Techniki niskotemperaturowe w medycynie
advertisement
Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Zakład Termodynamiki, Chłodnictwa i Klimatyzacji Przedmiot: Techniki niskotemperaturowe w medycynie Temat: Zmiana własności ciał w temperaturach kriogenicznych Prowadzący: dr inż. Zenon Bonca dr inż. Waldemar Targański Opracowała: Barbara Bąk Inżynieria mechaniczno - medyczna Grupa I Studia II stopnia Semestr 2 I. Kriogenika Słowo kriogenika zostało zaproponowane przez Kamerlingha - Onnesa. Pojęcie to pochodzi od greckich słów „kruos” – „zimno” i „genos” – „pochodzenie / tworzenie”. W dzisiejszych czasach kriogenika jest określana jako dziedzina nauki zajmująca się badaniem i wykorzystaniem ciał w niskich temperaturach oraz uzyskiwaniem i mierzeniem niskich temperatur. Za niskie temperatury uznaje się temperatury poniżej 150 st C. (123K). Na Ziemi w warunkach normalnych nie można zaobserwować kriogenicznych temperatur. Tak niskie temperatury można uzyskać jedynie w urządzeniach do których należy doprowadzić energię mechaniczną, chemiczną, elektryczną lub magnetyczną. II. Obszary zastosowań kriogeniki 1. Diagnostyka medyczna 2. Przechowywanie materiałów biologicznych 3. Zamrażanie żywności 4. Przemysł gazów technicznych (rektyfikacja powietrza, skraplanie, transport i przechowywanie gazów) 5. Przemysł rakietowy (ciekły wodór) 6. Energetyka 7. Badania własności materiałów III. Zmiana własności ciał w temperaturach kriogenicznych 1) Wzrost naprężeń Przy spadku temperatury, materiały maję tendencje do wzrostu naprężeń. Deformacja materiału zachodzi poprzez dyslokacje i przemieszczanie cząstek w sieci krystalicznej, wspomagana energią termiczną drgających atomów. Wtedy to materiały tracą plastyczność oraz stają się kruche. Tych własności nie są łatwo zauważalne oraz stałe dla danego rodzaju, dlatego też są szczególnie niebezpieczne. Dany materiał znajdujący się w tych samych warunkach może w różnym czasie pękać. Dlatego też można jedynie opierać się na wiedzy, że wraz ze spadkiem temperatury maleje granica plastyczności, a zwiększa się kruchość. Kruchości nie nabywają metale i stopy o sieci kubicznej powierzchniowo - centrowanej. Kruchości nabywają metale i stopy o sieci kubicznej przestrzennie - centrowanej. 2) Spadek ciepła parowania i ciepła właściwego Ciepło parowania lub skraplania określa się jako ilość ciepła jaką trzeba ogrzać lub zabrać na jeden kilogram. Natomiast ciepło właściwe jest to ilość ciepła jaką trzeba zużyć aby ogrzać jeden kilogram w temperaturze jednego Kelwina. Na podstawie tab.1 można zauważyć, że im niższe temp. gazu tym niższe jest ciepło parowania. Tab.1. Wybrane własności gazów kriogenicznych. 3) Zmieniają się wymiary materiałów W wyniku chłodzenia materiałów do temperatur kriogenicznych zmieniają się wymiary materiałów. Dzięki temu możliwe jest wykonywanie połączeń skurczowych po oziębieniu jednej z łączonych części. 4) Zeszklenie polimerów i elastomerów Witryfikacja (zeszklenie) jest to przemiana fazowa przejścia ze stanu ciekłego w stan szklisty. Nagła zmiana lepkości i zmiana pojemności cieplnej lecz nie towarzyszą jej energetyczne efekty cieplne. Ta własność umożliwia ich kruszenie i wykorzystywana jest głównie w recyklingu opon. Zastosowanie w medycynie: W kriobiologii, jako krioprotektant (substancja chroniąca zamrażany obiekt) używany jest glicerol. Dzięki niemu można przechowywać zamrożone w ciekłym azocie komórki krwi czy spermę. W ten sposób przechowuje się też zamrożone bakterie czy inne mikroorganizmy. Przechowywanie materiału biologicznego w zbiorniku z ciekłym azotem 5) Spadek oporu elektrycznego, a niektóre materiały przechodzą do stanu nadprzewodnictwa Namagnesowany przedmiot lewituje nad schłodzonym nadprzewodnikiem. Zjawisko nadprzewodnictwa może być wytłumaczalne jedynie w oparciu o fizykę kwantową. Po raz pierwszy nadprzewodnictwo zaobserwował już w 1911r. Heike Kammerlingh Onnes w rtęci oziębionej do temp. 4,2 K. Do tej pory nadprzewodnictwo stwierdzono już w różnych substancjach: metalach, stopach, zw. międzymetalicznych. Natomiast w 1986r. odkryto tzw. nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w ceramikach. Ten rodzaj może być ziębiony ciekłym azotem. Nadprzewodzące magnesy obecnie stosuje się w tomografach wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego Zastosowanie nadprzewodnictwa w medycynie – rozpoznawanie zmian nowotworowych i ocena ich zaawansowanie – wykrywanie choroby Alzheimera Tomograf NMR posiada magnes nadprzewodzący chłodzony ciekłym helem, który wytwarza silne pole elektromagnetyczne. Efekt uzyskanie kolorowych trójwymiarowych obrazów wybranych przekrojów (warstw) narządu. 6) Zmniejszenie entropii Temperaturom kriogenicznym towarzyszy zmniejszenie entropii, a w konsekwencji zanik wewnętrznych szumów. Ta własność jest wykorzystywana w takich dziedzinach jak radiokomunikacja, detektory podczerwieni i lasery. 7) Nadciekłość (nadpłynność) Stan materii charakteryzujący się całkowitym zanikiem lepkości. Jest to typowe zjawisko dla helu, w którym to cząsteczki cieczy „wspinają się” po ściance w górę. 8) Spadek przewodności cieplnej Przewodność cieplna określa zdolność do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach przepłynie więcej ciepła przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej. 9) Destrukcja chorych tkanek Kriogenika ma bardzo szerokie zastosowanie w medycynie. Niskie temperatury stosowane są w dermatologii, laryngologii, kriochirurgii. Jednak najbardziej rozpowszechnionym zabiegiem wykorzystującym temperatury kriogeniczne jest leczenie ogólnoustrojowe całego organizmu (w kriokomorze) bądź leczenie miejscowe stawów, zespołu bólowego pacjenta. IV. Podsumowanie Kriogenika stosowana jest niemalże w każdej dziedzinie, począwszy od mrożenia żywności, przez energetykę, przemysł rakietowy, aż do różnorakich zastosowań w medycynie. Temperatury kriogeniczne pozwalają wydłużyć żywot danych substancji, organów, jak również uzyskać lepsze właściwości danych materiałów, których nie można otrzymać w warunkach normalnych. Uzyskiwanie niskich temperatur jak i kriogenika uświadamia nas jak ważną dziedziną nauki jest chłodnictwo, bez którego nie wyobrażamy już sobie życia. Bibliografia: 1. M.Chorowski, Kriogenika. Podstawy i zastosowania, Gdańsk 2007 2. Russell B.ScottTechnika niskich temperatur, Warszawa 1963 3. http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/ChiK-2011-2012-wyklad-1.pdf 4. http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Wyklad1.pdf 5. http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Bezpieczenstwo.pdf
