CC BY
147
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
КВАРЦ-ПОЛИМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА ДЛЯ МЕДИЦИНЫ
А.А. ЗАМЯТИН, ст. науч. сотр. МГУЛ,
Г. А. ИВАНОВ, проф. МГУЛ, д-р хим. наук,
А.А. МАКОВЕЦКИЙ, ст. науч. сотр. МГУЛ, канд. физ.-мат. наук
В современной медицине все большее развитие получают лазерные методы проведения лечебных, хирургических и космето-логических процедур. В качестве источников излучения обычно используются СО2-лазеры, КТР-лазеры, а также гольмиевый, александ-ритовый, неодимовый, эрбиевый и полупроводниковые лазеры. Широкий спектр лазерного излучения с длиной волны от 0,3 до 10,6 мкм и мощностью от единиц милливатт до нескольких сотен ватт позволяет охватить практически весь круг задач, решаемых в лазерной медицине.
Оптические волокна (ОВ) предназначены для доставки лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, ар-троскопии, дерматологии. Их использование позволяет осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). ОВ применяются при передаче лазерного излучения с длиной волны до 2,0 мкм с коэффициентом пропускания >80 %, для чего при использовании излучения в ультрафиолетовом и видимом спектре световедущая сердцевина световода изготавливается из так называемого UV-кварцевого стержня, а в ближнем инфракрасном и инфракрасном спектре из WF-кварцевого стержня (с содержанием гидроксильных групп ОН меньше нескольких ppm).
Кварцевые ОВ подразделяются на кварц-кварцевые (кварцевая световедущая сердцевина и легированная, как правило фтором, кварцевая светоотражающая оболочка) и кварц-полимерные (кварцевая световедущая сердцевина и полимерная светоотражающая оболочка) световоды. Поверх свето-
отражающей оболочки в процессе вытяжки наносится защитная полимерная оболочка. Диаметр световедущей сердцевины варьируется от 0,25 до 1,2 мм. Защитная оболочка обычно имеет толщину от 50 до 250 мкм в зависимости от диаметра ВС и типа наносимого полимера. Кварц-кварцевые ОВ способны пропускать более мощное излучение по сравнению с кварц-полимерными ОВ, но они имеют вдвое меньшую числовую апертуру (т.е. вдвое меньший диаметр светового пятна на выходе) и значительно дороже последних.
Оптические волокна для применения в лазерной медицине должны удовлетворять ряду требований: быть изготовленными из биосовместимых материалов; передавать оптическое излучение мощностью до ста ватт с высокой лучевой прочностью; обладать высокой механической (изгибной) прочностью [4].
В данной работе получены и исследованы образцы кварц-полимерных оптических волокон, пригодных для использования в лазерной медицине. Вторичное защитное покрытие нанесено фильерным способом из расплавов термопластичных материалов непосредственно на вытяжной установке в процессе вытяжки волокон.
В настоящее время в данной сфере используются ОВ на основе кварцевого стекла с двойным полимерным покрытием - первичным светоотражающим из кремнийорганических эластомеров типа СИЭЛ и вторичным защитным покрытием из термопластичных материалов типа полиамидов, сополимера тетрафторэтилена с этиленом и
др [1, 5].
Наиболее распространенной технологией изготовления ОВ подобной структуры является их вытяжка из кварцевых заготовок с одновременным нанесением обоих покрытий, при этом первичное покрытие
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
133
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
наносят на вытягиваемое волокно фильер-ным способом непосредственно на вытяжной установке, а вторичное - с помощью экструдера, размещенного после механизма вытягивания перед накопительным барабаном (технология in-line, двухстадийный процесс). [6, 7]. Заметим, что при данной технологии через тянущие ролики (тянущий барабан) проходит волокно, поверхность которого защищена только первичным покрытием. В силу мягкости первичного покрытия оно недостаточно защищает поверхность вытягиваемого волокна от абразивного действия механизма вытягивания, что может привести к снижению исходной механической прочности ОВ.
Нами была разработана лабораторная технология вытяжки кварц-полимерных ОВ с диаметром световедущей сердцевины 0,25 г 1,2 мм для лазерной медицины, при которой и вторичное защитное покрытие наносится (из расплава термопласта) фильерным способом на вытягиваемое волокно непосредственно на вытяжной установке (технология in - line, одностадийный процесс) [2].
Схема установки для вытяжки ОВ по разработанной технологии приведена на рис. 1. Она состоит из стандартных элементов, за исключением специально изготовленных печи для плавки термопласта (ИНТ) с температурой 200 ч 300 °С и фильеры для нанесения покрытия из расплава термопласта. В качестве первичного светоотражающего покрытия использовался кремнийорганический компаунд СИЭЛ марки 159-305 с показателем преломления n = 1,395. Толщина наносимого покрытия составляла от 30 до 70 мкм. Термоотверждение первичного покрытия происходило в трубчатой термопечи при температуре 300 ^ 350 °С.
