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液晶聚合物--医学微型化技术的主宰 |
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作者：Volker Pieper 和 Freddy Metzmann 来源：PT现代塑料 |
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微型化绝对是优化被称作最小侵入性外科手术器械的前提条件，在这里外科医生操作复杂的器械，能进行细微的切割。柔和的处理减少了手术损伤，并加快了愈合速度，所以病人很感兴趣。同时因为患病时间的缩短而降低了保健服务的费用，这也吸引着大众。
最小侵入性手术需要尽可能小的器械，即使在长时间情况下，机械性能仍然稳定，硬度仍然高。所用材料必须不会引起生物排斥，并能用所有方法来消毒。最后一点，生产带有精密构造的手术器械的单个零件必须在经济上是合算的。
钢材的替代性材料
迄今为止以上这些医疗器械的零件是由工程塑料制成的。因为液晶聚合物（LCP）具有特别的性能，所以在流动距离、机械性能和更小壁厚等方面能胜过现在的一些限制。由此，LCP的独特优点也能被利用在一直是金属专有的领域。
一个例子是如图1所示的外科装置。用它来封闭大的伤口，并伸展皮肤而无需移植皮肤。LCP的强度类似金属，这是承受负荷功能性装置由这种材料组成的决定性原因。高硬度是必要的，这样器械能在负荷25N达几天时间也保持形状不变。而且在选择了LCP后，就可制作出比以前更小、更轻和更紧凑的装置。
图1：LCP材料的外科手术器械侵袭性很低
外科医生可用钛质夹子夹紧手术伤口，而不需要去缝合它们。当重新设计结构时，决定进一步缩小装置的尺寸。制造厂家在透彻地研究材料之后，决定用重量含量为50％的玻璃纤维增强的LCP，来制作可替交的插件（图2）。这样做有三个原因：
◆可替交插件的宽度可由12.4％降到9.1％，降低比率达到25％。
◆壁厚仅为0.25mm，但插件的强度和硬度同之前的一样高。
◆放弃成本高的多零件金属样式的加工，而改用单件的注塑，使成本节省达80％。
图2：LCP注塑而成的可替交式插入件，可作为外科手术夹具的零件
可替交插件越来越小，使缩小夹子的整个尺寸成为可能，夹了也就更易于使用和更为多用途。
LCP的独特的材料特点和加工性能是微型化应用范围增多的原因。例如，标准LCP的拉伸强度可高达医学技术所
用其它塑料的2-3倍。弹性弯曲模量也是一样，它决定着一个零件的硬度。前面所提的标准产品的弹性弯曲模量为15000Mpa。这个值是非增强型聚合物的五倍以上，约为含30％（重量）玻璃纤维的其它聚合物的两倍。用碳纤维增强可将弹性弯曲模量提高至30000 Mpa左右；所以LCP的硬度同金属的硬度处于同一个级别。
愈薄而愈硬
LCP注定是用在极薄壁零件中的，因为当壁厚减小，LCP熔体的强度和流动性都增加。对于碳纤维和玻璃纤维增强的LCP产品，壁厚为0.5％时的弹性弯曲模量差不多是壁厚为0.3％时的两倍。
在螺旋测试中利用流动距离来检验流动性能，结果显示壁厚仅为0.8mm时就能得到350mm的流道—这是适合于最小侵入手术器械的典型距离。其它易流动聚合物的最小壁厚是1.2％。LCP的成型不仅仅熔体流动性特别好，而且不会出现毛边。
LCP的微观结构对于材料性能是至关重要的。材料由硬性的宏观分子合成，熔化时呈水晶状，并被可熔分子带互相联系在一起。这些分子带在280℃-340℃之间熔化，温度是根据LCP的等级而变化的。注塑时产生的剪切力使晶格结构在流动方向上与小纤维合在一起。在固化时小纤维维持原位—这是LCP的高弹性弯曲模量和高强度的结果。
经济合算、尺寸精确的成型
当熔体冷却时，几乎不会产生晶格化—不同于标准的部分晶格聚合物的情况—所以只需要从模中移除极少的热量。当模温为100℃时，在冷却0.1秒以后会形成一自撑型外层。所以LCP的成型没有毛边产生，并能在时间非常短的冷却后从模中卸下。周期缩短对注塑成型的经济性有重大的贡献。
而且，与其它热塑料相比，用LCP产生的加工缩水要少得多。另外，模内实际上没有残余压力。这与同样低的热膨胀一起形成了又一个优势，也就是LCP成型不会有变形出现，并显现出很高的可重复的尺寸精确度。
耐用又可消毒
当LCP部分含有酸、醇、其它有机物和卤化烃时,其化学结构和已所述的物理结构对于良好的化学稳定性是至关重要的。因为注塑后残余压力极低，所以LCP的成型对压力破裂有不同一般的抵抗力。
最后就是可用所有传统的技术来对LCP成型作消毒处理。所以即使在300个蒸汽消毒周期（10min,130℃）后，冲击强度不变。而对于其它塑料，在这样的作用下冲击强度会明显下降，多数情况下远远低于LCP的对应值。LCP之所以能有这种优异的性能，在于LCP对温升、化学品和γ射线的作用具有很好的稳定性。
用途日益增多
以上所谈都清楚地表明，在医学技术上应用LCP是很有意义的。这种非同寻常的聚合物为我们带来了：
◆经济上的优势，因为注塑周期缩短，所成型制品无需加工；
◆技术上的优势，因为在不破坏机械性能的前提下实现了更高程度的器械微型化。
由此，LCP用于医学器械的生产是很理想的，而它们究竟是一次使用还是多次使用，都不是重要的。当器械制造商、加工厂家和原材料生产商之间的合作加强时，LCP在医学这个崭新市场中的应用将会日新月异。(end)
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(11/8/2004) |
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