RU2114572C1

RU2114572C1 - Cutting microsurgical instrument

Info

Publication number: RU2114572C1
Application number: RU96105875A
Authority: RU
Inventors: Ольга Александровна Великодная; Татьяна Ивановна Мазилова; Татьяна Валериевна Михайловская; Игорь Михайлович Михайловский
Original assignee: Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт"
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: medical engineering; ophthalmology; stomatology. SUBSTANCE: holder 1 has operating part with tapered extension piece 2 and cutting edge 4. Operating part is made of deformed nonannealed polycrystal textured tungsten with axial texture 110 and texture scattering angle not exceeding. EFFECT: high-strength properties, prevention of virus infection. 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, в частности микрохирургическому инструменту, преимущественно к офтальмологическому, применяемому также в стоматологии и терапии для превентивных и диагностических целей. The invention relates to medical equipment, in particular a microsurgical instrument, mainly to an ophthalmic, also used in dentistry and therapy for preventive and diagnostic purposes.

Основным требованиям, предъявляемыми к рабочим частям режущего микрохирургического инструмента, являются высокая прочность, износостойкость и коррозионная стойкость в условиях, соответствующих стандартным видам стерилизации. The main requirements for the working parts of a cutting microsurgical instrument are high strength, wear resistance and corrosion resistance under conditions corresponding to standard types of sterilization.

Известен режущий микрохирургический инструмент, содержащий держатель и рабочую часть с режущей кромкой, выполненный из деформированного поликристаллического материала, в частности нержавеющей немагнитной стали, используемой для изготовления лезвий "Нева" и "Спутник" (Горбань А.И., Джамашвили О.А. Микрохирургия глаза. -Л.: Медицина, 1982, с.39 [1]). В таком инструменте можно достичь достаточно низкой шероховатости режущей кромки. Known cutting microsurgical instrument containing a holder and a working part with a cutting edge made of deformed polycrystalline material, in particular stainless non-magnetic steel used for the manufacture of blades "Neva" and "Sputnik" (Gorban A.I., Dzhamashvili O.A. Microsurgery eyes. -L.: Medicine, 1982, p. 39 [1]). In such a tool, a sufficiently low roughness of the cutting edge can be achieved.

Недостатком такого инструмента является пониженная износостойкость режущей кромки (порядка 10 операций), связанная с тем, что эффект зернограничного упрочнения Холла-Петча наблюдается в материалах (в том числе в немагнитной стали) с размером зерен, превышающим характерные размеры рабочей части инструмента. Но так как толщина режущей кромки микрохирургических инструментов должна быть порядка одного микрона, что существенно меньше средних размеров зерен в нержавеющих сталях и большинстве других конструкционных поликристаллических материалов, то это определяет невысокую износостойкость режущей кромки. Кроме того, износостойкость такой режущей кромки существенно снижается в процессе высокотемпературной обработки, в связи с чем не допускается необходимая высокотемпературная стерилизация известного режущего микрохирургического инструмента ([2], с. 32). А так как вследствие высокой стоимости режущих микрохирургических инструментов экономически нецелесообразно применять их как одноразовые, это делает невозможным гарантированное обеспечение предотвращения заражения вирусами при повторном использовании. The disadvantage of this tool is the reduced wear resistance of the cutting edge (about 10 operations), due to the fact that the effect of grain boundary hardening by Hall-Petch is observed in materials (including non-magnetic steel) with grain sizes exceeding the characteristic dimensions of the working part of the tool. But since the thickness of the cutting edge of microsurgical instruments should be about one micron, which is significantly less than the average grain size in stainless steels and most other structural polycrystalline materials, this determines the low wear resistance of the cutting edge. In addition, the wear resistance of such a cutting edge is significantly reduced during high-temperature processing, and therefore the necessary high-temperature sterilization of a known cutting microsurgical instrument is not allowed ([2], p. 32). And since due to the high cost of cutting microsurgical instruments it is not economically feasible to use them as disposable ones, this makes it impossible to guarantee the prevention of virus infection during repeated use.

Известен режущий микрохирургический инструмент, выбранный в качестве прототипа, содержащий рабочую часть с режущей кромкой из поликристаллического материала с углеродным шероховатым покрытием толщиной до 20 нм, выполненное по крайней мере с частичной алмазной кристаллической структурой (патент СССР N 1662337, кл. A 61 B 17/32, 1986 [2]). Этот инструмент характеризуется достаточно высокими значениями износостойкости: выдерживает 10 - 50 операций. Known cutting microsurgical instrument, selected as a prototype, containing a working part with a cutting edge of polycrystalline material with a carbon rough coating with a thickness of up to 20 nm, made with at least a partial diamond crystal structure (USSR patent N 1662337, class A 61 B 17 / 32, 1986 [2]). This tool is characterized by rather high values of wear resistance: it withstands 10-50 operations.

