NO862225L - Laserstraalebeskyttende materiale. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører et skjermingsmateriale for slik bruk som laserstrålekirurgi.

Laserteknologi spiller en økende viktig rolle i dagens kirurgiske fremgangsmåter som illustrert ved dens anvendelse i halskirurgi. En slik bruk medfører imidlertid visse problemer. F.eks. kan laserstrålen skade det endotrakeale rør som normalt brukes under halsoperasjoner alvorlig, idet et uheldig direkte støt fra laseren har evne til å brenne gjennom rørets ubeskyttede vegg og dervedødelegge dets funksjon.

For å unngå en slik brenning kan røret pakkes inn i reflek-terende aluminiumsbånd. Selv om denne innpakning ikke forhindrer ødeleggelse av selve røret, kan den reflekterte stråle godt forårsake termisk skade annetsteds. I tillegg gjør det tykke aluminiumsbåndet vondt i pasientens hals. En lignende løsning på problemet er beskrevet i US patent nr. 4.489.722, hvor røret er utstyrt med et laserreflekterende dyppebelegg. Selv om dette er en forbedring fremfor aluminiuminnpakningen, gjør belegget røret mye mindre bøyelig, og laserstråler reflekteres fortsatt fra røret inn i halsvevet.

Det består derfor behov for et mer effektivt middel for å beskytte endotrakeale rør og andre medisinske anordninger som anvendes ved laserstrålekirurgi.

Det er nå funnet at innbygning av grafittpartikler i en polymer matrise kan gi et hensiktsmessig bøyelig komposittmateriale som kan motta direkte laserstråletreff med et minimum av både termisk ødeleggelse på materialet og refleksjon av strålen til omgivende vev.

Foreliggende oppfinnelse vedrører derfor en skjerming for beskyttelsesmateriale mot laserstråletreff, idet skjermingen er fremstilt av en kompositt omfattende en dispersjon av partikkelformet grafitt i en polymer matrise.

Fortrinnsvis er den partikkelformede grafitt pyrolytisk grafitt, er i det minste delvis orientert i polymer matrisen, utgjør fra ca. 25 til 35 vekt% av kompositten og har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse fra ca. 50 til 100p ved bruk med sådant som karbondioksydlasere, mens polymermatrisen er silikongummi. Skjermingen foreligger fortrinnsvis i form av en hylse eller rør, spesielt som et endotrakealt rør fremstilt fra en kompositt omfattende en dispersjon av partikkelformet pyrolytisk grafitt i en elastomer matrise.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangmåte for å redusere virkningene fra laserstråletreff på et varmeømfintlig element eller levende vev såsom under laserstråleenergi, hvilket består i å beskytte elementet eller vevet med et sjikt av komposittmateriale omfattende en dispersjon av partikkelformet grafitt i en polymer matrise, idet den partikkelformede grafitt fortrinnsvis er pyrolytisk grafitt som i det minste delvis er orientert i polymer matrisen.

Når en laserstråle eller sammenhengende forsterket lys treffer materialoverflaten, kan betydelig varmeenergi overføres fra strålen til materialet. For å være forenlig med laserstrålekirurgi, bør et materiale være i stand til å absorbere den innfalne lysenergi og raskt fordele den resulterende varmeenergi fra det umiddelbare området laseren treffer. Komposittmaterialet i foreliggende oppfinnelse hvori partikkelformet grafitt er dispergert i en polymer matrise for å utnytte grafittens enestående anisotrope egenskaper har vist betraktelig evne til å absorbere og fordele laserstråleenergi og således beskytte både selve materialet og dets omgivelser mot de skadelige effekter av uønsket laserstråletreff.

Den partikkelformede grafitt som brukes for fordelingen kan være ethvert overveiende (mer enn 50%) grafittisk karbon. Grafittisk karbon er en form for elementært karbon med en tredimensjonal orden bestående av flate, parallelle (a-b) plan av karbonatomer, idet atomene innenfor hvert plan danner et ordnet heksagonalt mønster av kondenserte plane Ce-ringer, idet planene er adskilt 3,354 A fra hverandre og de enkelte krystaller eller krystallitter overskrider 200 Å i diameter. Med en slik orden er bindingskraften mellom planene bare ca. 2% av det innenfor et plan, hvilket fører til en markert anisotropi av de fleste egenskaper innbefattet varmeledning. Naturlig grafitt, avhengig av kilden, kan være fra ca. 85 til 100 % grafittisk karbon, mens syntetisk grafitt som fremstilles ved å oppvarme enten amorft karbon eller et brent petroleumskoksprodukt over 2200°C, normalt er ca. 85% grafittisk.

