recenzja - Politechnika Wrocławska

prof. dr hab. inż. Mieczysław Szata, prof. nadzw. PWr
Wrocław, 2014-12-18
Politechnika Wrocławska
Wydział Mechaniczny
Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej
Dyscyplina: mechanika
Specjalność: wytrzymałość materiałów (mechanika pękania, zmęczenie)
ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 WROCŁAW
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Moniki Marciniak
p.t. Mikroformowanie plastyczne protezy do rekonstrukcji otolaryngologicznej.
Opis identyfikacyjny: komputeropis na prawach rękopisu, stron 248, pozycji
literatury 131 oraz 15 adresów internetowych, spis rysunków, spis tabel oraz
załącznik na dyskietce analiza modalna.
Promotorzy interdyscyplinarnej rozprawy doktorskiej:
dr hab. inż. Zbigniew Zimniak, prof. nadzw. PWr,
dr hab. inż. Irena Zubel, prof. nadzw. PWr.
Zleceniodawca: Dziekan Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej,
prof. dr hab. inż. Edward Chlebus
Zlecenie z dnia 27 sierpnia 2014 r.
Rozprawa zawiera spis treści, 14 numerowanych rozdziałów, wykaz literatury,
spis rysunków, spis tabel.
W rozdziale 1. zatytułowanym Wprowadzenie Autorka krótko omawia zakres
tematyczny pracy, przedstawia podstawowe problemy, z jakimi boryka się
współczesna protetyka do rekonstrukcji otolaryngologicznej dla pacjentów
z dysfunkcją słuchu.
Kolejne rozdziały Autorka podzieliła na 3 grupy. Część literaturowa została
przedstawiona w rozdziałach 2 do 5, część koncepcyjna obejmuje rozdziały 6, 7
i 8, a część eksperymentalna znalazła się w rozdziałach 9 do 12. Podsumowanie
jest treścią rozdziału 13, a streszczenie rozprawy przedstawia rozdział 14.
W części koncepcyjnej, obejmującej rozdziały 6, 7 i 8, Autorka krytycznie ocenia
stan wiedzy, podsumowując przegląd literatury przedstawiony w rozdziałach 2 do 5
i na tym tle formułuje własne problemy badawcze.
Postępująca miniaturyzacja wymaga produkcji coraz mniejszych elementów.
Zmniejszanie wymiarów powoduje zaostrzanie tolerancji wymiarowych i poprawę
jakości powierzchni. Te wymagania otwierają drogę procesom mikroformowania.
Obecnie mikroelementy są wytwarzane różnymi metodami i każda z nich stwarza
kolejne problemy, związane z brakiem prostego "przeskalowania" technologii do
mniejszych wymiarów. Szerokie możliwości daje mikroformowanie metodami
1
obróbki plastycznej, które może być konkurencyjne dla technologii takich jak
mikroobróbka laserowa czy też LIGA, głównie ze względu na koszty. Szczególnie
niekorzystnie, w porównaniu z mikroformowaniem metodami obróbki plastycznej,
wypadają metody obróbki ubytkowej, takie jak mikroelektro-drążenie czy też
mikrocięcie laserowe. Powierzchnie wyrobów powstałych w wyniku tych procesów
są gorsze niż te, które można uzyskać w wypadku kształtowania plastycznego,
dlatego też coraz więcej mikrowyrobów wykonywanych jest tą technologią.
Analiza literatury z zakresu mikroformowania wykazała, że w kraju i na świecie,
mimo ogromnego potencjału, istnieje niewiele rodzajów konstrukcji urządzeń do
mikroformowania, a sama technologia jest jeszcze słabo znana. Chcąc opracować
nową technologię mikroformowania, należy rozwiązać problemy występujące w tej
technologii. Przy niemalże całkowitym braku krajowych doświadczeń w tym zakresie
badań dotychczasowy stan wiedzy jest wynikiem w całości z praktyki badaczy
zagranicznych.
Oryginalnym wkładem do tej dyscypliny naukowej jest koncepcja tłoczenia
mikroelementów z zastosowaniem dużej prędkości odkształcenia – tłoczenia
elektromagnetycznego. W procesie tym wytworzonemu silnemu impulsowi pola
magnetycznego towarzyszy potężny impuls ciśnienia, wykorzystany do nadawania
odkształcenia plastycznego.
