CC BY
479
А. Н. Даутова, В. В. Янов, Л. А. Зенитова
ПРОИЗВОДСТВО МЕДИЦИНСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ МЕТАЛЛОЗАМЕЩАЮЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ОБЗОР
Ключевые слова: металлозамещающие полимерные материалы.
В работе дан анализ развития рынка медицинских инструментов в России, оценены перспективы применения металлозамещающих полимерных инструментов в медицинской промышленности, выделены и описаны полимеры, используемые и потенциально возможные для изготовления медицинских полимерных инструментов, среди них: полиэфирэфиркетон, полисульфон, полиамид и поликарбонат.
Keywords: substituting metal tools’ materials.
In this research the analysis of development of the medical tools market in Russia is given, prospects ofpolymer substituting metal tools’ application in medical industry are estimated, the polymers used for manufacturing of polymer medical tools are developed and described, are among them: polyetheretherketone, polysulfone, polyamide and polycarbonate.
Введение
Необходимость использования в производстве медицинских инструментов современных металлозамещающих полимерных материалов определяется, в первую очередь, потребностью отечественного рынка в применении современных изделий медицинского назначения, отвечающих общемировым требованиям. Кроме того использование в производстве изделий медицинского назначения (медицинских инструментов) металлозамещающих полимерных материалов создает преимущества в части снижения себестоимости выпускаемой продукции, а также в части технологических процессов их изготовления. Вместе с тем использование металлозамещающих полимерных материалов позволяет изготавливать малозатратные инновационные части для стерилизуемых медицинских инструментов и приборов.
Потребление медицинской продукции, произведенной в Российской Федерации, составляет менее 25 % объема соответствующего сегмента рынка в денежном выражении, и неуклонно снижается. При этом в отдельных, в первую очередь высокотехнологичных областях медицинской техники и изделий медицинского назначения доля импортных продуктов приближается к 100 %.
По оценкам экспертов, объем рынка медицинской техники и изделий медицинского назначения в Российской Федерации к 2020 году увеличится более чем в 3 раза и достигнет 300 млрд. рублей в год.
Лицензии на производство медицинской техники в России в настоящее время имеют более 3 тыс. предприятий, которые в сумме выпускают около 17 тыс. видов медицинских изделий. Из них 1,1 тыс. предприятий — специализированные компании, изготавливающие только медицинскую технику. Около 700 — это предприятия оборонно-промышленного комплекса, космической, атомной и текстильной промышленности, для которых медицинские изделия являются диверсификационной продукцией [1].
Отрасль представлена в основном малыми и средними компаниями. При этом она незначительно отличается от общемировой. Несмотря на наличие за
рубежом крупных концернов, специализирующихся на производстве медицинских изделий, уровень консолидации в глобальном масштабе очень низок. Здесь нет доминирующих игроков, как в фармацевтике, а доля самых крупных и диверсифицированных производителей (.ТоЬшоп & .ТоЬшоп, Siemens, вБ Иеа1Шсаге) в общих продажах медицинского оборудования и инструмента не превышает 18%.
Объем российского рынка медицинских изделий в 2009 г. составил более 70 млрд. руб. Из 40 с лишним тысяч наименований медицинских изделий, разрешенных к применению в российском здравоохранении, отечественные производители освоили около 20 тысяч. При этом в натуральном выражении о доминировании импорта пока говорить нельзя. По оценке Всероссийского общественного совета медицинской промышленности, доля российских производителей в этой отрасли составляет в натуральном выражении 65-70% от всего объема обращающейся на рынке продукции. Доля экспорта в общем производстве российских медицинских изделий составляет меньше 15%.
Основной потребитель медицинских изделий в России — государственные структуры. Они используют более 80% продукции. Остальными потребителями медицинских изделий являются частные медицинские лечебно-профилактические учреждения и граждане.