В качестве вторичного защитного покрытия мы использовали сополимер тетрафторэтилена с этиленом (марки Tefzel) или полиамиды марок Н-610 и Н-12. Плавление гранул термопласта проводилось в фильере в печи ННТ непосредственно перед вытяжкой ОВ. Толщина вторичного покрытия регулировалась выбором величины внутреннего диаметра используемой фильеры, реально она имела значения от 50 до 250 мкм.
Рис. 1. Схема вытяжки оптических волокон с нанесением вторичного защитного покрытия: 1 - механизм подачи заготовки; 2 - заготовка ОВ; 3 - высокотемпературная печь с графитовым нагревателем; 4 - фильера с жидкой композицией СИЭЛ; 5 - термопечь для отверждения покрытия СИЭЛ; 6 - фильера с расплавом термопласта; 7 - печь плавления термопласта; 8 - механизм вытягивания ОВ; 9 - приемный барабан
Поскольку характеристики вторичного покрытия во многом определялись качеством подготовленного расплава, были проведены температурные измерения вязкостей расплавов исследованных термопластов с целью нахождения оптимальных значений температуры плавления гранул и температуры расплавов при нанесении покрытия. Измерения были проведены с помощью разработанного нами варианта капиллярной методики измерения вязкости, по которой вязкость расплава р вычисляется по формуле [3]: р = (г/2/)2 Ap t , где р - вязкость расплава;
г- внутренний радиус используемого капилляра;
Ap - приложенное разрежение в капилляре;
134
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
l - высота подъема столба жидкости под действием приложенного разрежения за время t.
В качестве примера на рис.2 приведена зависимость вязкости от температуры расплава одного из типов Tefzel. Проведенные измерения позволили установить искомые рабочие температуры, время подготовки расплавов, скорости нанесения вторичных покрытий.
T, °с
Рис. 2. Температурная зависимость вязкости одного из типов Tefzel. р - вязкость расплава, Т - температура.
Максимальная длина вытягиваемого по данной технологии ОВ лимитируется объемом расплавленного термопласта в фильере и толщиной наносимого вторичного покрытия. При используемых нами фильерах она составила ~300 м для ОВ с диаметром световедущей сердцевины d = 600 мкм и —100 м - для ОВ с dc = 1,0 мм. В силу того, что в одностадийном процессе вытягиваемое волокно поступает на механизм вытягивания, будучи надежно защищенным жестким (с модулем упругости от 970 до 2800 МПа) вторичным покрытием, вытянутые ОВ обладали хорошей механической прочностью. Они выдерживали кратковременный изгиб радиусом (50 + 60) гв и длительный - радиусом (300 -г- 400) гв, где гв - радиус квар-
цевого волокна. Это в ~ 1,2 раза лучше, чем для волокон, вытягиваемых при двухстадийной технологии.
Спектральные оптические потери в вытянутых ОВ несущественно отличаются от оптических потерь в исходных кварцевых штабиках. Например, для кварц-полимерных ОВ, вытянутых из «обезвоженного» (WF) кварцевого штабика с содержанием ОН-групп менее 1 ppm, потери на длине волны X = 1,38 мкм (в максимуме полосы поглощения) составили —45 дБ/км; потери в исходном кварцевом штабике - —40 дБ/км.
Вытянутые ОВ имели числовую апертуру NA = 0,35 ^ 0,4. При диаметре световедущей сердцевины 600 + 1000 мкм кварц-полимерные ОВ пропускали непрерывное излучение с длиной волны X = 1,06 мкм мощностью до 100 Вт. Изготовленные образцы ОВ были использованы рядом клиник в различных областях лазерной медицины (в частности в урологии, хирургии, фотодинамической терапии, дерматологии) и в косметологии.
Таким образом, данная лабораторная технология позволяет вытягивать высокопрочные, с достаточно низкими оптическими потерями кварц-полимерные оптические волокна с диаметром световедущей сердцевины от 0,25 до 1,2 мм, годные для применения в лазерной медицине.
Библиографический список
1. Хирургия. - 1988. - № 5. - С.76.
2. Радиотехника и электроника. - 2004. - Т. 49. - № 9.
- С. 1150.
3. Журнал прикладной химии. - 2002. - Т. 75. - № 10.
- С. 1717.
4. Goldman L. // The biomedical laser: technology and clinical application. N.Y.: Springer-Verlag, 1981, р. 342.
5. Blyler L.L., Di Marcello F.V, Hart A.C., Huff R.G. // Abstract of papers of the American Chemical Society. 1986, v.192, p.114.
6. Naruse T., Sugawara Y. // Electron. Lett., 1977, v.13, № 5, p.154.
7. Wagatsuma M., Okazaki H., Kimura T., Yamakawa S. // Electron. Lett., 1984, v.20, № 5, p.199.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008
135
