Разработка металлозамещающих полимерных и композиционных материалов для получения нового поколения медицинских инструментов Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет И.Н. Мусин 1

Казанский национальный исследовательский технологический университет – это учебное заведение, имеющее более чем 100-летнюю историю и являющееся родоначальником высшего политехнического образования в Поволжском регионе. 2

ГК Шифр «Кама» с 22 августа 2011 г. по 22 марта 2013 г. Головной исполнитель: ООО НПЦ «Технополис», г. Казань Соисполнители: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казаньв части полимерных материалов ООО ПТО «Медтехника», г. Казаньв части металлокерамических материалов ХК ОАО «НЭВЗ-Союз», г. Новосибирскв части керамических материалов ООО «Комплект ТС», г Казаньв части нанесения покрытий «Разработка металлозамещающих полимерных и композиционных материалов для получения нового поколения медицинских инструментов» Цели работы: Разработка технологии производства металлозамещающих полимерных и композиционных материалов для изготовления медицинских инструментов однократного применения и технологии нанесения соответствующих тонкопленочных биологически совместимых и бактерицидных покрытий, отвечающих современным требованиям, удовлетворяющих нуждам отечественного здравоохранения и обеспечивающих импортозамещение и экспорт Задачи работы определены ведомостью исполнения по ГК. Должны быть достигнуты следующие параметры разработанных материалов Полимерный материалКерамический материал Всего 96 млн. руб. бюджетных средств и 64 млн. руб. собственных средств Температура формирования, ˚С не менее 200 Прочность на разрыв, МПане менее 10 Параметр шероховатости, мкмне более 0,2 Коэффициент использования материала не менее 0,8 Плотность, г/см 3 не менее 0,8 Твердость по Виккерсу, ГПа не менее 13 Прочность на изгиб, МПа Модуль Юнга, ГПа Трещиностойкость, МПА·м 1/2 не менее 5 Прочность на сжатие, МПа800 3

В процессе выполнения работ по госконтракту выполнено и разработано: отчет о патентных исследованиях отчет о маркетинговых исследованиях медико-технические требования КБМ МТТ комплекты технической документации на изготовление экпериментальных образцов материалов РХТУ , КНИТУ , РАСЛ протокол предварительных испытаний образцов материалов состав новых материалов комплект технической документации на технологию изготовления опытных образцов металлозамещающих полимерных и композиционных материалов полимерных: а) на основе полипропилена – ТР и ТУ ; б) на основе полиамида – ТР и ТУ ; в) на основе поликарбоната – ТР и ТУ ; г) на основе полисульфона – ТР и ТУ ; д) на основе полиэифирэфиркетона – ТР и ТУ ; композиционных материалов а) РАСЛ ; б) РАСЛ ; в) РАСЛ ; композиционных материалов на основе карбидов вольфрама МТ ; комплект технологической документации на нанесение тонкопленочных биологически совместимых и бактерицидных покрытий ТС опытные образцы моделей мединструментов из новых материалов ТУ на новые материалы в количестве 7 наименований: ТУ ,ТУ , ТУ , ТУ , ТУ , ТУ , ТУ , ТУ Конструкторская документация на технологическое оснащение МФМТ , РАСЛ , РАСЛ , КХТИ Исследования по определению патентной чистоты Поданы 3 заявки на патент: , , Проведены токсикологические исследования 4

Разработаны рецептуры (состав) металозамещающих полимерных и композиционных материалов По композиционным материалам на основе карбидов вольфрама разработан следующий состав: ТВН-МТ - карбид вольфрама 87%, никель 12% с добавкой карбида тантала 1% - под армирующие пластины иглодержателя и ножниц сосудистых Определена патентная чистота разработанного материала Заявка на МИ – Хирургический зажимный инструмент Технологическая документация МТ – Комплект технической документации на изготовление опытных образцов композиционных материалов на основе карбидов вольфрама 5

Наименование характеристики Единица измерения Технические характеристики по ТЗ Технические характеристики металлокерамического материала ТВН-МТUK SERRATIONS Твердость по ВиккерсуГПане менее Прочность на изгибМПа Модуль ЮнгаГПа, ТрещиностойкостьМПа*м 1/2 не менее 586 Прочность на сжатиеМПа,не менее ТвердостьHRA-87,385,1 Плотностьг/см 3 -14,6- Степень пористости%-0,03- Цена за элемент на изделиеруб./шт.-45 за пару (4 тыс. шт. (0,1 г))- Цена за иглодержатели Aesculapруб./шт Цена за иглодержатели ПТО «Медтехника» руб./шт Состав: основа связка ---- WC не нормировано WC Ni WC Co Достигнутые технические характеристики металлокерамического материала Токсикологическое заключение от 31 октября 2012 г. Приказ по предприятию об организации опытно-промышленного участка 11-П от 9 января 2013 года Комплект конструкторской документации на средства технологического оснащения МФМТ Выпущена опытно-промышленная партия в количестве 98 штук, акт изготовления 45 от 11 февраля 2013 года Сосудистый мединструмент с металлокерамическими вольфрамсодержащими спеченными сплавами Преимущества материала ТВН-МТ; -металлическая основа – никель; - повышенная твердость. 6

