Монокристаллический кремниевый режущий инструмент (варианты)

 

Изобретение относится к области медицинского оборудования, а именно к режущему микроинструменту, применяемому при проведении хирургических операций. Режущий инструмент состоит из монокристаллического кремниевого основания, которое в зависимости от варианта исполнения инструмента частично или полностью покрыто защитной пленкой из оксида кремния, полученной при термическом окислении кремния. Режущая кромка такого инструмента в обоих вариантах его исполнения включает в себя хотя бы один сегмент, представляющий собой пересечение двух или более кристаллографических плоскостей. На основании режущего инструмента в обоих вариантах его исполнения могут быть размещены некоторые электрические схемы, а из материала оксидной защитной пленки могут быть сформированы световоды. В результате повышается острота режущего инструмента и уменьшается вероятность повреждения его защитного покрытия в процессе эксплуатации. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области медицинского оборудования, а именно к режущему микроинструменту, применяемому при проведении хирургических операций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является хирургический монокристаллический нож, описанный в патенте [1]. Этот монокристаллический кремниевый нож состоит из основания с острой режущей кромкой, которая включает в себя хотя бы один сегмент, представляющий собой пересечение двух кристаллографических плоскостей. Такой монокристаллический кремниевый нож значительно превосходит по остроте все известные стальные аналоги. Этот нож может нести на своей поверхности некоторые электрические схемы, предназначенные для помощи хирургу при проведении определенных стадий операции. Такие электрические схемы могут включать в себя датчики деформации, усилия, температуры или нагревательные элементы. Предложенный в патенте [1] хирургический монокристаллический нож может иметь покрытие в виде пленки вещества, нанесенного методом напыления или осажденного на нож из газовой фазы. В качестве материалов для такого покрытия в патенте [1] предложены нитрид кремния, карбид кремния, карбид вольфрама и алмазоподобная углеродная пленка.

Необходимо отметить, что чистый кремний подвержен коррозии практически в любом водном растворе с выделением водорода, так как его равновесный потенциал гораздо отрицательнее водородного. При этом на поверхности кремния образуется пленка из окиси кремния, которая постепенно, с ростом своей толщины затормаживает саморазложение кремния вплоть до полной его остановки. Кроме воды в реакцию с чистым кремнием вовлекаются некоторые органические кислоты, содержащиеся в тканях человеческого организма. Образующиеся в процессе коррозии кремния органические радикалы и водород, попав в рану, нанесенную при хирургическом вмешательстве, могут привести к химическому поражению тканей и затруднить их заживление. В связи с этим любой кремниевый микроинструмент, предназначенный для проведения хирургических операций, необходимо покрывать слоем химически инертного вещества.

Недостатком конструкции хирургического монокристаллического ножа, предложенного в патенте [1], является материал, предложенный для покрытия его поверхности. Все предложенные для этого вещества не образуют прочной химической связи с поверхностью кремния и, в связи с этим, для обеспечения механической прочности пленки химически инертного покрытия должны наноситься на поверхность режущего инструмента достаточно толстым слоем, составляющим по крайней мере десятую долю микрометра. При этом режущая кромка 1 ножа (см. фиг. 1), покрытая толстой пленкой 2, затупляется, приобретая радиус закругления, приблизительно равный толщине пленки.

Кроме того, если на поверхности 3 такого режущего инструмента располагаются электрические схемы 4, которые нагреваются в процессе работы, или, тем более, специальные нагревательные элементы, предназначенные, например, для коагуляции крови и достигающие высокой температуры, то в прилегающих к ним участкам 5 защитной пленки 2 возникают термические напряжения и связанные с ними деформации, которые могут привести к повреждению защитной пленки 2. Действительно, в случае такого локального нагрева массивное тело режущего инструмента хотя и испытывает определенное напряжение вблизи нагретых областей, однако не претерпевает при этом заметных деформаций, чего не скажешь о сравнительно тонкой защитной пленке 2.

Более того, если защитная пленка 2 создана напылением материала на подложку или осаждением на нее из газовой фазы, то в ней наблюдаются остаточные механические напряжения, величина которых исчисляется гигопаскалями. В этом случае к деструкции защитной пленки 2 может привести не только локальный нагрев при недеформированном основании, но даже равномерный нагрев всего режущего инструмента, который обязательно применяется в процессе термической стерилизации автоклавированием режущего хирургического инструмента.

Решением вышеописанных проблем с термической стойкостью защитной пленки может стать дополнительное увеличение ее толщины, однако, как было указанно выше, это повлечет за собой дальнейшее затупление режущего инструмента, а кроме того, и напыление, и осаждение из газовой фазы толстых слоев, предложенных в [1] , материалов нетехнологично, так как требует значительного времени (около суток на микрометр толщины пленки).

Также, корректная и оперативная работа датчиков температуры и усилия, расположенных на поверхности монокристаллического кремниевого основания под защитной пленкой, возможна только при минимальной толщине этой пленки. Действительно, монокристаллический кремний и материал пленки могут иметь разные модули упругости, что при значительной толщине пленки скажется на работе датчика усилия, а показания датчика температуры в случае применения толстой защитной пленки будут сильно интегрированы по времени.

