Techniki niskotemperaturowe w Inżynierii Mechaniczno Medycznej

Techniki niskotemperaturowe w Inżynierii Mechaniczno Medycznej

Techniki niskotemperaturowe
w Inżynierii Mechaniczno Medycznej
prowadzący Waldemar Targański
Patrycja Misiołek
Inżynieria mechaniczno medyczna
stopień II, semestr 2
grupa 2
Rok akademicki 2012/2013
Spis treści:
1. Podstawowe pojęcia kriogeniki.
2. Medyczne zastosowania kriogeniki
3. Własności ciał – zmiany pod wpływem temperatur kriogenicznych.
•
rozszerzalność cieplna – zmiana wymiarów
•
przewodność cieplna – spadek wraz z obniżaniem temp.
•
ciepło właściwe – maleje wraz ze spadkiem temperatury
•
ciepło parowania – im niższa temp gazu tym niższe
•
entropia – zmniejsza się
•
nadciekłość
•
kruchość/ ciągliwość
•
zeszklenie
•
nadprzewodnictwo
4. Podsumowanie
5. Bibliografia
1.
Podstawowe pojęcia kriogeniki.
Kriogenika jest to dziedzina nauki zajmująca się badaniem i wykorzystaniem
właściwości ciał w niskich temperaturach, a także uzyskiwaniem i mierzeniem tych
temperatur. Temperatury takie nazywamy temperaturami kriogenicznymi i zaliczamy
do nich temperatury niższe niż -150 stopni Celsjusza, czyli 120 Kalwinów. Kriogenika
ma poważny udział w takich dziedzinach jak: badania przestrzeni kosmicznej,
biologia i chirurgia, w przemyśle spożywczym, metalurgicznym, chemicznym i
urządzeniach nadprzewodzących. Zastosowanie kriogeniki jest bardzo szerokie i
wykorzystuje się ją w wielu naukach technicznych, biologicznych i elektrycznych.
Zainteresowanie niskimi temperaturami było pierwotnie związane z próbami
skraplania i ewentualnie zestalenia wszystkich znanych gazów. Próby te dzięki
długotrwałym wysiłkom licznych eksperymentów zostały uwieńczone sukcesem. Przy
okazji stwierdzono wiele niezwykłych właściwości, którymi odznaczają się ciała w
bardzo niskich temperaturach. Jedną z nich stanowiło silne zmniejszenie się ciepła
właściwego w obszarze niskich temperatur. Ekstrapolacja tego rezultatu do
temperatury zera bezwzględnego oraz wykorzystanie statystycznej interpretacji
entropii w ramach mechaniki kwantowej doprowadziły do sformułowania trzecie
zasady termodynamiki Nernsta-Plancka. Inne bardzo ważne odkrycie w dziedzinie
badań niskotemperaturowych to odkrycie nadciekłości helu i nadprzewodnictwa
niektórych metali w bardzo niskich temperaturach. Częściowe wytłumaczenie obu
tych zjawisk uzyskano przez uwzględnienie kwantowego zachowania się helu i gazu
elektronowego w obszarze bardzo niskich temperatur. Wiele faktów pozostaje nadal
zagadką i wymaga dalszych badań eksperymentalnych i teoretycznych. W tym
paragrafie omówimy najpierw metody uzyskiwania niskich temperatur związane ze
skraplaniem
gazów
oraz
metodę
oziębienia
w
drodze
adiabatycznego
rozmagnesowania soli paramagnetycznych. Dalszą część paragrafu poświęcimy
trzeciej zasadzie termodynamiki.
2.
Zastosowanie kriogeniki w medycynie
Leczenie zimnem jest najstarszą formą leczenia. Już od ponad 4500 lat jest
wykorzystywana w świecie. Egipcjanie jako pierwsi użyli zimna w leczeniu,
stwierdzając, że zimno działa uśmierzająco na miejsca urazu i ma działanie
przeciwzapalne. Dzięki współczesnym technologiom można uzyskać dużo niższych
temperatur niż ta, jaką zapewniał okład ze śniegu lub lodu.
Rozwój kriogeniki umożliwił skroplenie gazów uznawanych wcześniej za gazy
trudno- bądź nieskraplające się. Należą do nich między innymi: azot, tlen, hel,
ksenon, argon, metan czy wodór. Aktualnie technika pozwala nie tylko na „produkcję”
czynników (cieczy) kriogenicznych, ale także na ich przechowywanie i transport w
fazie cieczowej.
Czynniki kriogeniczne pełnią różnorodne role w medycynie. Ich własności
wykorzystuje się w diagnostyce (rezonans magnetyczny), leczeniu (kriochirurgia),
rehabilitacji (krioterapia) a także umożliwiają przechowywanie oraz transport
materiałów
biologicznych.