Głębokie tłoczenie mikroelementów z małymi prędkościami (konwencjonalne)
napotyka na duże trudności, występują tu bowiem skumulowane, typowe dla tego
procesu, wady.
Opracowanie takich nowoczesnych technologii wytwarzania metalicznych
mikroczęści metodami mikrokształtowania plastycznego w naszym kraju jest sprawą
bardzo ważną i innowacyjną, a korzyści wynikające z jej wdrożenia – ogromne.
Protezy narządu słuchu, składające się z różnego rodzaju mikroczęści, wpisują się
w ogólny nurt rozwoju technologii mikroformowania. Wraz ze starzeniem się
organizmu starzeje się również nasz słuch. Oprócz tego istnieje jednak wiele
czynników wpływających na dysfunkcyjne działanie mechanizmu przenoszenia
dźwięków. Doprowadzają one do upośledzenia prawidłowego działania narządu
słuchu, które dzieli się na upośledzenie słuchu przewodzeniowe i odbiorcze.
U większości pacjentów występuje jednak niedosłuch przewodzeniowy, który można
wyeliminować przez zastosowanie odpowiedniego rodzaju protetyki. Spośród protez
stosowanych do rekonstrukcji łańcucha kosteczek słuchowych można wyróżnić
protezy z materiału autogennego (autografy) oraz protezy z innych materiałów do
częściowej (PORP) lub całkowitej (TORP) rekonstrukcji. W około 80% wszystkich
przypadków uszkodzeń ciągłości łańcucha kosteczek słuchowych stwierdza się brak
długiej odnogi kowadełka i główki młoteczka, co wymaga użycia protezy typu
TORP.
Z analizy literatury wynika, że mimo wielu rozwiązań konstrukcyjnych i wielu
stosowanych biomateriałów (złoto, platyna, PE, PTFE, itd.), nie ma uniwersalnej
protezy, która zapewniałaby idealne przenoszenie dźwięku oraz była w 100%
biotolerowalna przez organizm. Nadal poszukuje się optymalnych rozwiązań protez,
które będą przyjazne dla warunków biologicznych i fizjologicznych człowieka,
zapewniając jednocześnie przenoszenie sygnału akustycznego na jak najlepszym
2
poziomie. Największe firmy produkujące protezy ucha środkowego (Kurz, Audio
Technologies) mają w swojej ofercie wiele ciekawych rozwiązań, jednak każde
z nich ma swoje wady. Z powodu wysokich cen nie są one refundowane w wielu
krajach (w tym w Polsce), przez co chirurdzy są zmuszeni stosować przestarzale
metody operacyjne i protezy z materiału autogennego (co znacznie wydłuża czas
zabiegu chirurgicznego). Opracowanie nowej koncepcji protezy ucha środkowego,
która może przywrócić sprawność działania przewodzeniowego aparatu słuchowego,
a także opracowanie odpowiedniej technologii jej wytwarzania byłoby innowacyjne
na terenie Polski.
Sformułowanie problemu badawczego
Na podstawie przeprowadzonej analizy stanu wiedzy, a także wywiadu medycznego
Doktorantka wykazała, że istnieje realna potrzeba opracowania protezy do
rekonstrukcji otolaryngologicznej dla pacjentów z dysfunkcją słuchu, umożliwiającej
przywrócenie funkcji przewodzeniowego przenoszenia dźwięku, a także technologii
jej wykonania. Proteza powinna zapewniać transfer sygnału akustycznego z ucha
zewnętrznego do wewnętrznego, a także umożliwić modyfikację kształtu
śródoperacyjnie. Proponowana technologia natomiast powinna pozwolić na obniżenie
kosztów produkcji, aby proteza była dostępna dla jak największego grona pacjentów.
Możliwość przywrócenia lub polepszenia zdolności słyszenia jest dla pacjenta bardzo
ważna, ponieważ pozwala na powrót do normalnego funkcjonowania społecznego,
a tym samym poprawy jakości życia. Zapotrzebowanie rynku pozwoliło na
sformułowanie następującego problemu badawczego:
Poprzez dobranie odpowiedniego procesu technologicznego i materiałów
możliwe jest wytworzenie mikroprotezy, która zapewni przenoszenie sygnału
akustycznego o parametrach zbliżonych do tych w układzie anatomicznym ucha.
