na nulovou houževnatost při 2.7 × 10 4 M n, což odpovídá kritické hodnotě pro „zamotání“ řetězců. Prentice - výsledky pro polymethylmetakrylát

25 Kompozit = materiál složený ze dvou či více fází. Př. Plasty vyztužené skleněnými vlákny. Většina přírodních strukturálních biologických materiálů jsou polymerními kompozity, např. Kost je kompozit z kollagenu (protein) a apatitu (keramika). Použitím dvou fází můžeme připravit, vyladit a měnit vlastnosti kompozitu. Kompozity mohou být isotropní (stejné vlastnosti ve všech směrech) nebo anisotropní (vlastnosti jsou v různých směrech různé). Polymerní kompozity

26 Strukturální biologické kompozity jsou optimalizované systémy s ohledem na poměr pevnost/hmotnost. Miliony let evolučního vývoje jsou zřejmé.... Biologické materiály téměř vždy mají anisotropní vlastnosti. Inženýři a fyzikové si často myslí, že biologické systémy postrádají strukturu a organizaci. To ale vůbec není pravda..... Biologické kompozity jsou často vytvořeny na bázi napěněných/celulárních struktur. Cílem je úspora hmotnosti. Biologické kompozity


Stáhnout ppt "Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství Lekce 4 Polymery Autor: Dr Robert Hill Imperial College London."

Podobné prezentace


Reklamy Google