тельно, и без самой длительной технологической операции - обжига. В ка­ честве связующего (в графитовой смеси образующего карбид) используют ниобий, цирконий, молибден, титан, кремний, хром. У нас в стране мето­ дом горячего прессования были получены РГ с карбидообразующими эле­ ментами. Разновидности этого метода обработки - обработка в свободном объеме и в закрытом объеме - обеспечивают производство материалов с оригинальными свойствами. Помимо названных металлов при создании таких РГ могут использоваться также бор, вольфрам, гафний, тантал, в меньшей степени железо, кобальт, никель. Большинство из этих элементов в отдельности или в различных сочетаниях используется при создании разных марок РГ. Материалы, полученные методом термо-механико­ химической обработки (ТМХО), в отличие от полученных методом ТМО обладают повышенной плотностью, прочностью и теплопроводностью. Причем теплопроводность рекристаллизованных графитов можно изме­ нять в довольно широких пределах в зависимости от природы и количества карбидообразующих элементов, используемых в качестве добавок. Глав­ ные составные части механизма процессов ТМО и ТМХО - пластическая деформация углеродного материала, сближающая структурные элементы, упрочнение материала после спекания сближенных элементов структуры, совершенствование кристаллической структуры углеродного материала.

5.2. Термически расширенный графит

Одной из разновидностей графитов является коллоидный графит, т.е. водные, спиртовые, масляные, парафиновые суспензии натурального или искусственного графита с размером частичек в основном менее 4 мкм и массовой концентрацией 3-25 %. Лучшими свойствами обладают суспен­ зии с размером частичек менее 1 мкм, что соответствует истинно коллоид­ ному раствору. Одним из способов получения коллоидного графита явля­ ется превращение поверхности тонко измельченных графитовых частичек в гидрофильную. Это возможно при возникновении на ней кислородсо­ держащих функциональных групп (карбоксильных и фенольных), способ­ ствующих ее смачиванию. С указанной целью натуральный графит чешуй­ чатого строения подвергают вибрационному измельчению и последующей обработке смесью безводной азотной и серной кислоты и воды при темпе­ ратуре 90°С. Конечной стадией обработки графитовых частичек в кислотах является образование графитовой окиси. Продолжительность стадии обра­ зования коллоидного графита зависит от времени и температуры обработ­ ки. После указанной обработки графитовые частички тщательно отмыва­ ются от окисляющей смеси, фильтруются и становятся способными к об­ разованию коллоидных растворов с водой, ацетоном, спиртами.

Другим способом образования порошков графитовой окиси является электрохимическое окисление графита в растворе концентрированной сер­ ной кислоты.

Основной механизм действия окислителя - проникновение реакцион­ ной смеси между слоями чешуйчатого графита. Эта реакция сопровожда­ ется набуханием графитовых чешуек в направлении оси. Одновременно с этим происходят разрывы С-С связей в гексагонах. Если полученный по­ рошок графитовой окиси нагревать, то происходит проходящая в несколь­ ко стадий аморфизация слоистой структуры с раздвинутыми до 0,635 нм и неупорядоченно располагающимися углеродными гексагонами и образо­ вание трехмерно неупорядоченного углерода с высокой степенью дис­ персности. Подбором температурно-временных условий образования гра­ фитовой окиси в смеси кислот и последующего ее нагрева до определен­ ной температуры получают термически расширенный графит (ТРГ). Он характеризуется веерообразным расположением расщепленных графито­ вых пластинок, сдвинутых по винтовой линии, что свидетельствует о де­ фектах его структуры. Из ТРГ изготавливают термозащитные покрытия и элементы, работоспособные до температуры 1000°С, а также уплотнения в виде ленты, плоских прокладок, сальниковой набивки.

Порошки ТРГ, имея насыпную массу не более 5 г/л, могут применять­ ся в качестве теплоизолятора между нагревателем и стенкой в высокотем­ пературных печах нагрева (эффективно заменяя сажу), наполнителя с улучшенными адгезионными свойствами в композиционных материалах, добавок при формировании порошковых легированных сталей.

Изделия из ТРГ обладают более низкой теплопроводностью (в 20100 раз), чем натуральный графит. Они стойки к действию агрессивных сред (кислот, галогенов, расплавленных металлов и др.). Изделия из ТРГ могут изготавливаться различной конфигурации и плотности, которая ко­

леблется от 0,4 до 2,2 г/см3 Фольга из ТРГ выпускается обычно толщиной

з

от 0,1 до 3,0 мм и плотностью от 0,6 до 1,6 г/см Уплотнительные кольца

з

из ТРГ плотностью от 1,4 до 2,0 г/см выдерживают длительное воздейст­ вие давлений рабочей среды в 6,4-40 МПа. Фольга может быть получена путем прокатки или прессования порошка ТРГ без связующего. При про­ пускании электрического тока через порошок исходной окиси графита, помещенный в форму необходимой конфигурации (или применяя косвен­ ный нагрев), получают готовые изделия из ТРГ.