Rys. 1. Sztucznie barwione zdjęcie przekroju zdrowego mózgu ludzkiego. [1]
Pierwszą dziedziną medycyny gdzie wykorzystywana jest kriogenika jest
diagnostyka, czyli nauka o rozpoznawaniu chorób. Prawidłowe rozpoznanie, analiza
objawów i wyników badań, stanowi pierwszy i podstawowy etap leczenia.
Współcześnie jednym z najnowszych metod wspomagających badania nad
narządami jest metoda wykorzystująca rezonans magnetyczny. Zjawisko rezonansu
magnetycznego polega na wykrywaniu protonów (jąder wodoru) w badanym
narządzie. Silne pole elektromagnetyczne, wytwarzane przez magnes
nadprzewodzący pobudza protony do wysyłania promieniowania
elektromagnetycznego. Opisane badanie wykonuje się tomografem NMR. Magnes
nadprzewodzący chłodzony jest ciekłym helem, uzyskanym dzięki metodom
kriogenicznym.
Rys. 2. Pojemniki z suchym lodem do przechowywania materiałów biologicznych. [1]
Ciekły azot oraz suchy lód są idealnymi środkami chłodzącymi podczas
transportu i czasowego przechowywania preparatów biologicznych takich, jak: krew,
tkanka lub narząd. Ciecze kriogeniczne zapewniają nieprzerwane utrzymanie
temperatury przez określony czas. Dzięki izolacji pojemników do transportu
materiałów biologicznych, suchy lód można w nich przechowywać przez wiele dni
bez strat i zmian jego własności. Dzięki temu
możliwe jest pobranie organu od
dawcy, który przebywa w miejscu położonym w dużej odległości od szpitala, gdzie
ma zostać wykonany przeszczep.
Kolejną dziedziną gdzie wykorzystuje się temperatury kriogeniczne jest
kriochirurgia, czyli miejscowe, kontrolowane niszczenie zainfekowanych komórek
poprzez działanie na nie niskimi temperaturami. Zabiegi kriochirurgiczne mogą być
wykonywane za pomocą wacików, natryskowo lub za pomocą metody kontaktowej,
stosując aplikator.
Najczęściej w wyżej wymienianych zabiegach stosowany jest
ciekły azot, który oprócz niskiej temperatury odparowania jest najbardziej dostępnym
i najtańszym czynnikiem kriogenicznym.
Ostatnim z najbardziej powszechnych zastosowań jest krioterapia. Polega ona
na wykorzystywaniu zimna do leczenia powierzchni ciała, bez destrukcji tkanek.
Działanie zimnem na tkanki łagodzi ból, zmniejsza obrzęk, tamuje krwawienie.
Krioterapię stosuje się dla wywołania i wykorzystania fizjologicznych i ustrojowych
reakcji na zimno w celu wspomagania leczenia podstawowego i ułatwienia leczenia
ruchem. Gwałtowne oziębienie jest wystarczająco silnym bodźcem, który uruchamia
miejscowe i ośrodkowe odczyny i ośrodki termoregulacyjne dla konserwacji,
redystrybucji ciepła i gdy to konieczne jego produkcji. Wyróżniamy dwie grupy
zabiegów krioterapii: zabiegi miejscowe, obejmujące niewielką powierzchnię ciała,
oraz zabiegi ogólnoustrojowe – obejmujące całe ciało.
3. Właściwości ciał
Charakterystyczne własności ciał, które ulegają najczęściej zmianie podczas
obniżania temperatury to:
a) rozszerzalność cieplna;
b) przewodność cieplna;
c) ciepło właściwe;
d) ciepło parowania;
e) entropia;
f) nadciekłość;
g) kruchość;
h) ciągliwość;
i) zeszklenie;
j) nadprzewodnictwo.
Wraz z obniżaniem temperatur zmieniają się wymiary materiałów, zarówno
objętościowe jak i powierzchniowe. Wykorzystuje się to między innymi w
wykonywaniu połączeń skurczowych po oziębieniu jednej z łączonych części,
transporcie gazów technicznych w postaci ciekłej oraz jako czynnik nośny do
balonów i sterowców. W niskich teperaturach często zmienia się także stahn
skupienia materii. Dlatego też do pomiaru bardzo niskich temperatur nie można
stosować rtęci, gdyż krzepnie w temperaturze -38 °C.
Przewodnictwo cieplne ciał dąży do zera, gdy temperatura dąży do zera
absolutnego. Wykorzystuje się to do izolacji strat ciepła, gdzie wykorzystuje się takie
materiały, które wykazują bardzo duży spadek przewodności cieplnej w miarę
obniżania temperatury. Korzystne działanie temperatur kriogenicznych na wymianę
ciepła stanowi również zależność energii promieniowania od czwartej potęgi
temperatury. W takich warunkach wartość temperatury jest bardzo mała, zatem i
wpływ promieniowania maleje.
