ХИРУРГИЧЕСКИЕ ИГЛЫ ИЗ ВОЛЬФРАМОВОГО СПЛАВА С ОКРАШЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
SURGICAL NEEDLES FROM TUNGSTEN ALLOY WITH COLOURED SURFACE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к хирургическим иглам, и в частности к хирургическим иглам из вольфрамового сплава, обладающим желательным сочетанием жесткости и прочности, а также надежной окраской поверхности. Более конкретно, настоящее изобретение относится к хирургическим иглам из вольфрамового сплава, имеющим синюю, желтую или черную окраску поверхности, и методам придания поверхности иглы требуемой окраски.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хирургическим иглам часто придают окраску, помогающую хирургу видеть иглу и визуально позиционировать острие иглы в хирургическом поле, в пределах которого оперирует хирург. Например, если хирургическое поле заполнено жидкостью, хирургу может быть сложно увидеть иглу серебристого цвета на фоне жидкости или на фоне ткани, окруженной жидкостью, например слюной или кровью. Кроме того, при выполнении ряда хирургических операций, в частности операций коронарного шунтирования, невозможно обойтись без использования хирургических игл малого диаметра, которые сложно видеть в хирургическом поле из-за их малого размера. В ответ на потребность обеспечить различимость хирургической иглы на фоне хирургического поля иглы из нержавеющей стали окрашивались в черный цвет в процессе химической окраски, требующем использования токсичных содержащих хром растворов. При этом для полного удаления токсичных растворов из хирургической иглы принимаются специальные меры, а их использование и утилизация в силу токсичности требуют особых мер предосторожности.
Далее, при использовании хирургических игл малого диаметра желательно, чтобы такие иглы имели очень высокие изгибные жесткость и прочность. В частности, при операциях такого типа исключительно важно обеспечить точный контроль пути движения хирургической иглы. При излишнем изгибе иглы при вколе в ткань или прокалывании внутренней поверхности, например кровеносного сосуда, при выходе из ткани возможно неконтролируемое смещение иглы и серьезное повреждение ткани и травма пациента. При использовании хирургические иглы испытывают значительные механические нагрузки, поскольку усилие, прикладываемое при прокалывании и перемещении иглы в ткани (например, стенке кровеносного сосуда и т.п.), должно быть достаточным для преодоления сопротивления трения при движении через ткань. Препятствующие перемещению иглы силы обычно оказываются еще более значительными у пациентов с хирургией сердечно-сосудистой системы, имеющих вследствие ишемической болезни обызвествленные и уплотненные ткани. При выполнении подобных процедур хирургическая игла должна проходить не только через кровеносный сосуд, но также и через любые плотные обызвествленные ткани, которые могут находиться вдоль периферии просвета кровеносного сосуда. Недостаточно жесткая игла при проникновении в ткань будет упруго отклоняться, что приведет к потере контроля над местом выхода иглы. Поэтому предпочтительно иметь иглу с относительно большой жесткостью на изгиб, то есть малой склонностью к изгибанию и большой склонностью к сохранению своей формы при приложении деформирующих нагрузок. Таким образом, жесткость на изгиб является важнейшей характеристикой, определяющей качество и удобство работы с хирургическими иглами. Жесткая игла оказывается устойчивой к упругой деформации и поэтому может быть направлена точно в необходимое место с высокой степенью контроля.
В патенте США 5415707 описаны хирургические иглы из вольфрамового сплава с исключительно высокой жесткостью, что оказалось очень полезным для изготовления хирургических игл малого диаметра, особенно изогнутых игл. Высокая прочность вольфрамовых сплавов объясняется высокой плотностью дислокаций и естественным сопротивлением деформации, обусловленным взаимодействием дислокация-дислокация при приложении нагрузки. Как было показано, упомянутая исключительно высокая жесткость подобных вольфрамовых сплавов в форме проволоки и прямой иглы может быть воспроизведена и в изогнутых иглах из вольфрамового сплава, если изогнутую иглу отжечь при температуре ниже температуры перекристаллизации используемого сплава. Прошедшие такую термообработку изогнутые иглы имеют желательные изгибные свойства, такие как высокая изгибная прочность и высокая изгибная жесткость.
