Способ образования защитного слоя атомов фтора на режущем лезвии хирургического инструмента, режущее лезвие для хирургического инструмента и способ образования защитного слоя атомов фтора на лезвии хирургического инструмента

 

Группа изобретений относится к медицинской технике. Способ образования защитного слоя атомов фтора на режущем лезвии хирургического инструмента включает стадии помещения лезвия в плазменный реактор, плазменную очистку лезвия и нанесение на лезвие в плазме газообразного фторида углерода С_nF_m. Способ образования защитного слоя атомов фтора на лезвии хирургического инструмента включает стадию погружения лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира. Режущее лезвие для хирургического инструмента выполнено из твердого, прозрачного, кристаллического материала. На поверхность лезвия нанесен защитный слой атомов фтора. В результате достигается уменьшение прилипания крови, жидкостей материалов и материалов организма к лезвию во время использования. 3 с. и 12 з.п. ф-лы.

Это изобретение касается режущего лезвия для хирургического инструмента, в котором режущее лезвие выполнено из твердого, прозрачного, кристаллического материала, такого как алмаз, сапфир или гранат, на поверхности которого находится слой атомов фтора, химически связанный с поверхностью.

Хирургические лезвия выполняют чрезвычайно острыми для уменьшения повреждения ткани вдоль линии разреза. Для достижения необходимой остроты режущего лезвия материалы, выбираемые для производства режущих лезвий, должны быть твердыми материалами кристаллической природы, такими как алмаз или сапфир.

Во время использования хирургических инструментов кровь и другие жидкости и материалы организма часто прилипают к граням режущего полотна, снижая его эффективность. Известно, что для предотвращения этого эффекта или, по меньшей мере, для уменьшения прилипания и для облегчения очистки режущего лезвия его вытирают подходящим материалом или вставляют его в кусок подходящего пенопласта, например полистирола.

Проблема прилипания крови или коагуляции на поверхности режущего лезвия может усугубляться в условиях, когда коагуляция крови усиливается. Это может происходить при преднамеренном нагреве режущего лезвия, чтобы вызвать коагуляцию (свертывание); при использовании источников света высокой интенсивности, сопряженном с использованием режущего лезвия, или при одновременном использовании лазерного луча, либо проходящего через режущее лезвие, либо пропускаемого отдельно.

Патент СССР №1662337 A3, опубликованный 07.07.1991, описывает способ изготовления режущего медицинского инструмента со сниженным сопротивлением трения относительно живой ткани тела. Предлагаемый инструмент имеет слой покрытия толщиной 1-20 нм, выполненного из углерода, имеющего по меньшей мере частично алмазную кристаллическую структуру, образованную методом плазменного осаждения из газовой среды в атмосфере, содержащей водород и углеводородное соединение, при заданных условиях генерирования плазмы. Данный патент является наиболее близким аналогом настоящего изобретения.

Согласно изобретению предложен способ образования защитного слоя атомов фтора на режущем лезвии хирургического инструмента, в котором лезвие выполнено из твердого, прозрачного, кристаллического материала, отличающийся тем, что включает стадии:

а) помещение лезвия в плазменный реактор;

б) плазменную очистку лезвия;

в) нанесение покрытия на лезвие в плазме газообразного фторида углерода (C_nF_m).

Предпочтительно лезвие выполнено из алмаза, сапфира или граната, а газообразным фторидом углерода (C_nF_m) является C₃F₈, C₂F₄ или C₂F₆. Способ может дополнительно включать стадию химической очистки лезвия. Обычно нанесение покрытия происходит при давлении от 0,01 до 2 мбар в течение 30-180 мин и уровне мощности 50-2000 Вт. Обычно очистка происходит в плазме воздуха, кислорода, аргона или их смеси.

Согласно второму аспекту изобретения предложено режущее лезвие для хирургического инструмента, выполненное из твердого, прозрачного, кристаллического материала, отличающееся тем, что на поверхность лезвия нанесен защитный слой атомов фтора, образованный согласно способу, описанному выше.

Предпочтительно лезвие выполнено из алмаза, сапфира или граната, а более предпочтительно - из натурального монокристаллического синтетического или поликристаллического синтетического алмаза или сапфира.

Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ образования защитного слоя атомов фтора на лезвии хирургического инструмента, отличающийся тем, что включает стадию погружения лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира.