Особенности развития рынка медицинских инструментов в России
Анализ структурного строения российского рынка производства медицинского инструмента показывает, что его доля составляет всего около 10% [2]. Основным предприятием в России, производящим медицинские инструменты является ОАО «КМИЗ», г. Казань, которое занимает лидирующее положение по объему производства мединструмен-тов. Второе место отводится ОАО «МИЗ им. В.И. Ленина», г. Ворсма. Тройку лидеров замыкает ОАО «Медико-инструментальный завод им. Горького», Нижегородская область, п. Тумботино, а дочернее
предприятие ОАО «КМИЗ» - ООО «Полимерные изделия» занимает четвертое место по объему производства медицинских инструментов [3].
Несмотря на то, что большая часть медицинского инструмента, выпускаемая российскими производителями, соответствует мировому уровню, за последние годы ситуация на этом рынке для отечественных производителей резко ухудшилась, что вызвано в первую очередь демпинговыми поставками аналогичной продукции из Пакистана и Китая [4].
Актуальность и перспективы применения металлозамещающих полимерных инструментов в медицинской промышленности: как инструмент импортозамещения
Современные полимерные материалы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными конструкционными материалами, что позволяет увеличивать производительность и срок службы оборудования, следовательно, повышать рентабельность производства, создавать конкурентные преимущества. В некоторых случаях свойства полимеров настолько уникальны, что альтернативы их применению просто не существует, в особенности, если мы говорим о полимерах нового поколения, внедренных в широкую практику в последнее десятилетие.
По сравнению с металлами у инженерных пластиков, как конструкционных материалов, есть целый ряд неоспоримых преимуществ: низкая плотность, стойкость к коррозии, стойкость к воздействию агрессивных сред, термо- и электроизолирующие свойства, биологическая нейтральность.
Большинство термопластов биологически нейтральны, а определенная их часть допускает стерилизацию в автоклаве, что определяет их широкое применение в медицине. Разумеется, что инженерные термопласты в качестве конструкционных материалов не могут полностью заменить металлы, однако свойства современных инженерных термопластов настолько уникальны, что альтернативы их применению либо просто не существует, либо они настолько дороги (специальные марки сталей, титан и пр.), что их применение экономически неоправданно.
Наряду с металлом, стеклом, керамикой и т. д. в медицинской технике все больше используются пластмассы. Специфические свойства материалов, гибкие возможности дизайна и, что немаловажно, низкая себестоимость обработки дают им явное преимущество над традиционными материалами. Другим важным обстоятельством является тот факт, что за один технологический прием, возможно изготовить из полимера изделие сложной конфигурации, тогда как при изготовлении такого изделия из металлов потребовалось бы осуществить ряд технологических операций на различном оборудовании, а иногда выполнить сборку нескольких деталей.
Полимеры, используемые для изготовления товаров медицинского назначения
Полиэфирэфиркетон (PEEK)
Полукристаллический термопласт, полиэфи-рэфиркетон (PEEK) занимает особое место в ряду тер-
мопластов высокого уровня, превосходя по совокупности свойств (в особенности термостойкости и стабильности размеров) практически любой другой термопласт.
Являясь одним из наиболее устойчивых к воздействию химических веществ полимеров, имеющихся на рынке, он биологически совместим с живыми тканями, пригоден для воздействия со стороны тела или физиологических жидкостей, а также биологически устойчив, т. е. способен сохранять свою физическую и химическую целостность после контакта с биологическими жидкостями организма. Эти свойства, а также его способность подвергаться многоразовой стерилизации без утраты механических свойств, делают полимер в высшей степени пригодным для использования при производстве инструментов медицинского назначения.
Полиэфиркетон (PEK) (кристаллизующийся, Тс = 155-157 оС, Тпл = 355374 оС, Т (длит.эксплуатация) = 250 оС)
Полиэфирэфиркетон (PEEK) (кристаллизующийся, Тс = 142-143 оС, Тпл = 243344 оС, Т (кратковрем. нагрев) = 280-330 оС, Т (длит. эксплуатация) = 240-260 оС)
PEEK - это полимер первого выбора изделий для медицины. Он все чаще заменяет высококачественную сталь и другие металлы в медицинских целях. Требования к РЕЕК: биосовместимость, химическая стабильность, способность к стерилизации. Преимущества PEEK: хорошие характеристики скольжения, высокая износостойкость, легкость изготовления, высокий срок службы, эстетика. Из него можно изготавливать мало затратные инновационные части для стерилизуемых медицинских инструментов и приборов, например изображенные на рис. 1-3.