Przy tak sformułowanym problemie istnieje wiele aspektów naukowych, których
rozwiązanie będzie niezbędne podczas realizacji rozprawy. Można je sformułować
następująco:
wybór i przeprowadzenie badań materiałów na protezy otolaryngologiczne,
opracowanie i optymalizacja kształtów protezy ucha środkowego,
wybór potrzebnej technologii wykonania poszczególnych elementów protezy,
konstrukcja i realizacja nowatorskiego urządzenia do mikroformowania
plastycznego,
zaprojektowanie i wykonanie narzędzi do mikroformowania,
wykonanie elementów składowych protezy wybranymi metodami,
zaprojektowanie aparatury akustomechanicznej do pomiaru skuteczności
przenoszenia dźwięku przez protezy,
ocena możliwości realizacji funkcji przenoszenia dźwięku przez wykonane
protezy.
3
Dotychczas w kraju nie podejmowano się rozwiązania takich problemów. Wiele
realizowanych projektów dotyczyło głównie zagadnień związanych z rozwojem
wszechobecnej nanotechnologii. Nanokrystaliczne metale są zwykle bardziej
wytrzymałe od swoich mikrokrystalicznych odpowiedników, nanokrystaliczne
materiały ceramiczne nadają się do obróbki plastycznej, nanokrystaliczne materiały
magnetyczne umożliwiają wytwarzanie bardzo małych magnesów, jak również
znajdują zastosowanie w produkcji rdzeni transformatorów. Należy jednak zdawać
sobie sprawę, że nanotechnologia najczęściej musi być połączona z mikrotechnologią
i takie połączenie jest najbardziej naturalne. Najlepszym tego przykładem są MEMSy
(wymiary najczęściej nie przekraczają 1 mm3), w których układy wykonane
w technologii krzemowej łączy się z układami mechanicznymi, wykonanymi w skali
mikro. Ogólnoświatowa tendencja miniaturyzacji obejmuje coraz więcej obszarów
zastosowań, a gęstość upakowania funkcjonalnych elementów jest stale zwiększana.
Wiąże się to z podwyższoną produkcją mikroelementów o coraz mniejszych
wymiarach i zawężonych tolerancjach wykonania.
Dobrym przykładem skali produkcji mikroelementów są elementy połączeniowe
w układach scalonych, których produkcja oceniana jest na 24 mld sztuk rocznie.
Tempo wzrostu sprzedaży mikroelementów stale się zwiększa, a badania nad ich
technologią stanowią priorytety najbardziej rozwiniętych krajów świata.
Cel, przedmiot i zakres rozprawy
Celem rozprawy jest opracowanie nowoczesnej koncepcji i prototypu lub
demonstratora protezy do rekonstrukcji otolaryngologicznej, która powinna być
przyjazna dla warunków biologicznych i fizjologicznych, a jednocześnie zapewniać
przenoszenie sygnału akustycznego o niezbędnych do jego przekazywania
parametrach, zbliżonych do tych w układzie anatomicznym ucha środkowego.
Odrębnym i bardzo istotnym zagadnieniem w realizowanej rozprawie jest
opracowanie innowacyjnej technologii wytwarzania elementów składowych protezy
ucha środkowego.
Przedmiotem rozprawy doktorskiej jest konstrukcja i technologia wykonania
nowatorskiej protezy ucha środkowego. W zakresie tematyki rozprawy jest
optymalizacja takiego rozwiązania protezy narządu słuchu, z zastosowaniem
kryteriów wartości przenoszonych sygnałów akustycznych (drgań). Równorzędnym
problemem jest zastosowanie - do wytwarzania tych elementów innowacyjnej
technologii
mikroformowania,
zapewniającej
możliwość
odpowiedniego
kształtowania postaci opracowanej protezy. Przedstawiony zakres rozprawy wynika
zarówno z możliwości zastosowanych narzędzi teoretycznych i eksperymentalnych,
jak i aktualnego stanu wiedzy o problemie.
Zakres rozprawy obejmuje:
1.