Описанные в патенте США 5415707 иглы из вольфрамового сплава не имеют цветной окраски будучи на вид серебристого металлического цвета, обычного для полированных металлических сплавов. Таким образом остается потребность в хирургических иглах из вольфрамового сплава с надежной окраской поверхности, в особенности для выполнения хирургических процедур, требующих игл малого диаметра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на медицинское устройство, такое как хирургическая игла, изготовленное из вольфрамового сплава и имеющее поверхность синего, желтого или черного цвета.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На ФИГ.1 приведен график со сравнением изгибных характеристик хирургической иглы диаметром 0,203 мм (0,008 дюйма), изготовленной из вольфрамового сплава с добавкой 26% рения, и аналогичной хирургической иглы, изготовленной из нержавеющей стали марки 4310.
На ФИГ.2 приведен график изгибных характеристик хирургических игл из сплава вольфрама с 25,75% рения в зависимости от температуры отжига в течение 0,5 часа.
На ФИГ.3 приведена диаграмма процесса электрохимической обработки хирургических игл из вольфрамового сплава.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описываемое в данной заявке медицинское устройство может представлять собой ортопедическое устройство, скобку для соединения краев раны, катетер, хирургическую иглу или любое иное применяемое в медицинской практике устройство, которое может быть изготовлено из вольфрамового сплава. Предпочтительно упомянутое медицинское устройство представляет собой хирургическую иглу.
Медицинское устройство, составляющее предмет настоящего изобретения, изготавливается из вольфрамового сплава. Упомянутый вольфрамовый сплав может содержать один или несколько металлов, выбираемых из группы, включающей в себя рений, осмий, тантал или молибден. Предпочтительно упомянутый сплав является сплавом вольфрам-рений и содержит не более чем следовые количества остальных элементов. Содержание в сплаве отличного от вольфрама металла может составлять до приблизительно 30 весовых процентов и предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 26 весовых процентов.
Предпочтительно упомянутое медицинское устройство представляет собой хирургическую иглу, которая предпочтительно имеет диаметр, допускающий ее использование в тонкой хирургии. Как правило, диаметр иглы составляет менее приблизительно 1,5 мм (60 мил) (тысячных от 2,54 см (дюйма)), предпочтительно менее чем приблизительно 0,38 мм (15 мил), вплоть до приблизительно 0,025 мм (1 мил) и предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 0,036 мм до приблизительно 0,3 мм (от 1,4 до приблизительно 12 мил). Как должно стать понятно, описываемая хирургическая игла может иметь поперечное сечение как круглое, так и некруглое, например треугольное; трапецеидальное; прямоугольное; шестиугольное; эллиптическое или прямоугольное, причем противолежащие узкие ребра прямоугольника скруглены до полуокружностей. Под термином "диаметр" в настоящей заявке понимается квадратный корень из (4A/π), где А - площадь поперечного сечения иглы. Игла может иметь "ленточную" форму с одной парой противоположных плоских поверхностей или прямоугольную или "двутавровую" форму либо может иметь переменное сечение, плавно переходящее с острия иглы сначала в круглое сечение, затем в прямоугольное сечение с закругленными ребрами, и, наконец, прямоугольное сечение с прямым ребрами, как описано в патенте США 4,799,484.
Игла может быть прямой или изогнутой. Предпочтительно игла изгибается по некоторому радиусу кривизны, который не должен быть постоянным, но предпочтительно постоянен. Таким образом, более предпочтительные формы игл, представляющих собой предмет настоящего изобретения, представляют собой дугу окружности, например четверть окружности, три восьмых окружности, полуокружность или пять восьмых окружности.