Способ выполняется на лезвии, образованном из алмаза. Предпочтительно способ дополнительно включает стадию выдерживания слоя при температуре свыше 200°С. Способ может дополнительно включать стадию образования поверхности лезвия, оканчивающейся гидроксильной группой, перед погружением лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира. Способ может также дополнительно включать стадию образования промежуточного слоя кремния или Ti на поверхности лезвия перед погружением лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира. Слой Si предпочтительно имеет толщину менее 50 нм.

Различные примеры реализации изобретения изложены в следующих частях описания. Приведенные примеры реализации изобретения только иллюстрируют применение изобретения, не ограничивая его объема.

Описание примеров реализации изобретения

В общих словах это изобретение касается способа образования защитного слоя атомов фтора на режущем лезвии для хирургического инструмента, в котором режущее лезвие выполнено из твердого, прозрачного, кристаллического материала, такого как алмаз, сапфир или гранат. Целью нанесения такого слоя является уменьшение прилипания крови, жидкостей и материалов организма к лезвию во время использования. Слой должен иметь минимальную толщину, чтобы минимизировать снижение остроты лезвия. Предусмотрено, что этого можно достигнуть согласно изобретению или уменьшением толщины слоя (в экстремальном случае до одного атомного слоя фтора), или полированием микрограни с одной или обеих сторон режущей кромки после нанесения покрытия.

Способ согласно изобретению по существу является способом плазменного нанесения покрытия, включающим следующие стадии:

1. Химическую очистку лезвия.

2. Помещение режущего лезвия в плазменный реактор.

3. Плазменную очистку лезвия, проводимую в плазме воздуха, кислорода, аргона или их смеси в течение 5-20 мин при давлении приблизительно 1 мбар и уровне мощности приблизительно 500 Вт. Энергия подключается с продолжительностью включения от 5 до 50% для предотвращения перегрева.

Эта стадия очистки очень существенна, если необходимо достигнуть хорошего сцепления содержащего фтор слоя.

4. Нанесение покрытия на лезвие в плазме C₃F₈. Условия обработки этой стадии нанесения покрытия составляют: давление 0,01-2 мбар в течение 30-180 мин при уровне мощности 50-2000 Вт.

Приведенное выше описание является описанием одного способа реализации процесса согласно изобретению и вариантов конкретных условий обработки, описанных выше.

В описанном выше процессе могут использоваться два подхода.

1. Химическая структура алмаза или другого твердого кристаллического материала модифицируется таким образом, что она заканчивается атомами фтора вместо более обычного водорода и/или кислорода. Это может быть достигнуто тем, что поверхность материала, такого как алмаз, подвергается воздействию атомов фтора в диапазоне температур от 273 до 573К. Предпочтительным способом осаждения слоя атомов фтора на хирургическое режущее лезвие является плазменная обработка. В этом способе хирургическое режущее лезвие подвергается воздействию плазмы, возбуждаемой в веществе, выделяющем атомный фтор, таком как SF₆, NF₃, HF или F₂. Аргон может вводиться в плазму для снижения скорости осаждения до регулируемых уровней.

2. На поверхность наносится покрытие слоя фторуглеродного полимера. Это может достигаться известной технологией плазменной полимеризации с использованием таких исходных веществ, как тетрафторэтилен. Этот процесс описан в статье “Основы плазменной химии и технологии” (Fundamentals of Plasma Chemistry and Technology. H.V.Boenig, Pub Technomatic, 1988) и в других ссылках, касающихся этого документа, которые включены здесь в качестве ссылочного материала.

Предпочтительным способом осаждения слоя фторуглеродного полимера на поверхность хирургического режущего лезвия является плазменная обработка. В этом способе хирургическое режущее лезвие подвергается воздействию плазмы, возбуждаемой в газе фторида углерода. Аргон может вводиться в плазму для снижения скорости осаждения до регулируемых уровней.

Толщина слоя фторуглеродного полимера, получаемого с помощью этого процесса, зависит от времени, в течение которого режущее лезвие подвергается обработке. Толщина покрытия может варьироваться от нескольких нанометров до сотен нанометров. Желательнее получение более тонких покрытий, чтобы не затуплять режущую кромку лезвия и ограничивать поглощение лазерного излучения.

Полимер осаждается из плазмы, возбуждаемой в одном из следующих газов: C₂F₄, C₂F₆, C₃F₈.