Фотографии опытно-промышленного участка производства 7

Из полимерных материалов разработаны следующие составы состав 1: полипропилен 68,0%, рубленое стекловолокно 30,0%, мел 2,0% состав 2: полиамид 69,5%, рубленое стекловолокно но 30,0%, стабилизатор 0,5% состав 3: поликарбонат 68,0%, рубленое стекловолокно 30,0%, мел 2,0% состав 4:полисульфон 68,5%, рубленое стекловолокно 30,0%, стабилизатор 1,5% состав 5: полиэфиэфиркетон 68,0%, рубленое стекловолокно 30,0%, стабилизатор 2,0% низкая токсичность, допущен для применения в медицинской технике в промышленных масштабах; высокая прочность, умеренные литьевые свойства, дешевизна низкая токсичность, валовое производство, умеренные цены и технологичность ограниченность в применении в медицине. организуется отечественное производство, невысокая технологичность, высокие прочностные свойства закупки по импорту, наивысшая прочность из полимеров, перспективен для медицинской техники, значительные цены и нетехнологичность 8

Разработаны ТУ ТУ «Композиционный материал на основе полипропилена для производства медицинских инструментов (КМПП-М)»; ТУ «Композиционный материал на основе полиамида для производства медицинских инструментов (КМПА-М)»; ТУ «Композиционный материал на основе поликарбоната для производства медицинских инструментов (КМПК-М)»; ТУ «Композиционный материал на основе полисульфона для производства медицинских инструментов (КМПСФ-М)»; ТУ «Композиционный материал на основе полиэфтрэфиркетона для производства медицинских инструментов (КМПЕЕК-М)». Определена патентная чистота композиции Подана заявка на изобретение Полимерная композиция Технические характеристики полимерных материалов Наименование параметра Единица измерения Марка материала Значение по ТЗ КМПП-МКМПА-МКМПК-МКМПСФ-МКМПЕЕК-М Температура формирования ˚С не менее 200 Прочность на разрыв МПа не менее 10 Параметр шероховатости мкм0,2 не более 0,2 Коэффициент использования материала 0,85 0,8 не менее 0,8 Плотность г/см 3 1,38 1,411,441,45 не менее 0,8 Цена материала разработанного/импортного руб./кг81/95 (KINGFA) 161/230 (Evonik Industries) 123/1800 (SUMSUNG) 1170/2000 (BASF) 5194/8500 (Victrex plc) (проект) - Цена за полимерный пинцет анатомический Aesculap руб./шт Цена за полимерный пинцет анатомический ПТО «Медтехника» руб./шт. 30 (1 млн..штук) - Получено токсикологическое заключение на полимерные материалы: КМПСФ-М, КМПЕЕК, КМПА-М, КМПК-М. КМПП-М от 31 октября 2012 года 9

Был синтезирован новый полимер для медицинских инструментов, сополимер медицинский поликарбоната и полисульфона ПКМ-М, состава: Поликарбонат100 мас. ч. Полисульфон10-25 мас.ч. Модифицирующая добавка0,2-1,0 мас.ч. Разработаны ТУ Разработан промышленный регламент ТР Технологическое оснащение БРХТ Имеется токсикологическое заключение Свойства материала: Наименование параметра Единица измерения ПКМ-МЗначение по ТЗ Температура формирования, ˚С не менее 200 Прочность на разрыв, МПа63не менее 10 Параметр шероховатости, мкм0,2не более 0,2 Коэффициент использования материала 0,8не менее 0,8 Плотность, г/см 3 1,42не менее 0,8 Выпущена опытно-промышленная партия материала 10

Организовано опытно-промышленное производство полимерных материалов Распоряжение проректора КНИТУ об организации опытно-промышленного производства от 29 января 2012 года КД на средства технологического оснащения КХТИ , акт его изготовления от 4 февраля 2013 года Выпущена опытно-промышленная партия в количестве 25 кг, акт изготовления от 4 февраля 2013 года Промышленный регламент ТР