Рис. 1 - Детали: медицинские приспособления
Рис. 2 - Система: устройство диализа
Рис. 3 - Детали: зубные инструменты
Полиамид (РА)
Когда возникает необходимость заменить металлические детали более легкими и дешевыми, лучше всего остановиться на изделиях из полиамида. Этот синтетический материал устойчив к воздействию агрессивной химической среды - на него не оказывает отрицательного влияния ни вода, ни щелочь, ни эфир, н О
-(-м-Е-сиг-ЭуО-)-
Полиамид 6, поликапроамид, поликапролактам, капрон.
(Тс = 40-60 °С, Тил = 215 - 228 °С)
Н НО О
/ I г 1 ' I г 1 11 \
4 ь 4 /г
Полиамид 66, полигекса- метиленадипамид.
(Тс = 50 - 60 оС, Тпл = 252 - 265 оС)
К достоинствам полиамида относятся: стойкость к коррозии, экологичность.
Для изделий медицинского назначения используют синтетические алифатические полиамиды.
Это легкие термопластичные полимеры, характеризующиеся высокой механической прочностью (например, при растяжении 60—120 МПа, при изгибе 70—100 МПа), твердостью, эластичностью (относительное удлинение алифатических полиамидов 100— 400%), износостойкостью, теплостойкостью (например, по Вика, 160—200 °С для алифатических полиамидов, 270—320 °С - для ароматических), химиче-
ской стойкостью (при комнатной температуре устойчивы в воде, растворах кислот, щелочей, аминов и др.), растворяются только в сильнополярных реагентах (например, в концентрированной серной и муравьиной кислотах, крезоле, фторированных спиртах).
Применение в медицине: имплантаты, детали и узлы медицинских приборов и аппаратов, лабораторная посуда, оправы для очков, канюли переходные, нити хирургические (капрон, найлон).
Полисульфон (Рви)
Полисульфон (РБи) - базовый материал в семействе полисульфонов, гетероцепных полимеров, содержащих в основной цепи повторяющиеся группы 802.
__ __ __ сн3
05°2-0-он0ї0°^
сн3
Полисульфон (РБЦ)
(аморфный, Тс = 190-195 оС, Т (кратковрем. нагрев) = 200 оС, Т (длит. эксплуатация) = 160 оС)
К семейству полисульфонов также относятся такие инженерные термопласты как Полифенил-сульфон (РР8И) и Полиэфирсульфон (РББ) [5].
Полифенилсульфон (РР8Ц)
(аморфный, Тс = 220 оС, Т (длит. эксплуатация) = 185-190 оС)
Полиэфирсульфон (PES)
(аморфный, Тс = 230 оС, Т (длит. эксплуатация) = 180- >200 оС)
Полисульфон обладает химической стойкостью ко многим веществам при нормальных и повышенных температурах: воде и водяному пару, растворам щелочей и многих кислот, топливам, маслам. Он менее горюч, чем другие термопласты, стоек к радиации в широком диапазоне температур.
Полисульфон характеризуется малой ползучестью и усадкой при формовании из расплава и низким водопоглощением, что обеспечивает высокую стабильность размеров изделий.
Поликарбонат(РС)
Поликарбонат характеризуется высокой ударопрочностью, сочетаемой с прозрачностью и высокой термостойкостью [5].
Поликарбонат(РС)
(аморфный, Тс = 143 - 151 оС, Тпл = 220 - 240 оС)
Потребительные свойства поликарбоната определяются его малой токсичностью и возможностью многократной стерилизации паром под давлением при температуре 132оС. Однако после нескольких циклов стерилизации физико-механические свойства изделий из этого полимера значительно ухудшаются.
