новые технологии и материалы
|
ПАВЕЛ САРКИСОВ, ректор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, академик РАН. |
ОБ АВТОРЕ: Павел Джибраелович Саркисов -один из ведущих ученых, крупных специалистов в области физикохимии и технологии силикатных и тугоплавких материалов; автор более 400 научных трудов, изобретений и патентов; первый вице-президент Российского химического общества им. Д. И. Менделеева; вице-президент Международного биополитического движения.
 |
РОДОСЛОВНАЯ СИТАЛЛОВ |
В нынешнем году исполняется сорок лет с момента публикации первого сообщения о новом классе стеклокристаллических материалов, получаемых путем направленной кристаллизации и называемых в России ситаллами (от сочетания слов "стекло" и "кристалл"), а за рубежом . пирокерамами и стеклокерамикой.
На протяжении многих лет наиболее перспективными областями применения ситаллов считались направления, ориентированные на использование их повышенной механической прочности (конструкционные ситаллы), термостойкости и регулируемой температуры размягчения (жаропрочные, легкоплавкие ситаллы), специальных спектральных характеристик (прозрачные ситаллы). В последнее время большие успехи достигнуты и в направлении разработки функциональных стеклокристаллических материалов . ситаллов и материалов на их основе, . обладающих специфическими, часто уникальными свойствами, существенно расширяющими спектр их применения, в частности, в строительной индустрии, электронике, медицине.
Эти материалы отличаются от всех ранее известных тем, что путем направленной кристаллизации стекло превращается в мелкокристаллическое тело с регулируемой структурой, регулируемыми размерами кристаллов и с определенным соотношением стекловидной фазы и кристаллической фазы. Причем они могут быть как прозрачного, так и непрозрачного типа. Прозрачные материалы получили широкое применение в практической астрономии, а непрозрачные, ввиду высоких механических, термических и жаропрочных свойств . в ракетной и космической технике, электронном приборостроении и т. д.
Эти работы велись под грифом "совершенно секретно", и в свое время Н. С. Хрущев под лабораторию, где разрабатывались новые материалы, выделил целое здание по служебной записке бывшего в то время вице-президентом АН Н. Н. Семенова. Эти материалы получили широкое применение.
В РХТУ имени Д. И. Менделеева на кафедре химической технологии стекла и ситаллов, которую я имею честь возглавлять, разработана широкая гамма стеклокристаллических материалов самого широкого назначения. Одно из них . строительное, включающее стекломрамор, стеклокристаллит, искусственные авантюрины, шлако- и золоситаллы, сигран. Эти материалы, близкие по химическому составу, существенно отличаются по структурным параметрам . степени кристалличности, размеру кристаллов (от долей микрона до нескольких миллиметров в диаметре), фазовому составу (от простейших соединений до сложных твердых растворов алюмосиликатов). По декоративным и физико-химическим свойствам они соответствуют природным строительным материалам . граниту, мрамору . и существенно расширяют круг облицовочных материалов.
Возьмем, к примеру, шлакоситаллы. Для их получения использовались отходы промышленности, в частности, металлургические шлаки, которых ежегодно в России образуется до 50 млн. тонн. Шлакоситалловыми листами облицованы многие известные здания, в частности, павильон металлургии на ВДНХ, здание Института общей неорганической химии; ими же покрыты полы в аэропорту Шереметьево, в ряде зданий общественного назначения. Всего для России было произведено около 50 млн. кв. м этого материала, который получил широкое распространение.
Новым, нетрадиционным направлением в технологии ситаллов является разработка материалов, обладающих биологической активностью и способностью сращиваться с живой костной тканью. Эти материалы, называемые биоситаллами, перспективны для использования в качестве костных эндопротезов и имплантантов в медицине.
Для получения тонкодисперсной объемнозакристаллизованной структуры ситалла стекло определенного химического состава подвергают термической обработке по заданному режиму. Изменяя состав стекла и режим его термообработки, возможно в широких пределах регулировать фазовый состав ситалла и его структуру, а, следовательно, и его свойства, уникальность которых позволяет получать имплантанты . материалы, которые заменяют костные суставы в организме человека.
Почему мы пришли к этой идее? Во всем мире, особенно в США, Японии, а теперь и в России, резко увеличивается число операций с использованием искусственных материалов для замены поврежденных костных тканей человека. Рост числа автомобильных, авиационных катастроф, локальные войны . все это приводит к массовому травматизму, к которому добавляется и производственный. Без искусственных имплантантов не обойтись.
Проблема эта . не новая. Уже лет 20-30 в практике довольно широко используются металлические, керамические имплантанты. Много лет подбором имплантантов в зависимости от характера повреждения занимается ЦИТО . институт травматологии и ортопедии. Материалы, о которых речь шла выше, очень механически прочны и долго служат человеку. Но у них есть один недостаток: биологическая несовместимость с тканью и организмом человека. Нет, как говорится, вживаемости кости, а это приводит иногда к непредсказуемым последствиям, вплоть до отторжения имплантанта от организма человека, что вызывает порой местные боли, воспаления и т. п.
Мы же при использовании биоситалла подобрали такой состав ситалла, который всего ближе к кости и к организму человека . так называемые флогопитовые ситаллы. Таким образом, первое преимущество . химическое сродство. Второе . высокие механические свойства. И третье заключается в том, что мы добились того, что имеют место диффузии составляющих имплантанта и составляющих костной ткани человека.
Характерной особенностью работ по созданию биоситаллов является то, что они включают не только физико-химические, структурные и технологические исследования, но и медико-биологические испытания поведения материала в живом организме . in vivo, а также клинические испытания на животных и наблюдения за ходом восстановления функций поврежденных костей после операции у человека.
Эксперименты in vivo проводятся посредством имплантации биоситалла в костную или мягкую мышечную ткань животных. Через определенный промежуток времени после имплантации . от нескольких дней до года . материал извлекают из организма и исследуют физико-химическими, морфологическими и другими методами.
Живой организм реагирует на имплантант, образуя в месте контакта с ним различные ткани . соединительную, грануляционную, остеоидную, костную. Из всех видов тканей только костная обеспечивает достаточную механическую прочность сцепления с имплантантом. При имплантации биоситаллов на их поверхности мягкая ткань быстро замещается костной, достигая 90% через месяц после имплантации.
Наиболее перспективным представляется использование биоситаллов и материалов на их основе при залечивании дефектов и деформаций костей (аппликация выщербленных фрагментов, заполнение раковистых пустот), при создании новых структур (кости среднего уха, носа, челюстей) и протезировании в ортопедической хирургии, при разработке неметаллических соединительных элементов (муфт, винтов) костных фрагментов. Словом, будущее биоситаллов начинается сегодня, и оно поистине удивительно.