Opracowanie konstrukcji oraz optymalizację postaci geometrycznej protezy
ucha środkowego z zapewnieniem odpowiedniego poziomu drgań. Ocena
przydatności metod analizy drgań w procesie diagnozowania stanu połączenia:
4
2.
3.
4.
5.
6.
tkanka miękka – proteza – tkanka kostna będzie możliwa na podstawie
współczesnych metod numerycznych (w tym wypadku metoda elementów
skończonych – MES) w wersji oryginalnego oprogramowania komercyjnego
typu ANSYS lub MSC Marc, a także badań eksperymentalnych na specjalnie
zaprojektowanym stanowisku badawczym do analizy akustomechanicznej.
Opracowanie technologii wykonania elementów składowych protezy ucha
środkowego z uwzględnieniem – z uwagi na parametry geometryczne
projektowanej protezy – techniki mikroformowania. Należy podkreślić, że
w zakresie rozwoju nowych konstrukcji miniimplantów – technika
mikroformowania stanowi nowoczesne narzędzie i nie jest szerzej stosowana.
Opracowanie konstrukcji urządzenia do mikroformowania, a także narzędzi do
realizacji mikroprocesów potrzebnych do wytworzenia wcześniej opracowanej
protezy do rekonstrukcji otolaryngologicznej.
Wykonanie prób technologicznych, w których zostały wyznaczone parametry
mechaniczne, takie jak mikrotwardość, moduł sprężystości, wytrzymałość na
ściskanie lub rozciąganie. Pierwszą część prób przeprowadzono
w podwyższonej temperaturze (do 400°C), natomiast drugą część po
wcześniejszym wyżarzeniu próbek. Zabiegi te pozwoliły na ocenę zmian
parametrów mechanicznych w zależności od różnych czynników
wpływających na przebieg procesu, co jest ważną informacją dla lepszego
planowania procesów mikroformowania. Wyznaczone eksperymentalnie
charakterystyki mechaniczne posłużyły również do zdefiniowania równań
konstytutywnych, które zostanły wykorzystane do analizy MES.
Wykonanie mikrografii materiału badawczego, a także gotowych wyrobów
metodami:
mikroskopii świetlnej (LM),
elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM),
skaningowej laserowej mikroskopii konfokalnej (CLSM).
Wykonanie badań i analiza akustomechaniczna nowopowstałych protez ucha
środkowego na specjalnie opracowanym stanowisku badawczym,
wykorzystującym metody wibroakustyczne i laserowe.
W tym miejscu należy odpowiedzieć na pytanie, czy podjęta przez
Doktorantkę tematyka jest aktualna i ważna. Recenzent nie ma wątpliwości co do
aktualności tematu i jego znaczenia dla rozwoju Inżynierii Biomedycznej, a przede
wszystkim dla zdrowia i komfortu pacjentów. Zaproponowane i zastosowane
nowoczesne technologie przyczynią się do rozwoju dyscypliny Budowa
i Eksploatacja Maszyn, w której lokuje się recenzowana interdyscyplinarna
rozprawa.
Rozdział 13. zawiera podsumowanie i kierunki dalszych badań. Streszczenie oraz
obszerna Bibliografia – 131 pozycji literaturowych oraz 15 adresów internetowych –
zamyka tekst rozprawy.
5
UWAGI O ROZPRAWIE
Rozprawa jest napisana poprawnym, zrozumiałym językiem i wykazuje bardzo
dobry poziom edytorski. Na szczególne podkreślenie zasługuje bogata dokumentacja
graficzna. Rysunki oraz fotografie są wykonane bardzo starannie z umiejętnym
wykorzystaniem koloru i odzwierciedlają szeroki program badań. Tabele są
przejrzyste dla czytelnika.
Znaczący element rozprawy stanowią bogato udokumentowane własne badania
eksperymentalne, uzupełniane szeroką analizą numeryczną.
W trakcie lektury rozprawy recenzent zwrócił uwagę na pewne nieścisłości.