Недостатком такого инструмента является большая шероховатость режущей кромки, которая ведет к высокой травматичности при использовании инструмента в микрохирургии, так как высока вероятность нанесения таким инструментом повреждения живым клеткам. The disadvantage of this tool is the large roughness of the cutting edge, which leads to high trauma when using the tool in microsurgery, since there is a high probability of damage to living cells by such a tool.

Кроме того, износостойкость режущей кромки существенно снижается в процессе высокотемпературной обработки, в связи с чем не допускается необходимая высокотемпературная стерилизация известного режущего инструмента. In addition, the wear resistance of the cutting edge is significantly reduced during the high-temperature processing, and therefore the necessary high-temperature sterilization of the known cutting tool is not allowed.

В основу изобретения поставлена задача создания режущего микрохирургического инструмента, рабочая часть которого была бы выполнена из материала, имеющего более высокие прочностные свойства и прежде всего износостойкость, сохраняющуюся после высокотемпературной стерилизации, обеспечивающей предотвращение заражения вирусами, в том числе ВИЧ. The basis of the invention is the task of creating a cutting microsurgical instrument, the working part of which would be made of a material having higher strength properties and, above all, wear resistance, which remains after high-temperature sterilization, ensuring the prevention of infection with viruses, including HIV.

Поставленная задача решается тем, что в режущем микрохирургическом инструменте, содержащем держатель и рабочую часть с режущей кромкой из поликристаллического материала, в соответствии с изобретением рабочая часть выполнена из деформированного, неотожженного, текстурированного вольфрама с осевой текстурой [110] и углом рассеяния текстуры, не превышающим 13^o.The problem is solved in that in a cutting microsurgical instrument containing a holder and a working part with a cutting edge of polycrystalline material, in accordance with the invention, the working part is made of deformed, unannealed, textured tungsten with an axial texture [110] and a texture scattering angle not exceeding 13 ^o .

Сущность изобретения поясняется следующим образом. The invention is illustrated as follows.

Выполнение рабочей части из деформированного неотожженного металла способствует сохранению текстурированного состояния последнего, что определяет высокие прочностные свойства - износостойкость, сохраняющуюся после высокотемпературной стерилизации. The implementation of the working part of the deformed unannealed metal contributes to the preservation of the textured state of the latter, which determines the high strength properties - wear resistance that persists after high-temperature sterilization.

Выполнение рабочей части режущего микрохирургического инструмента из наиболее тугоплавкого и химически стойкого металла - вольфрама обеспечивает необходимый уровень ее износостойкости и коррозионной стойкости, сохраняющийся в процессе отжига при высоких температурах соответствующих стандартным условиям стерилизации (180^o).The implementation of the working part of the cutting microsurgical instrument of the most refractory and chemically resistant metal - tungsten provides the necessary level of its wear resistance and corrosion resistance, which remains during the annealing at high temperatures corresponding to standard sterilization conditions (180 ^o ).

Выполнение рабочей части режущего микрохирургического инструмента из текстутированного металла с осью текстуры [110] повышает на порядок долю границ зерен, разориентация которых описывается поворотом относительно оси [110]. The implementation of the working part of the cutting microsurgical instrument made of textured metal with the axis of the texture [110] increases by an order of magnitude the fraction of grain boundaries, the disorientation of which is described by rotation about the axis [110].

При разработке предлагаемого изобретения авторами установлено, что такие границы - границы сопряжения плоскостей в вольфраме при условии, что кристаллографические оси зерен разориентированы на углы менее 13^o, характеризуются высокой коррозионной стойкостью. В результате при формировании режущей кромки необходимой электролитической полировкой на поверхности не образуются зернограничные канавки химического травления, являющиеся, как известно (см. Савицкий Е. М. , Поварова К.Б., Макаров П.В. Металловедение вольфрама. -М.: Металлургия, 1978, с.104 [3]), концентраторами напряжений на режущей кромки и снижающие обычно прочность, сопротивление хрупкому разрушению и, как следствие, уменьшающие износостойкость.When developing the invention, the authors found that such boundaries are the boundaries of the conjugation of planes in tungsten, provided that the crystallographic axis of the grains are oriented at angles less than 13 ^o , are characterized by high corrosion resistance. As a result, when the cutting edge is formed by the necessary electrolytic polishing, grain-boundary chemical etching grooves are not formed on the surface, which are known (see Savitsky E.M., Povarova KB, Makarov P.V. Tungsten metal science. -M .: Metallurgy , 1978, p.104 [3]), stress concentrators on the cutting edge and usually reducing strength, resistance to brittle fracture and, as a consequence, reducing wear resistance.