После вытягивания проволоки из вольфрамового сплава до требуемого диаметра на одном из концов иглы создается острие требуемой формы, причем острие выполняется с использованием любого стандартного способа, например, заточкой. Дополнительно путем прессования или абразивной обработки телу иглы может быть придана различная форма. Затем игла может быть изогнута до требуемой кривизны, как правило, путем прокатки на оправке с требуемым радиусом кривизны. На противоположном конце иглы изготавливается торцевое отверстие или предусматривается иной способ закрепления нити в игле путем обжима или иным способом.
Для придания повышенной изгибной прочности и жесткости описываемой в данной заявке хирургической игле, особенно после придания игле изогнутой формы, изготовленная изогнутая игла нагревается до некоторой температуры ниже температуры перекристаллизации используемого вольфрамового сплава. Следует отметить, что для целей приводимого описания под температурой перекристаллизации понимается любая температура, при которой микроструктура хирургической иглы из вольфрамового сплава может изменяться путем образования новых зерен. Предпочтительно хирургическая игла нагревается до температуры в диапазоне от приблизительно 700 до приблизительно 1900°C. В одном осуществлении настоящего изобретения обрабатываемая хирургическая игла выдерживается при температуре в диапазоне от приблизительно 800 до приблизительно 1150°C в инертной или восстановительной атмосфере в течение приблизительно 0,5 часа для придания игле изгибной жесткости. Иглы могут быть также закреплены на ленте или ином носителе и кратковременно проноситься рядом с источником тепла. Таким образом, можно сократить продолжительность воздействия повышенных температур на иглу, поскольку очевидно, что воздействие более высоких температур в течение меньших промежутков времени эффективно приведет к желаемому эффекту упрочнения. Примеры инертной или восстановительной атмосферы включают, среди прочих, вакуум, газообразный аргон, газообразный азот, газообразный водород, а также смесь перечисленных газов.
Хирургические иглы, составляющие предмет настоящего изобретения, характеризуются желаемым сочетанием изгибных жесткости, прочности и пластичности. Для игл, составляющих предмет настоящего изобретения, предел прочности на разрыв используемой проволоки обычно составляет по меньшей мере приблизительно 1723,7 ГПа (250000 ksi). Высокий предел прочности на разрыв используемой проволоки полезен, поскольку он указывает на способность игл, составляющих предмет настоящего изобретения, выдерживать потенциально деформирующие нагрузки без возникновения постоянных деформаций.
Проволока, из которой изготавливаются иглы, составляющие предмет настоящего изобретения, также имеет уникально высокий модуль упругости Юнга, обычно по меньшей мере приблизительно 400 ГПа. Высокий модуль Юнга желателен, поскольку он отражает потенциально высокую жесткость и способность игл, составляющих предмет настоящего изобретения, выдерживать потенциально деформирующие нагрузки с сохранением формы без возникновения нежелательных деформаций. Однако на практике, как описано выше, высокий модуль Юнга используемой проволоки сам по себе не гарантирует получения высокой изгибной жесткости изогнутой хирургической иглы. Чтобы полностью реализовать прочность используемого материала, изогнутые хирургические иглы проходят тепловую обработку, как описано выше.
Для создания на поверхности медицинского устройства, такого как описываемые в настоящей заявке хирургические иглы из вольфрамового сплава, надежно сцепленного с поверхностью окрашенного покрытия, используется электрохимический процесс в водном растворе. Более конкретно, хирургические иглы могут быть соединены с анодом, погружены в водный раствор с pH, меньшим или равным 7, и подключены к источнику постоянного или переменного напряжения величиной от 1 до 40 вольт. Таким образом, на поверхности создается покрытие синего, желтого и/или черного цветов. Перечисленные цвета покрытия соответствуют цветам различных оксидов вольфрама.
3
<3
Изменение цвета покрытия с желтого на синий происходит при постоянном напряжении ~20 В (pH<7, при комнатной температуре). Ниже указанного потенциала на поверхности иглы может образовываться стехиометрический оксид желтого цвета (WO), тогда как при больших потенциалах может образовываться нестехиометрический оксид синего цвета (WO). Как показано на Фиг.3, стехиометрия образуемого оксида и цвет покрытия иглы зависят от приложенного потенциала.