Et spesielt egnet grafitt for bruk i foreliggende oppfinnelse er pyrolytisk grafitt. Pyrolytisk grafitt er et hovedsakelig rent grafitt dannet ved en dampfaseavsetningsprosess hvor en hydrokarbongass pyrolyseres i en høytemperaturvakuumovn og det resulterende karbon er avsatt på en plan overflate med grunnplanene av det avsatte karbon orientert parallelt med denne overflate. Innenfor hvert grunnplan eller turbostatiske sjikt er karbonatomene anordnet i todimensjonale sekskanter med hvert atom sterkt bundet til tre andre atomer. Mellom planene oppnås imidlertid bindingen primært med Van der Waal krefter. Denne store forskjell i bindingsstyrken gir opphav til den ekstreme rettethet eller anisotropi av pyrolytisk grafitt: parallelt med avsetningsflaten eller a-b planet har det pyrolytiske grafitt en termisk ledningsevne som tilsvarer metaller, men loddrett på sitt plan har det en termisk isoleringsevne som ligner på keramikker. Denne forskjell i termisk ledningsevne er ca. 200 til 1.

Det er denne anisotropien til grafitten sammen med dens inerte og ildfaste karakter som gjør den så virksom ved beskyt-telse av slikt som et endotrakealt rør mot strølaserstråletreff på overflaten, idet den absorberte varme fra et treff raskt fordeles i alle retninger gjennom røret. Ved videre å velge den riktige størrelsen av grafittpartiklene som forklart nedenunder, vil den treffende stråle spres istedet for reflekteres fra rørets overflate. Denne enestående kombinasjon av varmeledning og strålespredningsegenskaper gjør det foreliggende komposittmaterialet særdeles verdifullt i laserstrålekirurgi.

Den anisotrope virkning kan forsterkes ved bruk av en dispersjon av orientert partikkelformet grafitt. Med "en dispersjon av orientert partikkelformet grafitt" menes en dispersjon av partikkelformet grafitt hvori grafittpartiklene er innrettet med sine a-b plan i det vesentlige parallelt både med hverandre og hovedoverflaten av komposittmaterialet som inneholder partiklene. En slik orientering kan oppnås under fremstillin-gen av komposittmaterialet. F.eks. vil grafittpartiklene under ekstruderingsprosessen for å danne et endotrakealt rør ha tendens til å orientere seg med sine a-b plan i ekstruderingsretningen eller sammen med rørets lengdeakse. Likeledes ved forming av et ark ved rulling har partiklene tendens til å bli orientert med sine a-b plan i rulleretningen eller parallelt med flatens hovedoverflater. Når derfor grafittpartiklene dispergeres i en polymer matrise og danner et komposittmateriale og partiklene er orientert med sine a-b plan hovedsakelig parallelt med hverandre og med hovedaksen eller overflaten av komposittmaterialet, vil en lokalisert varmeoppsamling i komposittmaterialet raskt fordeles ved ledning langs komposittmaterialets hovedakser.

Grafittpartiklene utgjør generelt fra ca. 5 til 50 vekt% av komposittmaterialet. Grafittmengder meget under 5 vekt% gir liten fordelaktig virkning, mengder over 50 vekt% gir ingen spesiell fordel ved reduksjon av matrisens elastisitet og styrke. Fortrinnsvis er grafitten fra ca. 25 til 35 vekt% av komposittmaterialet. For å oppnå den ønskede strålespredning, har grafittpartiklene normalt en gjennomsnittlig partikkelstørrelse

6

målt med standard Coulter teller teknikker fra ca. 5 til 250p. Partikler meget større enn 250p gir liten spredning av strålen som treffer, mens partikler meget under 5p er vanskelig å dispergere. Den foretrukne partikkelstørrelse vil variere avhengig av laserstrålekilden såsom YAG, argon, helium-neon og kryptonfluorid. Når en karbondioksydlaser anvendes, har grafitten fortrinnsvis en gjennomsnittlig partikkelstørrelse fra ca. 50 til 100p. Forholdet mellom partikkelstørrelse og spredning er velkjent for den som forstår Rayleigh spredning.

Polymer matrisen kan være av enhver naturlig eller syntetisk, organisk eller uorganisk, ikke-ledende polymer hvori grafittpartiklene kan dispergeres. Slike polymerer inneholder f.eks. termoplastiske materialer såsom rågummi, polyvinyl-klorider, nylontyper, fluorkarboner, lineære polyetylener, polystyrener, polypropylener og cellulose- og akrylharpikser samt termosettingsmaterialer såsom fenoliske-, alkyd- og amino-harpikser, polyestere, epoksyder og silikoner. Elastomerene såsom naturlig gummi (polyisopren), natriumpolysulfid, poly-kloropren, butadien-styrenkopolymere, akrylonitrilbutadien kopolymerer, etylen-propylendiengummier, isobutylen-isopren-kopolymerer, polyakrylonitril, epiklorhydrin, polyuretan og spesielt silikongummi, foretrekkes for å gi en kompositt med en fleksibilitetsgrad.