Применение: шприцы многократного использования, детали и узлы медицинских приборов и аппаратов, лабораторная посуда протезно-ортопедические изделия.
Рынок металлозамещающих полимерных материалов
Мировой и российский рынок поликарбоната
Сектор производства поликарбонатов продемонстрировал миру резкий подъем, достигнув 12% ежегодного роста в начале настоящего десятилетия. Сейчас темп роста поликарбоната стабилизировался и достигает не более 9% в год. В целом производство поликарбоната в мире за последнее десятилетие выросло в три раза.
Емкость рынка поликарбонатных гранул в мире в 2009 году по прогнозам специалистов составила 3900 тыс. т.
По данным специалистов объем потребления пластиков в Европе достигает 40 кг в год на одного человека. (В России этот показатель растет, но сейчас он составляет не более 800 г на душу населения) [6].
Долгое время только два производителя удовлетворяли запросы рынка поликарбоната — это американская компания GE plastics (переименованная в 2007 году в SABIC Innovative Plastics) и немецкая фирма Bayer. Позже к ним присоединились три других производителя — Dow Chemical, Samyang и Teijin. Вместе они производят основную долю полимера.
Основные производители поликарбоната в мире с указанием производственных мощностей указаны в таб.1.
Таблица 1 - Основные производители поликарбоната в мире
Поликарбонат используется в основном там, где необходимы их высокие технические характеристики, такие, как размерная стабильность, светопроницаемость и термоустойчивость. Основным сегментом потребления поликарбоната является производство оптических дисков и комплектующие для электротехники и электрооборудования. В течение последний лет наблюдается бурный рост потребления поликарбоната в сегменте оптических носителей.
Спрос на поликарбонатное сырье в России постоянно растет, и по своим темпам значительно обгоняет другие регионы мира. Отчасти это объясняется тем, что для нашей страны это новый материал, который только завоевывает рынок. В 2004г. по сравнению с 2003г. отмечался оживленный спрос, который вырос на 202,8%, в 2005-2007 годах этот показатель стабилизировался и, начиная с 2008 года, его темпы снизились до мировых показателей -9%.
Основным сегментом потребления в настоящее время является производство листового пластика для строительства (28,6% в РФ по сравнению с 14% в мире).
Единственным производителем поликарбоната в России является ОАО «Казаньоргсинтез», г. Казань. Годовая мощность производства составляет 65 тыс. тонн.
Мировой и российский рынок полиамидов
Глобальное потребление полиамида в 2009г. составило примерно 7 млн. тонн. На волокно приходится 60% общего потребления полиамида (найлона) при объеме почти в 4 млн. тонн. На долю конструкционных термопластов, используемых в виде пластмассовых материалов с объемом производства 2.5 млн. тонн, приходится 35% общего потребления полиамида. В глобальном масштабе ожидается рост потребления полиамида на 5% по сравнению с товарными полимерами, для которых прогнозируется рост примерно в 4% на протяжении последующих пяти лет.
Среди трех основных продуктов, производимых из полиамида, ожидается опережающий рост для полимеров, которые используются в качестве пластмасс и пленки, по сравнению с ростом полимера для производства волокна. Полиамидное волокно испытывает сильное конкурентное давление со стороны полиэфирного и поэтому для него ожидается наименее быстрый рост. Полиамид 6 на основе капролактама (поликапролактам) представляет собой наиболее широко используемый тип полиамида. На его долю приходятся 65% общего потребления полиамида. На втором месте полиамид 66, в то время как на долю специальных видов полиамида, которые называются полиамиды 11 и 12, приходится очень ограниченная часть потребления.
Несмотря на усилия игроков рынка, переработка полиамида в России растет слишком медленно.