Разработана технология вакуумного напыления тонкопленочных биологически совместимых и бактерицидных покрытий на новые композиционные материалы, включая керамику металлокерамику на основе карбидов вольфрама и полимерные материалы. Состав покрытия: – смесь нитридов титана и гафния в соотношении 70% на 30%. Определена патентная чистота материала покрытия Комплект технологической документации на нанесение тонкопленочных биологически совместимых и бактерицидных покрытий ТС Материал покрытия и состав Толщина покрытия, мкм Микротвердость кгс/мм 2 (ГПа) Адгезия Параметр шероховатости, мкм Наличие биологически активных свойств Себестоимость процесса, руб./шт. Смесь нитридов: Титана 70% Гафния 30% (20-30) отличнаяне более 0,2-0,3имеется4,0 Implantcast ФРГ Нитрид титана 3-6(21-25)хорошаяне более 0,03не имеется- Технические характеристики покрытия 12

Выпущена установочная партия металлозамещающих полимерных и композиционных материалов с тонкопленочным биологически совместимым и бактерицидным покрытием всего в количестве 60 штук, акт от 12 февраля 2013 года. Проведена технологическая подготовка производства для изготовления установочной партии моделей медицинских инструментов однократного применения из металлозамещающих полимерных и композиционных материалов, с тонкопленочным биологически совместимым бактерицидным покрытием 13

По керамическим композиционным материалам разработаны составы: КМ-Ц30 : 69%Al 2 O 3 30%ZrO 2 c микроструктурными добавками нанопорошка Al 2 O 3, нановолокон Al 2 O 3 и нанопорошка ZrO 2 общей суммой 1% - под армирующие пластины иглодержателя; КМ-Ц100 : 99%ZrO 2 стабилизированный I 2 O 3, Hf 2 O 3 c микроструктурной добавкой нанопорошка ZrO 2 общей суммой 1% - высокопрочная, наноструктурированная керамика под режущий инструмент; пластины для пинцетов и иглодержателей керамическое лезвие скальпеля пластины заготовки Определена патентная чистота материала ТУ – Материал керамический композиционный для медицинских инструментов Заявка – Композиционный керамический материал Технологическая документация: РАСЛ – Комплект документов на технологический процесс помола диоксида циркония для изготовления опытных образцов пластин керамических из алюмоциркониевого/циркониевого модифицированного композита РАСЛ – Комплект документов на технологический процесс приготовления шликера для изготовления опытных образцов пластин керамических алюмоциркониевого/циркониевого модифицированного композита РАСЛ – Комплект документов на групповой технологический процесс изготовления опытных образцов пластин керамических из алюмоциркониевого/циркониевого модифицированного композита 14

Наименование технической характеристики Единица измерения КМ-Ц30КМ-Ц100 Керамика фирмы Satoshi Технические характеристи ки по ТЗ Предел прочность на изгибМПа Прочность при сжатииМПа МикротвердостьГПа14,813,812,0не менее 13 Показатель вязкости разрушения МПа*м 1/2 5,765не менее 5 Модуль упругости статическим методом ГПа Цена за единицу продукции руб./шт. Армирующие пластины - 50 (4 тыс. шт. (0,05 г)) Заготовка – пластина 100 см 2 – 300 Лезвие - 75 (4 тыс. шт. (0,8 г)) 2 (1,2 млн шт.) Заготовка – пластина 100 см 2 – 30 $ - Достигнутые технические характеристики керамических материалов Токсикологическое заключение на материал от 2 октября 2012 г., от 2 октября 2012 г. Приказ по предприятию об организации опытно-промышленного производства материалы 385 от КД на средства технологического оснащения РАСЛ , РАСЛ и акт изготовления технологического оснащения от 29 января 2013 г. Опытно-промышленная партия материала в виде заготовок в количестве 88 штук, акт изготовления от 29 января 2013 г. - толщина режущей кромки 0,1-0,2 мкм (тогда как у металлических 0,7 мкм); - срок службы без переточки в 7-10 раз выше, чем у металлического инструмента; - меньшая травмируемость микротекстуры ткани (шов заживает в 2-3 раза быстрее) за счет сглаживания микрорельефа режущей поверхности скальпеля по сравнению с микрорельефом металлического скальпеля; - абсолютная инертность к агрессивным средам; - материал – аналог циркониевой керамики. Керамический скальпель из керамики на основе диоксида циркония разработки РХТУ им. Д.И. Менделеева Преимущества керамических скальпелей произведенных по ГОСТ материал – высокопрочная циркониевая керамика КМ-Ц100; - проведение операций с применением диагностики в электро- магнитных полях; - высокая коррозионная стойкость; - устойчивость ко всем нормированным видам стерилизации; - низкая адгезия к биоткани; - биологическая инертность; - доступность остроты режущей кромки до 0,1 мкм; - возможность автоматизации процесса производства; Лезвия Армирующие пластины Заготовки материала 15

Разработаны промышленные регламенты: РАСЛ – Технология изготовления материала керамического композиционного КМ-Ц100 для медицинских инструментов; РАСЛ – Технология изготовления материала керамического композиционного КМ-Ц30 для медицинских инструментов; 16

Спасибо за внимание! 17