Толщина слоя обычно составляет от 5 нанометров до 10 микрометров. Микрогрань, составляющая от 5 до 50 микрометров, полируется с одной или обеих сторон режущей кромки после образования слоя.

Помимо способов, описанных выше, для достижения нужного слоя атомов фтора на поверхности могут также использоваться другие процессы. Один такой способ заключается в нагреве лезвия в среде C₂F₄. Это вызывает полимеризацию C₂F₄ на горячих поверхностях с образованием слоя атомов фтора.

Слой атомов фтора на поверхности может также наноситься другими путями. Например, атомы фтора могут химически соединяться с поверхностью алмаза взаимодействием химически реакционной группы с группой фторированного алкана. Такой фторированный алкан является молекулой, в которой атомы фтора замещают атомы водорода в цепи (обычно линейной) углерода. Эта молекула инертна, и ее полимеризованный вариант служит основой для продукта, известного под названием “тефлон”. Присоединение химически реакционной группы к фторированному алкану делает возможным его связь с поверхностью алмаза. Примером такой химически реакционной группы является группа, содержащая SiOH, которая может соединяться с поверхностью, которая имеет гидроксильное (-ОН) окончание. Группа SiOH может соединяться с поверхностью, оканчивающейся гидроксильной группой, с выделением молекулы воды, в результате чего образуется фторированная концевая поверхностная Si-O-Si связь. Примером такого типа материала покрытия являются фторалифатические силильные эфиры, общая химическая формула которых дана ниже:

R_fA-Si(ОН)₃

Схематическое изображение этой реакции:

где R_f является фторированной алкильной группой, А означает С₂Н₄, а Si(ОН)₃ является активной связывающей группой. В этом случае одна из групп ОН может соединяться с поверхностью, тогда как другие соединяются с другими молекулами фторалифатического силильного эфира, образуя, таким образом, сетку.

Примером фторалифатического силильного эфира является продукт, имеющийся в продаже под фирменным названием FC 405/60 (3М company). Молекулы фторалифатического силильного эфира растворяются в растворителе, таком как спирт (например, изопропанол). При дальнейшем разбавлении раствора изопропанолом, так что получаемая концентрация молекул фторалифатического силильного эфира составляет менее 1% (например, при добавлении 0,5 мл жидкого покрытия к 60 мл изопропанола), и добавлении уксусной кислоты для достижения значения рН 4-5,5, на поверхность алмазного лезвия может наноситься слой атомов фтора окунанием его в раствор приблизительно на 3 минуты. Рекомендуется, чтобы раствор подвергали ультразвуковому перемешиванию для установления хорошего контакта свежего жидкого покрытия с поверхностью лезвия. Лезвие вынимают из жидкого покрытия и остающийся слой раствора покрытия смывается изопропанолом. Затем покрытие выдерживается при повышенной температуре. Несмотря на то, что в информации о продукте, полученной от изготовителя фторалифатического силильного эфира, указано, что такое выдерживание должно происходить при температуре 110°С в течение 5 минут, было обнаружено, что можно получить покрытие, обладающее лучшей устойчивостью к образованию царапин и истиранию, а также лучшей сцепляемостью с поверхностью алмазного лезвия, при использовании температуры 235°С в течение приблизительно 1 часа.

Что касается алмаза, то существует дополнительная трудность химического соединения материала покрытия с его поверхностью. Это происходит вследствие того, что обычно поверхность алмаза не имеет гидроксильных групп, закрепляющихся на его поверхности. Поэтому частью этого изобретения являются способы нанесения слоя, оканчивающегося гидроксильными группами. В одном таком способе это достигается погружением алмазного лезвия в ванну расплавленного щелочного гидроксида (щелочи), например, гидроксида натрия или гидроксида калия или их смесей, с нитратом натрия или нитратом калия в течение периода времени до одного часа. Другой, хотя и менее эффективный способ заключается в воздействии микроволнового разряда в водяном паре на поверхность алмазного лезвия. Это приводит к разложению молекул воды и образует радикалы ОН в виде пара, которые могут закрепляться на поверхности алмаза. Однако разряд также генерирует другие радикалы, которые также могут закрепляться на поверхности, занимая некоторые позиции, которые затем становятся недоступными для гидроксильных групп. В результате в этом способе достигается частичное гидроксильное покрытие. Другие способы включают нанесение промежуточного слоя, такого как титан (Ti), хром (Cr). Слой может иметь гидроксильное окончание после погружения в разбавленный NaOH. Возможно также закреплять фторалифатический силильный эфир на металлической поверхности непосредственным погружением поверхности со свежим металлическим слоем в жидкое покрытие.