Российский рынок полиамида пережил тяжелый спад в ходе недавнего кризиса, однако полностью восстановился уже в 2010 году. Пока, в отличие от большинства развитых стран, использование полиамидных пластиков в СНГ невелико, большая часть полиамида перерабатывается в волокна и нити, а также экспортируется. Предполагается, однако, что к 2015 году потребление полиамида вырастет на 37%, а доля его экспорта сократится.
В Азии наибольший объем экспорта полиамидов идет в Китай. В Восточной Европе - В Польшу и Словакию. Крупнейшие потребители полиамида в Западной Европе - Германия и Италия. В стра-
Компании Мощность, тыс. тонн
BayerMaterialScience 900
Sabic Innovative Plastics 900
Samyang 360
Dow Chemical 300
Teijin 300
Всего 3 200
нах бывшего СССР крупнейшими потребителями продукции являются Казахстан, Узбекистан и Украина. При этом основные надежды на рост потребления инженерных полиамидных пластиков связываются в экспертном сообществе с деятельностью зарубежных компаний в странах СНГ, которые придут вслед за игроками других отраслей (прежде всего, автопрома). В целом же потребление капролактама в странах СНГ увеличится в полтора раза.
Что касается ОАО «КуйбышевАзота», который производит более 90% полиамида в России, то компания пока не планирует расширять мощности по полимеризации. Из 157 тыс. тонн мощностей по выпуску полиамида по 35% приходится на выпуск марок для пластиков и текстильных волокон, по 15% - на производство пленок и высокопрочных нитей. Хотя среднемировая прибыль от переработки капролактама достаточно стабильна и составляет около 300 долларов с одной тонны, в России работу переработчиков сильно осложняет дефицит и дороговизна исходного сырья - ароматических углеводородов. ОАО «КуйбышевАзот» реализует проект по снижению удельного расхода сырья. Планируется возобновление совместного с Магнитогорским металлургическим комбинатом проекта по очистке каменноугольного бензола [7].
Российский рынок этой продукции не быстро, но уверенно растет и составляет около 22 тыс. т. Около половины полиамидных композитов применяется в автопроме, 20% в электротехнике, прочие объемы идут на нужды машиностроения и мебельной индустрии, причем такая структура потребления нормальна для большинства развитых стран. Базовой продукцией являются стеклонаполненные марки, более технологически сложной продукцией являются ударопрочные марки, а наиболее продвинутой - трудногорючие марки для розеток и другой электротехнической продукции. Надежды на бурный рост потребления полиамидов в автомобильной индустрии пока не оправдываются, поскольку даже в наиболее развитых странах в одном автомобиле используется только 14 кг полиамидов, в то время как в России в 2014 году будет собираться не более 2,1 млн. автомобилей, значит спрос на полиамид не превысит 30 тыс. т. К тому же сейчас из-за роста цен на сырье, полиамид теряет конкурентоспособность в сравнении с полибутилентерефталатом, поликарбонатом и другими альтернативными материалами и ключевые игроки рынка занимают выжидательную позицию, поскольку цены могут остаться высокими еще год-два.
Мировой и российский рынок сульфоновых полимеров, полиэфиркетона
В России отсутствует производство термостойких пластиков полисульфонов, полиэфиркетонов и т.п. Многие виды полимеров инженерного назначения производятся на небольших опытных и опытнопромышленных установках, и потребность в таких полимерах удовлетворяется за счет импорта.
Вместе с тем производство полиэфиркетона в мире ограничивается двумя производителями: Oxpekk (Oxford Performance Materials) и Victrex PEEK. Сум-
марный объем производства составляет около 25 тыс. тонн.
В США единственным производителем сульфоновых полимеров является фирма Амоко Корп. [8]. Полисульфон выпускает под маркой Udel, полиэфирсульфон и полифенилсульфон - Radel A и Radel R.Производство сульфоновых полимеров в США на 2009г. составило для полисульфона 36,6 тыс. тонн, для полифенилсульфона и полиэфир-сульфона 11,2 тыс. тонн.
В Западной Европе единственным производителем сульфоновых полимеров является фирма BASF, которая выпускает полисульфон и полиэфирсульфон под марками Ultrason S и Ultrason E.