4-
Хотя сам вольфрам не существует в растворе в виде иона, вольфрамат-ион WO легко образуется в щелочных растворах (Lillard et al). Электрополировка хирургических игл из вольфрамового сплава в основных растворах позволяет достичь благоприятного эффекта удаления малых количеств материала поверхности для целей очистки хирургических игл из вольфрамового сплава или заточки острия иглы. Более конкретно, электрополировку и удаление материала проводили путем приложения потенциала к игле в основном растворе. Например, раствор гидроксида натрия в воде при концентрации от приблизительно 1 до 25% NaOH по весу оказался весьма эффективен для электрополировки и удаления материала. Для большего контроля над удалением материала в процессе электрополировки в раствор также может вводиться глицерин или иные органические добавки. Для дальнейшей модификации свойств основных растворов для электрополировки последние могут также нагреваться до температуры выше комнатной, но ниже 100°C. Также возможно ограничение диапазона pH раствора, при котором может эффективно производиться окрашивание хирургической иглы. Обнаружено, что при pH выше 7 поверхностные оксидные пленки неустойчивы и, напротив, происходит удаление материала и иглы приобретают характерный “серебристый” цвет.
Наконец, при необходимости на иглу также может быть нанесено покрытие, например предпочтительно полимерное покрытие, в соответствии с известными способами. Затем игла прикрепляется к нити, упаковывается и стерилизуется снова в соответствии с традиционными способами.
Свойства хирургических игл, составляющих предмет настоящего изобретения, проиллюстрированы приведенными ниже примерами, которые приводятся исключительно с целью иллюстрации и не должны интерпретироваться как ограничивающие общность приводимых далее пунктов формулы изобретения.
Пример 1
Стандарт ASTM F1840-98a (пересмотренный в 2004 г.) определяет стандартную терминологию в области хирургических игл, а стандарт ASTM F1874-98 (пересмотренный в 2004 г.) определяет способ проведения стандартных испытаний игл на изгиб, применяемый для хирургических игл. Оба упомянутых стандарта ASTM включены в настоящую заявку путем ссылки. Для определения прочности хирургических игл используются две разные меры, а именно: изгибающий момент начала пластической деформации, представляющий собой момент силы, который требуется приложить в ходе испытания на изгиб для инициирования пластической деформации иглы, и максимальный изгибающий момент, представляющий собой максимальный момент силы, прикладываемый к игле в ходе испытания на изгиб. Последняя величина, максимальный изгибающий момент, обычно измеряется в условиях, когда игла уже испытала значительные пластические деформации, и, как правило, оказывается выше, чем изгибающий момент до начала пластической деформации, определяемый по началу пластической деформации иглы. Точка изгиба, при которой начинается пластическая деформация иглы, или более формально, в соответствии со стандартами ASTM, угол, при котором прикладываемый момент силы равен изгибающему моменту начала пластической деформации, называется углом начала пластической деформации при изгибе.