I tillegg til grafittpartiklene og polymermatrisen kan kompositten også inneholde forskjellige blandede bestanddeler som ikke på skadelig måte påvirker dens varmeledning og lysspred-ningsegenskaper. Slike bestanddeler er f.eks. fyllmidler, farvemidler og mykningsmidler.

Selv om komposittmaterialet i foreliggende oppfinnelse kan ha andre former, vil det normalt ha form av et rør eller en plate. Av spesiell interresse er endotrakeale rør såsom det som er beskrevet i US patent nr. 4.419.095. Ved fremstilling av det ønskede rør eller plate, blandes normalt grafitten med valgt partikkelstørrelse med den utvalgte monomer for matrisen sammen med enhver annen forskjellig bestanddel såsom farvestoff, og monomeren polymeriseres deretter og blandingen formes ved ekstrudering eller andre midler ved bruk av standard behandlings-teknikker. Som tidligere angitt lettes orienteringen av det partikkelformede grafitt under en slik behandling ved kreftene som virker i strømningsfeltet.

Det følgende eksempel vedrørende laserstrålekirurgi er bare illustrerende og bør ikke anses som begrensende for oppfinnelsen, hvis omfang er avgrenset av de medfølgende krav.

E KSEMPEL

En prøve av pyrolytisk grafitt ("Pyroid", Pfizer Inc.,

New York, NY) ble malt til under 60 mesh (250 p, US siktserie) og sammensatt til forskjellige konsentrasjoner med silikongummier av 65 og 80 shore A hårdhet. Blandingene ble så presserullet til strimler med en tykkelse på 3,2 mm.

En 0,75 mm diameter 20 watt karbondioksyd laserstråle ble rettet loddrett på hovedflaten av hver av strimlene for å simulere tilfeldig treff av laserstrålen under kirurgi, ved å bruke både en enkelt blest på 10 sekunders varighet og en serie på 5 blester av 0,5 sekunders varighet med kort pause mellom blestene. Disse behandlinger førte til de følgende temperaturer på undersiden av strimlene under treffpunktene:

Denne prøvingen viser klart fordelene ved foreliggende komposittmaterialer ved laserstrålekirurgi. De ikke-fylte strimler, typiske for vanlige tidligere kjente endotrakeale rør, ble gjennomtrengt av laserstrålen ved begge eksponeringsnivåer, en uakseptabel tilstand da vanlig medisinsk praksis krever at rørene fører sterkt brennbare bedøvende gasser. Foreliggende kompositt derimot, selv ved så lave grafittkonsentrasjoner som 5 vekt% forhindret en slik gjennomtrengning med betydelig reduksjon i innsideveggtemperaturen og gir således større stabilitet og sikkerhet for endotrakeale rør med slik sammen-setning som anvendes i laserstrålekirurgi.

Claims (10)

1. Skjerm av beskyttelsesmateriale mot laserstråletreff, karakterisert ved at skjermen er fremstilt av et komposittmateriale omfattende en dispersjon av partikkelformet grafitt i en polymer matrise.

2. Skjerm ifølge krav 1, karakterisert ved at den partikkelformede grafitt er pyrolytisk grafitt.

3. Skjerm ifølge krav 1, karakterisert ved at den partikkelformede grafitt i det minste delvis er orientert i den polymere matrise.

4. Skjerm ifølge krav 1, karakterisert ved at den partikkelformede grafitt utgjør fra ca. 25 til 35 vekt% av komposittmaterialet.

5. Skjerm ifølge krav 1, karakterisert ved at det partikkelformede grafittmaterialet har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse fra ca. 50 til 100 u.

6. Skjerm ifølge krav 1, karakterisert ved at polymermatrisen er silikongummi.

7. Skjerm ifølge krav 1, karakterisert ved at den har form av en plate eller rør.

8. Endotrakealt rør fremstilt fra et komposittmateriale omfattende en dispersjon av partikkelformet pyrolytisk grafitt i en elastomer matrise.

9. Fremgangsmåte ved reduksjon av virkningene av laserstråle-tref f på et varmeømfintlig redskap eller levende vev, karakterisert ved at man beskytter redskapet eller vevet med et sjikt av komposittmaterialet omfattende en dispersjon av partikkelformet grafitt i en polymer matrise.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at den partikkelformede grafitt er pyrolytisk grafitt og i det minste delvis er orientert i polymer matrisen.