Дополнительным фактором, снижающим хрупкость текстурированного вольфрама и, следовательно, повышающим износостойкость инструмента, является увеличение из-за наличия текстуры доли границ совпадающих узлов, которые препятствуют образованию и распространению трещин в металлах. An additional factor that reduces the brittleness of textured tungsten and, consequently, increases the wear resistance of the tool, is an increase due to the presence of texture, the share of the boundaries of the matching nodes, which prevent the formation and propagation of cracks in metals.

На фиг. 1 представлен общий вид режущего микрохирургического инструмента; на фиг. 2 - полевое ионно-микроскопическое изображение участка режущей кромки, содержащей выход на поверхность границы сопряжения плоскостей [110], разориентация зерен 11^o; на фиг. 3 представлено полевое ионно-микроскопическое изображение поверхности режущей кромки, содержащей границу зерен, кристаллографические оси [110] которых разориентированы на угол 15^o.In FIG. 1 shows a general view of a cutting microsurgical instrument; in FIG. 2 - field ion microscopic image of a section of a cutting edge containing an exit to the surface of the interface of the planes [110], misorientation of grains 11 ^o ; in FIG. 3 shows a field ion microscopic image of the surface of a cutting edge containing a grain boundary, the crystallographic axes [110] of which are oriented at an angle of 15 ^o .

Пример. Режущий микрохирургический инструмент - микрохирургический нож универсальный, содержит (фиг. 1) ручку держатель 1, рабочую часть, состоящую из конического удлинителя 2 и лезвия 3 с режущей кромкой 4, и изготовлен из неотожженной поликристаллической вольфрамовой проволоки, полученной деформацией волочением. Проволока имела осевую текстуру [110]; угол рассеяния текстуры составлял 10^o. При испытании предлагаемого режущего микрохирургического инструмента было установлено, что он имеет значительные преимущества по сравнению с известными инструментами. Результаты использования режущего микрохирургического инструмента (микрохирургического ножа универсального, офтальмологического микроножа Сато, цистотома и склеротома) в хирургической практике положительные (экспертное заключение Главного территориального медобъединения "Центр микрохирургии глаза" (г. Киев) от 16.03.95 N271, экспертное заключение Харьковской офтальмологической клинической больницы N14 им. Л.Л.Гиршмана).Example. The cutting microsurgical instrument is a universal microsurgical knife, contains (Fig. 1) a handle holder 1, a working part consisting of a conical extension 2 and a blade 3 with a cutting edge 4, and is made of unannealed polycrystalline tungsten wire obtained by drawing deformation. The wire had an axial texture [110]; the scattering angle of the texture was 10 ^o . When testing the proposed cutting microsurgical instrument, it was found that it has significant advantages compared with known tools. The results of using the cutting microsurgical instrument (microsurgical knife of the universal, ophthalmic microcutter Sato, cystotome and sclerotome) in surgical practice are positive (expert opinion of the Main Territorial Medical Association "Center of Eye Microsurgery" (Kiev) dated 16.03.95 N271, expert opinion of the Kharkov Ophthalmological Clinical Hospital N14 named after L.L. Hirschman).

Испытания режущего микрохирургического инструмента проведены в лабораторных и клинических условиях. Испытывались рабочие части инструмента - лезвия с режущей кромкой, изготовленные из полученной волочением неотожженной вольфрамовой проволоки диаметром 0,5-1,4 мм. Углы рассеяния осевой текстуры [110] составляли 8 - 15^o. Результаты сопоставлялись с данными испытаний рабочих частей режущих инструментов, изготовленных из деформированной стали Х18Н10Т (прототип).Tests of the cutting microsurgical instrument were carried out in laboratory and clinical conditions. The working parts of the tool were tested - blades with a cutting edge made from drawing an unannealed tungsten wire with a diameter of 0.5-1.4 mm. The scattering angles of the axial texture [110] were 8 - 15 ^o . The results were compared with the test data of the working parts of cutting tools made of deformed steel X18H10T (prototype).