Образование слоя Si, оканчивающегося гидроксильной группой, может достигаться погружением алмазного лезвия в разбавленный (приблизительно 10%) раствор NaOH в воде приблизительно на 3 минуты при температуре приблизительно 90-100°С с последующей промывкой в деионизированной воде окунанием в концентрированный (>20%) раствор НСl в воде, снова промывкой в деионизированной воде, этаноле и, наконец, в изопропаноле с последующей сушкой. После этого лезвие погружается в жидкое покрытие и покрытие выдерживается при повышенной температуре, как описано выше.

Предпочтительным способом закрепления молекул покрытия на алмазной поверхности было нанесение на поверхность алмаза тонкого слоя кремния (Si). Этот слой, который обычно имеет толщину менее 50 нм, образует химическую связь с алмазом вследствие образования SiC. Слой Si большей толщины нецелесообразен, поскольку он приведет к снижению пропускания инфракрасного излучения из лезвия и сопутствующего поглощения излучения в лезвии, что снижает эффект прижигания ткани, и/или нагреву лезвия и чрезмерному прилипанию ткани или крови к лезвию. В тех случаях применения, где излучению не нужно выходить из слоя Si, может быть нанесен более толстый слой или другой промежуточный слой.

Режущие лезвия, к которым может быть применим этот процесс, выполняются из твердого, прозрачного, кристаллического материала. Обычно этот материал представляет собой натуральный, монокристаллический синтетический или поликристаллический синтетический алмаз или сапфир. Однако могут использоваться другие материалы, такие как твердые кристаллические простые оксиды, такие как диоксид циркония (ZrO₂), оксид иттрия (Y₂О₃), гранаты, наиболее употребляемые иттрий-алюминиевый гранат, лютеций-алюминиевый гранат, ванадаты и алюминоксиды (например, иттрий-алюминиевый оксид). Другими твердыми, прозрачными для инфракрасного излучения кристаллами, которые могут использоваться для процесса, являются ортосиликаты.

Способ, который составляет предмет этого изобретения, может применяться с широким диапазоном режущих лезвий, работающих в диапазоне длин волн, характерном для лазерного излучения, например с такими, которые описаны в южноафриканской предварительной заявке на патент №99/4256.

Формула изобретения

1. Способ образования защитного слоя атомов фтора на режущем лезвии хирургического инструмента, в котором лезвие выполнено из твердого, прозрачного, кристаллического материала, отличающийся тем, что включает стадии: а) помещение лезвия в плазменный реактор, б) плазменную очистку лезвия, в) нанесение покрытия на лезвие в плазме газообразного фторида углерода (С_nF_m).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лезвие выполнено из алмаза, сапфира или граната.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газообразным фторидом углерода (С_nF_m) является С₃F₈, С₂F₄ или С₂F₆.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию химической очистки лезвия.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что нанесение покрытия происходит при давлении 0,01-2 мбар в течение периода времени 30-180 мин и при уровне мощности 50-2000 В.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что очистка происходит в плазме воздуха, кислорода, аргона или их смеси.

7. Режущее лезвие для хирургического инструмента, выполненное из твердого, прозрачного, кристаллического материала, отличающееся тем, что на поверхность лезвия нанесен защитный слой атомов фтора, образованный согласно способу по любому из пп.1-6.

8. Режущее лезвие по п.7, отличающееся тем, что оно выполнено из алмаза, сапфира или граната.

9. Режущее лезвие по п.7, отличающееся тем, что оно выполнено из натурального, монокристаллического синтетического или поликристаллического синтетического алмаза или сапфира.

10. Способ образования защитного слоя атомов фтора на лезвии хирургического инструмента, отличающийся тем, что включает стадию погружения лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что лезвие выполнено из алмаза.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию выдерживания слоя при температуре свыше 200°С.

13. Способ по любому из пп.10-12, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию образования поверхности лезвия, оканчивающейся гидроксильной группой, перед погружением лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира.

14. Способ по любому из пп.10-13, отличающийся тем, что он дополнительно включает стадию образования промежуточного слоя кремния на поверхности лезвия перед погружением лезвия в раствор фторалифатического силильного эфира.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что слой Si имеет толщину менее 50 нм.