5.3. Применение углеродных материалов в медицине

Основными методами коррекции дефектов опорно-двигательного ап­ парата человека являются трансплантация тканей и имплантация искусст­ венных материалов. При этом, учитывая относительную простоту вмеша­

тельства, явное предпочтение отдается имплантатам. Современные им­ плантаты должны быть инертны по отношению к живым тканям, не канце­ рогенны, быть прочными и стойкими к воздействию внутренней среды ор­ ганизма. Процесс взаимодействия искусственного материала и живой тка­ ни является чрезвычайно сложным. Одна из основных трудностей - это возможность получения единой биохимической системы, например, кость - имплантат. Еще в 60-годы XX века в качестве имплантата стали применять углерод. Его главное достоинство - инертность по отношению к живым тканям. Однако механические свойства «простого» углерода не по­ зволили применять его в условиях значительных и даже умеренных нагру­ зок.

Создание углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) возродило интерес к использованию углерода в медицине благодаря воз­ можности регулировать свойства УУКМ, приближая их к свойствам кости. Одним из таких материалов стал «Углекон-М», разработанный и создан­ ный специалистами Уральского научно-исследовательского института композиционных материалов в тесном творческом сотрудничестве с науч­ ными работниками Пермского медицинского института. Эксперимент по изучению реакции ткани на имплантат проводился в Центральной научноисследовательской лаборатории медицинского института, а клинические испытания проходили в клинике травматологии-ортопедии и военнополевой хирургии.

По химическому составу «Углекон-М» является практически чистым углеродом. Зольность его минимальна и включает (мае. %): калий - 0,0031, водород - 0,028, натрий - 0,75, кальций - 0,020, серу - 0,006, железо - 0,007. Для увеличения рентгеноконтрастности материала в него могут быть введены в количестве до 1 мае. % окислы титана или циркония. Фи­ зико-механические свойства «Углекона-М» в сравнении со свойствами ко­ стной ткани приведены в табл. 2.

Особенностью «Углекона-М» явилась способность углерода образо­ вывать при имплантации прямой контакт с костной тканью (без соедини- тельно-тканной прослойки). Это обеспечивает его биофиксацию в случае неровной поверхности имплантата. В связи с устойчивостью материала к циклическим нагрузкам образующиеся трещины не распространяются на весь имплантат, как в металле или керамике, а обрываются, дойдя до бли­ жайшего углеродного волокна. Электропроводность «Углекона-М» близка к электропроводности костной ткани. Величины предельной деформации имплантатов из него и костной ткани также близки. Это позволило пред­ положить, что с точки зрения биомеханики система кость - имплантат бу­ дет работать как единое целое.

«Углекон-М» вначале испытали на кроликах, выполнив следующие виды имплантации:

-накостная фиксация пластин;

-внутрикостное введение стержня в диафиз бедра;

-внутрикостное введение стержня в метафизарный отдел бедра;

-замена диафиза бедренной кости;

-замещение мыщелков бедра протезом из «Углекона-М». Исследования показали, что углеродный композит является биологи­

чески инертным, не нарушает процесс регенерации костной ткани. Для создания прочного соединения кость - имплантат необходимо обеспечить стабильность структуры имплантата на срок не менее трех месяцев. Обра­ зование прочного костно-углеродного блока делает возможным примене­ ние «Углекона-М» для замещения дефектов костей, не несущих механиче­ ских нагрузок. Сохранение стабильности структуры углеродного имплан­

тата при значительных динамических нагрузках позволяет применять его в клинической практике для изготовления эндопротезов.

Удачные результаты предварительных опытов позволили начать сис­ тематические эксперименты по индивидуальной пластике дефектов кости с помощью материала «Углекон-М» при самых разных заболеваниях. Боль­ ным в возрасте от 17 до 74 лет были сделаны десятки удачных операций: однолучевого эндопротезирования бедренной кости, плечевого сустава, пястно-фаланговых, установки пластин для закрытия свода черепа, замы­ кания поврежденных позвонков, с применением плотных трехмерноармированных «Углекона-МВ» и «Углекона-МТ». Следующим этапом бы­ ло применение высокопористого проницаемого ячеистого материала «Уг- лекон-МЯ» в хирургической стоматологии для восполнения костного де­ фекта челюстей после удаления одонтогенной кисты. Были прооперирова­ ны десятки человек с радикулярной кистой челюстей с использованием имплантатов из «Углекона-МЯ». Наблюдали за оперируемыми пациентами до двух и более лет. Получены положительные результаты. Осложнений в послеоперационный период не наблюдалось.

Таким образом, результаты экспериментов показали, что при отсутст­ вии первичных изменений имплантата образуется прочный костно­ углеродный блок даже в условиях непрекращающихся физиологических нагрузок. Изучение различных вариантов имплантации свидетельствует о целесообразности применения «Углекона-М» всех трех разновидностей в реконструктивной хирургии как для простого замещения костной ткани, так и в качестве основы для конструкций, испытывающих большие меха­ нические нагрузки.

Композиционный материал «Углекон-М», созданный с использовани­ ем пиролитического углерода в качестве основного матричного материала, является чистым, биологически инертным, образующим прочное соедине­ ние с костной тканью. Биологическая совместимость этого материала, от­ сутствие иммунологического конфликта, возможность индивидуального изготовления имплантатов свидетельствуют о целесообразности продол­ жения отработки и совершенствования конструкций из углеродного ком­ позиционного материала для имплантации и эндопротезирования.

6. ФУЛЛЕРЕН

Фуллеренами называют замкнутые молекулы типа Сбо, С70, С76, С%4, в которых все атомы углерода находятся на сферической или сфероидальной поверхности. В этих молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, которые образуют по­ верхность сферы или сфероида. Фуллерены в конденсированном состоя­ нии называют фуллеритами. Они образуют простую кубическую решетку,