Ciepło właściwe wszystkich cieczy i ciał stałych zmniejsza się wraz ze
spadkiem temperatury. Natomiast ciepło parowania cieczy mających niski punkt
wrzenia jest bardzo małe. Prowadzi to do konieczności przechowywania ich
wyłącznie w naczyniach doskonale izolowanych (najlepszym izolatorem jest próżnia).
W przypadku ciekłego helu bardzo małe ciepło parowania daje niewielki efekt
chłodzenia.
Obniżeniu temperatury ciał powoduje zmniejszenie ich entropii, czyli miary
stopnia nieuporządkowania układu. Zanikają szumy wewnętrzne. Zjawisko to
wykorzystuje się w radiokomunikacji, detektorach podczerwieni i laserach [5].
Nadciekłość (całkowity zanik lepkości) - ciecz dąży do wyrównania poziomów
nawet wbrew prawu ciążenia, powstaje w warunkach bardzo niskich temperatur.
Najlepszym przykładem jest hel, który osiąga stan nadciekły poniżej 2,17K. Służy on
do
kriostatowania
(chłodzenia)
magnesów
wysokopolowych
oraz
wnęk
rezonansowych o wysokiej częstotliwości np. w akceleratorach cząstek [4].
W niskich temperaturach niektóre materiały konstrukcyjne stają się bardzo
kruche, np. stal węglowa. Nie należy ich stosować do instalacji kriogenicznych ze
względu na to, że nie wykazują one trwałego odkształcenia poprzedzającego
pęknięcie. Metale, które zachowują ciągliwość mimo obniżania temperatury maja
sieć krystaliczną płasko centrowaną, ułatwiającą dyslokacje. Przykładami są:
aluminium i jego stopy, miedź, stale austenityczne i stal nierdzewna. Przy spadku
temperatury wzrastają naprężenia, ponieważ dochodzi do deformacji poprzez
dyslokację. Materiał wtedy traci plastycznośc i staję się bardziej kruchy. Przyjmuje
się, że materiały, które w teście wykazały odporność większą niż 20Nm mogą być
stosowane w konstrukcjach kriogenicznych [4]. Często Stosuje się tzw. obróbkę
podzerową (umieszczenie przedmiotu w komorze zasilanej ciekłym azotem) w celu
uzyskania
wysokiej
twardości
materiału,
redukcji
naprężeń
wewnętrznych,
wytrącenie węglików lub poprawa struktury krystalicznej. Przy obniżaniu temperatury
należy zwrócić uwagę na możliwość wystąpienia skurczy termicznych.
Kolejnym zjawiskiem jakie zachodzi w temperaturach kriogenicznych jest
zeszklenie (witryfikacja) polimerów i elastomerów, które powoduje wzrost kruchości.
Znalazło to zastosowanie w recyklingu opon zbrojonych i przewodów izolacyjnych.
Nie zawsze efekt zeszklenia jest czymś pozytywnym, jak np. podczas zamrażania
tkanek. Stosuje się wówczas krioprotektanty (np. glicerol). Obniżają one temperaturę
zeszklenia zamrażanego obiektu, poniżej temperatury topnienia, lub w ogóle mu
zapobiegają.
Metale czyste w niskich temperaturach wykazują bardzo małe oporności
elektryczną, a nawet niektóre z nich poniżej określonej temperatury (temperatura
krytyczna)
posiadają
oporność
zerową.
Zjawisko
takie
nazywamy
nadprzewodnictwem. Nadprzewodniki możemy spotkać w akceleratorach cząstek
lub w rezonansie magnetycznym. Nadprzewodniki można traktować jako doskonałe
diamagnetyki, gdyż wypierają linie pola magnetycznego. Jest to tzw. efekt Meissnera
(lewitacja magnetyczna). Przykładem zastosowania jest kolej magnetyczna w
Japonii.
4. Podsumowanie
Kriogenika jako dziedzina techniki odnalazła szerokie pole zastosowań w
wielu aspektach życia codziennego i naukowego. Dzięki niej możemy kupić w sklepie
zapakowane w szczelne opakowanie i chłodzone w odpowiednich temperaturach
mrożonki na nasz obiad. Możemy wykonać badanie rezonansem magnetycznym,
leczyć się w kriokomorze oraz usunąć kurzajkę za pomocą ciekłego azotu.
Kriogenika znajduje zastosowanie także w energetyce, przemyśle rakietowym oraz
umożliwia przechowywanie materiałów genetycznych, narządów, krwi i tkanek na
przeszczepy. Jej szeroki zakres zastosowań uwarunkowany jest możliwością zmiany
własności ciał pod wpływem niskich temperatur.
5. Bibliografia
•
http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Kriogenika%20w
%20medycynie.pdf
•
M. Chorowski, J. Poliński: Kriogenika w medycynie; dostępne na:
http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/dyd.htm
•
M. Chorowski: Kriogenika – Podstawy i zastosowania; Wydawnictwo
I.P.P.U. MASTA; Gdańsk 2007
•
http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/ChiK-2011-2012-wyklad1.pdf