И изгибная прочность, и изгибная жесткость иглы оказывают влияние на характеристики управляемости иглой, а также на качество прокалывания и эффективность хирургической иглы. Важно отметить, что практически при любых обстоятельствах хирургическая игла должна использоваться в условиях, когда изгибающий момент начала пластической деформации не достигнут, поскольку при больших изгибающих моментах начинается пластическая деформация иглы, она теряет свою форму и ее более нельзя использовать по назначению. Таким образом понятно, что важным параметром качества хирургической иглы является большая величина изгибающего момента начала пластической деформации, который представляет собой меру изгибной прочности хирургической иглы. При нагрузках ниже момента начала пластической деформации сопротивление хирургической иглы изгибу наиболее полно характеризуется изгибной жесткостью иглы. Изгибная жесткость иглы представляет собой критическую меру сопротивления хирургической иглы упругому или обратимому изгибу до достижения угла начала пластической деформации и может быть рассчитана как отношение момента начала пластической деформации при изгибе к углу начала пластической деформации при изгибе. Если прямая или изогнутая хирургическая игла имеет малую величину изгибной жесткости, величина изгиба при заданном изгибающем моменте окажется весьма значительной, тогда как, если прямая или изогнутая хирургическая игла имеет большую величину изгибной жесткости, величина упругого изгиба при заданном изгибающем моменте окажется относительно небольшой. Хирурги склонны воспринимать значительную степень упругого изгиба иглы как потерю контроля над иглой или ее неудовлетворительные прокалывающие свойства, поскольку перемещение острия иглы при этом не следует непосредственно за движением руки хирурга. Поэтому изгибная жесткость иглы является одной из основополагающих характеристик качества иглы в большинстве случаев применения в хирургии.
На Фиг.1 приведен график со сравнением изгибных характеристик прошедшей термообработку изогнутой хирургической иглы диаметром 0,203 мм (0,008 дюйма), изготовленной из вольфрамового сплава с добавкой 26% рения, и аналогичной изогнутой хирургической иглы, изготовленной из нержавеющей стали марки 4310, стандартно используемой для изготовления хирургических игл. Все испытания были проведены в соответствии с требованиями стандарта ASTM F1874-98. На фигуре показаны момент начала пластической деформации при изгибе и угол начала пластической деформации при изгибе. Наклон прямой хирургической иглы из вольфрам-рениевого сплава до момента начала пластической деформации при изгибе представляет собой изгибную жесткость иглы и значительно превышает соответствующий показатель для эквивалентной иглы из нержавеющей стали марки 4310.
Пример 2
На Фиг.2 приведен график со сравнением изгибных характеристик изогнутых хирургических игл диаметром 0,203 мм (0,008”) из сплава вольфрама с 25,75% рения после отжига в течение 0,5 часа в зависимости от температуры отжига. Отжиг проводился в атмосфере аргона для поддержания инертной неокисляющей атмосферы. Все испытания были проведены в соответствии с требованиями стандарта ASTM F1874-98. Отжиг приводит к значительному повышению изгибной жесткости. Максимум изгибной жесткости достигается при отжиге при температуре 1000°C в течение 0,5 часа. При температурах отжига выше и ниже 1000°C наблюдается падение момента начала пластической деформации.
Очевидно, что аналогичные результаты могут быть достигнуты при отжиге меньшей продолжительности при более высоких температурах, при этом оптимальные температуры отжига сдвигаются в сторону более высоких температур. Аналогичным образом более продолжительный отжиг при более низкой температуре также может быть эффективным, при этом оптимальные температуры отжига сдвигаются в сторону более низких температур.
Пример 3
3
2,5
2,9
Вольфрам и его сплавы могут образовывать оксид желтого цвета со стехиометрией WO и оксид синего цвета с диапазоном стехиометрии от приблизительно WO до WO. Наблюдаемые в настоящем исследовании цвета игл из вольфрамового сплава объясняются образованием оксида желтого или синего цвета на поверхности обрабатываемой иглы. На Фиг.3 приведена диаграмма, обобщающая влияние pH и потенциала постоянного тока на образование поверхностных оксидных пленок.
В настоящем исследовании обрабатывали иглы из сплава вольфрам-25,75% рений при комнатной температуре в различных растворах, состав которых перечислен в Таблице 1 ниже. Максимальная величина pH для образования оксидной пленки оказалась равной 7 в 4% растворе NaCl.