Технические испытания рабочей части проводились следующим образом. Методами рентгено-структурного анализа и полевой ионной микроскопии определялись тип и углы рассеяния текстуры проволок различных партий. Конфигурация рабочей части формировалась в два этапа: механической шлифовкой и электролитической полировкой в концентрированном водном растворе едкого натра, обеспечивающей толщину вершины режущей кромки порядка 0,1 - 1 мкм. Состояние поверхности режущей кромки до и после эксплуатации инструмента контролировались с помощью высокоразрешающего низкотемпературного полевого ионного микроскопа. Было установлено, что границы между зернами, кристаллографические оси которых разориентированы на углы меньше 13^o, являются коррозионностойкими и не обнаруживают при рассмотрении в полевом ионном микроскопе канавок электрохимического растравливания (фиг. 2). При больших углах разориентации осей [110] такие канавки наблюдаются (фиг. 3). Глубина канавок межзеренного растравливания 0,05 - 0,1 мкм. Межкристаллитные канавки оказывают на металл воздействие, аналогичное образованию надрезов, повышающих локальные напряжения, снижая тем самым прочность материала. Прочность режущей кромки лезвия 4, имеющей толщину вершины размером 0,1 - 1 мкм, сравнимым с глубиной межкристаллитных канавок (см. выше), в решающей степени зависимости от наличия межкристаллитного растравливания. Однако количественное определение прочности из-за микроскопических размеров режущей кромки лезвия стандартным методом не представляется возможным. В связи с этим испытания износостойкости были проведены следующим образом. Конический удлинитель 2 с лезвием 3 отделялся от ручки держателя и закреплялся с помощью специального переходного устройства на индентородержателе прибора для испытания микротвердости ПМТ-3. После чего под индентородержатель проводилась закрепленная на рамке полиэтиленовая пленка, индентородержатель опускался до соприкосновения с пленкой и нагружался гирьками весом P. Положительными считались результаты испытаний, при которых происходил прокол пленки и ее разрез на ширине, соответствующей длине лезвия инструмента. Согласно требованиям ТУ 64-1-280-79 P выбиралось равным 2,8 H, толщина полиэтиленовой пленки составляла 0,15 мм.Technical tests of the working part were carried out as follows. Using the methods of X-ray structural analysis and field ion microscopy, the type and scattering angles of the texture of wires of various batches were determined. The configuration of the working part was formed in two stages: mechanical grinding and electrolytic polishing in a concentrated aqueous solution of caustic soda, providing a thickness of the tip of the cutting edge of the order of 0.1 - 1 μm. The state of the surface of the cutting edge before and after operation of the tool was monitored using a high-resolution low-temperature field ion microscope. It was found that the boundaries between grains whose crystallographic axes are misoriented at angles less than 13 ^o are corrosion resistant and do not reveal grooves of electrochemical etching when examined in a field ion microscope (Fig. 2). At large misorientation angles of the [110] axes, such grooves are observed (Fig. 3). The depth of the intergranular etching grooves is 0.05 - 0.1 μm. Intergranular grooves have an effect on the metal, similar to the formation of incisions that increase local stresses, thereby reducing the strength of the material. The strength of the cutting edge of the blade 4, having a vertex thickness of 0.1 - 1 μm in size, comparable to the depth of intergranular grooves (see above), to a decisive extent, depends on the presence of intergranular etching. However, the quantitative determination of strength due to the microscopic dimensions of the cutting edge of the blade by the standard method is not possible. In this regard, tests of wear resistance were carried out as follows. The conical extension 2 with the blade 3 was separated from the handle of the holder and secured with a special adapter on the indent holder of the PMT-3 microhardness test. After that, a plastic film fixed on the frame was held under the indenter holder, the indenter holder was lowered in contact with the film and loaded with weights of weight P. The test results were considered positive, in which the film was punctured and cut at a width corresponding to the length of the tool blade. According to the requirements of TU 64-1-280-79 P, it was chosen equal to 2.8 N, the thickness of the polyethylene film was 0.15 mm.

Количественной характеристикой износостойкости режущей кромки инструмента является предельное число последовательно проведенных испытаний N на одном образце, дающих дополнительные результаты. A quantitative characteristic of the wear resistance of the cutting edge of the tool is the limit of the number of successive tests N on one sample, giving additional results.

Испытывались также инструменты, подвергнутые отжигу при 180^oC, соответствующему наиболее жестким стандартным условиям стерилизации медицинского инструмента. Результаты испытаний рабочих частей инструментов, изготовленных из вольфрамовых проволок различных партий и из нержавеющей стали, приведены в таблице.Tests were also performed on instruments annealed at 180 ^° C, which corresponded to the most stringent standard sterilization conditions for a medical instrument. The test results of the working parts of tools made of tungsten wires of various batches and stainless steel are shown in the table.

Как следует из таблицы, износостойкость микрохирургического режущего инструмента по предлагаемому изобретению превышает износостойкость прототипа в 2 раза. As follows from the table, the wear resistance of the microsurgical cutting tool according to the invention exceeds the wear resistance of the prototype by 2 times.

Claims

A microsurgical cutting tool containing a holder and a working part with a cutting edge made of polycrystalline material, characterized in that the working part is made of deformed unannealed textured tungsten with an axial texture (110) and a texture scattering angle not exceeding 13 ^o .