Z jednej strony Doktorantce należy się pochwała za dobór literatury – znajdują się
tam nie tylko pozycje najnowsze, lecz także publikacje ważne dla tego obszaru
badawczego, opublikowane wcześniej. Spośród 131 pozycji zdecydowaną większość
stanowią publikacje w języku angielskim. Jest to odbicie wymagań obecnego czasu –
publikować należy po angielsku. Niestety, płacimy za to pewną cenę – nie utrwalają
się poprawne formy w języku polskim i zalewają nas anglicyzmy. Doktorantka
również nie ustrzegła się tego – na pocieszenie można powiedzieć, że w tej sprawie
nie należy do wyjątków. Przykłady: E to nie jest moduł elastyczności, ale moduł
sprężystości; ν to nie współczynnik Poissona, ale ułamek Poissona; niektóre nazwy
i nazwiska język polski już przyswoił i piszemy moduł Younga, a nie Young’a.
Znajduje się również 15 adresów internetowych – tu mam uwagę – dobrym
zwyczajem jest podawanie daty ostatniego wejścia na stronę.
Doktorantka używa czasem w wypadku policzalnym ilość zamiast liczba.
Słabo jest uzasadnione przyjęcie jako kodów obliczeniowych systemów ANSYS oraz
MSC Marc. Autorka mogłaby szerzej odnieść się do innych możliwości
i skomentować wybór własny.
Brakuje krótkiej charakteryzacji technologii LIGA, o której Autorka mówi przy
porównaniach różnych technologii.
Wymienione uwagi nie zmieniają mojej bardzo pozytywnej oceny rozprawy,
która jest napisana niezwykle starannie i wyróżnia się wysokim poziomem
edytorskim. Rozprawa jest wyróżniająca również ze względu na podjęcie trudnej
tematyki, wykorzystanie nowoczesnych interdyscyplinarnych narzędzi badawczych
jak i przyszłościowych technologii.
Rozprawa Doktorantki znakomicie wypełnia lukę, stanowiąc dojrzałą naukowo pracę
technologiczną, pokazującą możliwości wykorzystania technologii mikroformowania
plastycznego w medycynie. Tematyka rozprawy mieści się w dyscyplinie Budowa
i Eksploatacja Maszyn.
6
PODSUMOWANIE
Istotny i twórczy wkład mgr inż. Moniki Marciniak w rozwój budowy
i eksploatacji maszyn, w jej część teoretyczną, eksperymentalną i metodologiczną
polega na tym, że przedstawiła rozwiązanie postawionego problemu badawczego tj.
wytworzenia protezy do rekonstrukcji otolaryngologicznej, na podstawie którego
można sformułować następujące wnioski i osiągnięcia:
Opracowano nowe konstrukcje protez typu PORP i TORP; ze względu na
innowacyjność stworzonych protez opracowano dwa zgłoszenia patentowe pt.
Proteza kosteczek słuchowych o numerach P406083 oraz P406084.
Analiza statyczna wykonana symulacją MES wykazała, że najsztywniejszą
konstrukcją, która najlepiej będzie przenosić obciążenia spośród opracowanych
protez, jest proteza o trójramiennej podstawie, wykonana z materiału Ti Gr5.
Podobne zachowanie wykazywała proteza o tym samym kształcie wykonana
z materiału Ti Gr2.
Analiza modalna wykonana przy użyciu symulacji MES wykazała, że najlepszą
konstrukcją, charakteryzującą się najmniejszą liczbą częstotliwości
rezonansowych, jest proteza o trójramiennej podstawie z czterema postaciami
modalnymi.
Analiza odpowiedzi harmonicznej wykonana przy użyciu symulacji MES
wykazała, ze proteza o trójramiennej podstawie przejawia najmniejszą liczbę
niekorzystnych wzbudzeń i tłumień; przebieg krzywej zależności logarytmu
przemieszczeń od częstotliwości tej protezy jest zbliżony do przebiegu krzywej
dla protezy komercyjnej Kurza; niekorzystne wzbudzenia występują przy
częstotliwościach: ok. 1 kHz i ok. 8 kHz.
Analiza harmoniczna protezy dla dwóch różnych materiałów tytanowych (Ti
Gr2 i Ti Gr5) wykazała, że działanie protezy w obu przypadkach jest bardzo
zbliżone; rodzaj zastosowanego materiału tytanowego bądź jego stopu nie ma
istotnego wpływu na skuteczność i stabilność działania protezy. Zmiana
materiału spowodowała jedynie przesunięcie maksimum wzbudzenia do
wyższych częstotliwości, ale nie zwiększała liczby obserwowanych wzbudzeń.