<b>ТАБЛИЦА 1</b>
<b>Тип раствора</b>
<b>Концентрация раствора</b>
<b>Напряжение</b>
<b>Пост/перем ток (измерено)</b>
<b>Продолжительность (сек)</b>
<b>Температура (</b>°C<b>)</b>
<b>Цвет</b>
фосфорная кислота
70-85%
5
пост
30
24°C
серебристый/желтый
фосфорная кислота
70-85%
10
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
70-85%
15
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
70-85%
20
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
70-85%
25
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
70-85%
30
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
70-85%
35
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
70-85%
40
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
50%
15
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
50%
20
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
50%
25
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
25%
5
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
25%
10
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
25%
15
пост
30
24°C
желтый
фосфорная кислота
25%
20
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
25%
25
пост
30
24°C
синий
фосфорная кислота
70-85%
0,32
перем
30
24°C
нет
фосфорная кислота
70-85%
0,7
перем
30
24°C
желтое/ синее острие
фосфорная кислота
70-85%
1,1
перем
30
24°C
черный/ синий
фосфорная кислота
70-85%
1,39
перем
30
24°C
черный
фосфорная кислота
70-85%
1,6
перем
30
24°C
синий/ зеленый
фосфорная кислота
70-85%
2,2
перем
30
24°C
зеленый/ желтый
фосфорная кислота
70-85%
3,35
перем
30
24°C
черный/ синий
фосфорная кислота
70-85%
4,9
перем
30
24°C
черный
фосфорная кислота
75%
1
пост
30
24°C
серебристый
азотная кислота
68-70%
15
пост
30
24°C
желтый
азотная кислота
68-70%
20
пост
30
24°C
синий/ желтый
азотная кислота
68-70%
22
пост
30
24°C
синий
азотная кислота
68-70%
25
пост
30
24°C
синий
азотная кислота
68-70%
25
пост
60
24°C
синий
соляная кислота
37%
15
пост
30
24°C
желтый
соляная кислота
37%
25
пост
30
24°C
сине-фиолетовый
соляная кислота
37%
35
пост
30
24°C
синий
щавелевая кислота
10%
10
пост
30
24°C
желтый
щавелевая кислота
10%
15
пост
30
24°C
желтый
щавелевая кислота
10%
20
пост
30
24°C
желтый
щавелевая кислота
10%
25
пост
30
24°C
синий
серная кислота
98%
25
пост
30
24°C
нет эффекта
серная кислота
7%
15
пост
30
24°C
желтый (верх), синий (низ)
серная кислота
7%
25
пост
30
24°C
синий
серная кислота
7%
35
пост
30
24°C
синий
уксусная кислота
чистая
25
пост
30
24°C
нет эффекта
уксусная кислота
10%
15
пост
30
24°C
желтый
уксусная кислота
10%
25
пост
30
24°C
синий
водопроводная вода
100%
15
пост
30
24°C
желтый
водопроводная вода
100%
25
пост
30
24°C
синий
водопроводная вода
100%
35
пост
30
24°C
Синий
*Иглы обрабатывали индивидуально, после подключения к аноду и погружения на ~2,54 см (1 дюйм) в раствор
Приведенные цвета были определены визуально и могли быть светлого/темного оттенка. Кроме того, при переходном потенциале ~20 В цвет покрытия на границе между синим и желтым выбирался на глаз по наилучшему совпадению. Одни и те же цвета могли интерпретироваться разными людьми как темно-фиолетовый или как черный.
Ниже предложен механизм образования поверхностной оксидной пленки из водного раствора.
o
n/2
2
W-ne + nOH- ----> W(OH)n (промежуточный гидроксид вольфрама) ---> WO + n/2HO
Тот факт, что процесс образования окрашенной пленки эффективно проходит для широкого ряда водных растворов, включая кислоты, не содержащие в своем составе кислорода, такие как соляная кислота (HCl) и соленая (NaCl) вода, подтверждает предложенный простой механизм образования поверхностной оксидной пленки.
Отметим также, что образующиеся на поверхности обрабатываемой иглы оксиды и гидроксиды являются изоляторами, и их образование приводит к падению тока или потенциала. Кроме того, нагрев обработанных игл в инертной или окислительной атмосфере может улучшить окрашивающие свойства поверхностной оксидной пленки или модифицировать цвет пленки благодаря переводу гидроксидов в оксиды с выделением воды.