Общие объемы производства сульфоновых полимеров в Западной Европе на 2010г. составили 8,7 тыс. тонн.
Объемы потребления сульфоновых полимеров в Западной Европе представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Потребление сульфоновых полимеров в Западной Европе, тонн
Годы Полисульфон Полиэфир- сульфон Всего
1980 600 200 800
1985 870 500 1370
1988 1065 1000 2065
1991 1400 1100 2500
1995 1960 1540 3500
1997 2580 1720 4300
2000 3500 2700 6200
2001 4133 2755 6888
2006 6075 4050 10125
2010 8017 5345 13362
При этом распределение по областям применения сохранялось практически стабильным в течение всего периода и составляла при общем росте потребления следующие величины: электроника / электротехника— 50%, транспорт— 23%, медицина— 12%, космос/ авиация— 7%, другие— 8%.
Импорт сульфоновых полимеров в Западную Европу из США практически стабилен и составляет 1600-2500 тонн ежегодно.
Анализ приведенных данных свидетельствует о стабильности постоянного роста производства и потребления сульфоновых полимеров на мировом рынке. При этом наибольший прирост объемов потребления отмечается в таких областях промышленности, как электроника, электротехника, пищевая, медицинская и строительная [9].
Заключение
Таким образом, переход отечественной промышленности в области производства медицинских изделий (медицинских инструментов) на качественно новый этап конкурентоспособного развития, предусматривающий применение в технологическом производственном процессе новых металлозамещающих технологий возможен.
По целому спектру металлозамещающих полимерных материалов, таких как полиамид, поликарбонат, использование которых формирует качественно иной уровень изготавливаемых инструментов, имеется значительный ресурсный потенциал [10].
Вместе с тем массовое применение в ближайшие пять лет таких композитных материалов, как по-лиэфиркетон и полисульфон в производстве медицинских инструментов ограничивается отсутствием производственных площадок в РФ, ориентированных на изготовление данных видов сырья. В тоже время имеется ряд опытных и опытно-промышленных установок, производящих эти материалы. Учитывая тот факт, что свойства этих полимеров высоки, необходимо развивать их промышленное производство для изготовления инженерных конструкций, в том числе и для медицинских инструментов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы " Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" по госконтракту 16.552.11.7012.
Литература
1. Годовой отчет Министерства промышленности и торговли РФ за 2009 год в медицинской промышленности.
2. Вдовина, С. Д. Анализ структуры регионального рынка медицинской техники (на примере Республики Татарстан) [Текст] / С. Д. Вдовина // Актуальные вопросы экономики и управления: материалы междунар. заоч. науч. конф. (г. Москва, апрель 2011 г.). Т. II / Под общ. ред. Г. Д. Ахметовой. — М.: РИОР, 2011. — С. 141-143.
3. Романова, С.А. Рейтинг предприятий, выпускающих мединструменты, по показателям выпуска за 2007 год // Ремедиум. 2009. № 5.
4. Романова, С. А. Медицинские изделия: состояние производства, прогнозы, перспективы... // Ремедиум. 2009. №5.
5. Кулезнев, В.Н. Химия и физика полимеров / В.Н. Ку-лезнев, В.А. Шершнев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2007. - 367 с.
6. http://www.novattro.ru/polycarbonate/market/
7. Федеральная служба государственной статистики
8. Каучук и резина: научно-технич. журн. / - М., 2010, №4.
9. Рынок полимеров: от продавца — к покупателю // Журнал о химическом рынке, 2011. С. 12-18
10. Бакирова, И.Н. Стажировка в Великобритании. Часть 2. Научные исследования университетов в области полимерных материалов/ И.Н. Бакирова//Вестник Казан. технол. ун-та. 2011. Т. 14, №5. С.74-80.
© А. Н. Даутова - асп. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ, [email protected]; В. В. Янов - канд. техн. наук, асс. той же кафедры, [email protected]; Л. А. Зенитова - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, [email protected].