Przeprowadzone analizy: statyczna, modalna i harmoniczna pozwoliły na
optymalizację postaci geometrycznej protezy ucha środkowego; zmieniono
wymiary geometryczne podstawy protezy o trójramiennej podstawie w taki
sposób, aby kształt był osiowosymetryczny, co skutkowało poprawą
właściwości dynamicznych konstrukcji wykazaną w późniejszych badaniach
doświadczalnych.
Opracowano nowoczesną konstrukcję i wykonano urządzenie do
mikroformowania; urządzenie przystosowano do pracy z zastosowaniem
konwencjonalnego napędu liniowego lub napędu elektromagnetycznego.
Innowacyjna konstrukcja napędu elektromagnetycznego pozwoliła na złożenie
zgłoszenia patentowego pt. Napęd do kształtowania elektrodynamicznego
(P405243).
7
Symulacje numeryczne (MES) pozwoliły na opracowanie najkorzystniejszego
rozwiązania konstrukcyjnego przyrządu do mikroformowania pod względem
funkcjonalności działania i jego sztywności.
Na stanowisku badawczym do pomiaru sztywności, wykorzystującym
interferometr laserowy LSP30-3D zweryfikowano obliczenia dotyczące
sztywności przyrządu do mikroformowania (przeprowadzone przy użyciu
symulacji numerycznych). Wykazano, że maksymalne przemieszczenie płyty
górnej przyrządu w przypadku badań MES wynosi 5 µm, natomiast w testach
eksperymentalnych 2,5 µm. Sztywność całego przyrządu jest wystarczająca do
przeprowadzania procesów mikroformowania.
Poprawność wykonania narzędzi do realizacji procesów mikroformowania
(wytworzonych różnymi technikami) stwierdzono na podstawie pomiarów
mikroskopowych.
Właściwości mechaniczne materiałów tytanowych wyznaczone na podstawie
prób wytrzymałościowych, przeprowadzonych w różnych warunkach, pozwoliły
na dobranie odpowiednich parametrów technologicznych procesów
mikroformowania; np. wyznaczenie wytrzymałości danego materiału pozwoliło
na dobranie takich wymiarów geometrycznych wyrobu, aby siła potrzebna do
jego wytworzenia nie przekroczyła maksymalnej siły generowanej przez napęd.
Z badanych materiałów tytanowych najmniej odkształcalny okazał się Ti Gr4,
natomiast wytrzymałość nanostrukturalnego nTi Gr2 w porównaniu do
konwencjonalnego Ti Gr2 wzrosła o ok. 27%.
Dobra jakość metalurgiczna, jednorodność występowania pierwiastków na
powierzchni i średnia wielkość ziarna danego materiału (ważne kryteria
biotolerancji materiału względem tkanek) została określona na podstawie badań
mikrostrukturalnych oraz analiz SEM-EDX; jest to podstawa do
zakwalifikowania tych materiałów na protezy.
Przeprowadzenie procesu mikrowyciskania w podwyższonej temperaturze
potwierdziło poprawność działania urządzenia; układ grzewczy został dobrze
zaizolowany, nie powodując niepotrzebnego nagrzewania się pozostałych części
urządzenia; mikrowypraski stanowiły górną część protez.
Mikroformowanie metodą trawienia chemicznego może być alternatywą
wytworzenia podstaw protez ucha środkowego.
Narzędzia wykonane z monokryształu krzemu pozwoliły na otrzymanie
mikrowytłoczek o precyzyjnie odwzorowanym kształcie; techniki fotolitografii
są odpowiednie do wytworzenia narzędzi.
Wykonane stanowisko badawcze do mikrozgrzewania iskrowego pozwoliło na
połączenie poszczególnych elementów składowych protezy ucha środkowego;
próby odrywania i badania mikroskopowe umożliwiły sprawdzenie jakości
zgrzein; stwierdzono poprawne wykonanie połączeń.
Badania mikroskopowe protez ucha środkowego wykonanych metodami
mikroformowania pozwoliły na ocenę jakości wykonanych powierzchni;
stwierdzono poprawne wykonanie protez.
8
9