Задача изобретения - разработка монокристаллического кремниевого режущего инструмента с защитным химически инертным покрытием.

Технический результат изобретения заключается в повышении остроты режущего инструмента и в уменьшении вероятности повреждения защитного покрытия в процессе эксплуатации режущего инструмента.

Это достигается тем, что, в зависимости от варианта исполнения режущего инструмента, часть его поверхности или вся его поверхность покрыты оксидом кремния, полученным при термическом окислении кремния.

Один вариант предлагаемого режущего инструмента состоит из монокристаллического кремниевого основания 1 (см. фиг.2), полностью покрытого защитной пленкой из оксида кремния 2. Другой вариант предлагаемого режущего инструмента полностью аналогичен предыдущему варианту за тем исключением, что основание 1 только частично покрыто защитной пленкой из оксида кремния 2. Режущая кромка такого инструмента в обоих вариантах его исполнения включает в себя хотя бы один сегмент, представляющий собой пересечение двух кристаллографических плоскостей 3 и 4. На основании любого варианта режущего инструмента могут быть размещены некоторые электрические схемы 5, а из материала защитной пленки 2 могут быть сформированы световоды 6. Форма основания режущего инструмента может различаться в зависимости от конкретного применения этого инструмента. Такой монокристаллический кремниевый режущий инструмент в обоих вариантах его исполнения может служить скальпелем (см. фиг.3), скобой (см. фиг.4), ретинальным гвоздем (см. фиг.5), иглой (см. фиг. 6), пикой для кератомии (см. фиг.7) или расширителем (см. фиг.8).

Необходимо отметить, что в отличие от материалов для защитной пленки, предложенных в [1], пленка окиси кремния образуется на поверхности кремниевого основания не только при осаждении из газовой фазы и напылении, но и при термическом окислении кремния в кислородной среде или в парах воды. При этом пленка окисла кремния растет за счет материала основания, практически сохраняя при этом его прежнюю геометрическую форму, а значит и остроту режущей кромки при любой толщине защитного покрытия. В процессе роста окисла образуется промежуточный слой между монокристаллическим основанием и оксидной пленкой, в котором атомы кремния химически связаны как с кислородом, так и с лежащими глубже атомами кристаллической решетки, что обеспечивает высочайшую адгезию между окислом и монокристаллическим основанием.

Кроме того, процесс термического окисления кремния достаточно технологичен и позволяет контролируемо достигать толщины окисла от десятков ангстрем (два-три мономолекулярных слоя) при комнатной температуре до, например двух микрометров в случае окисления в парах воды при температуре 1100^oС в течение 10 ч.

Таким образом, использование окиси кремния в качестве материала защитной пленки на монокристаллическом кремниевом режущем инструменте позволяет получать режущий инструмент с острой режущей кромкой и защитной пленкой с точно контролируемой толщиной, которая может варьироваться в широких пределах от десятков ангстрем до единиц микрометров.

Также необходимо отметить, что оксид кремния имеет малый коэффициент термического расширения, и образующийся при термическом окислении слой оксида кремния обладает остаточными механическими напряжениями, величина которых достигает только мегапаскалей, что на три порядке меньше, чем напряжения в пленках, полученных методами напыления или осаждения из газовой фазы. Вследствие этого, а также из-за высокой адгезии к кремниевому основанию, защитная пленка из оксида кремния не подвержена деформациям в случае, если на поверхности режущего инструмента располагаются электрические схемы или cпециальные нагревательные элементы, а также в случае термической стерилизации режущего инструмента. Это приводит к уменьшению вероятности повреждения защитного покрытия такого режущего инструмента в процессе эксплуатации.

Тот факт, что оксид кремния прозрачен в видимом свете и, в случае его применения в качестве материала защитной пленки, возможно изготовление острого режущего инструмента при высоких толщинах защитной пленки, позволяет формировать из материала защитной пленки световоды. Действительно, минимальный размер сечения световода должен как минимум превышать длину волны излучения. Для видимого света это требование дает толщину защитной пленки более половины микрометра, что существенно превышает обычные для современной технологии толщины пленок из материалов, предложенных в патенте [1].

Пример режущего инструмента с такими световодами из оксида кремния изображен на фиг.9. На основании 1 расположена защитная пленка из оксида кремния 2, в которой сформированы световоды 3 и 4. Световой пучок 5 выходит из световода 3 и попадает в световод 4. Если режущий инструмент погружен в мягкие ткани организма, то его окружает жидкость 6. В этом случае световой пучок 5 частично рассеивается жидкостью 6 на участке 7. Прозрачность жидкости 6 зависит от ее состава, что позволяет контролировать в ходе операции, окружает ли, например, режущий инструмент лимфа с высокой прозрачностью или был задет микрососуд и к лимфе примешана кровь, обладающая малой прозрачностью. Также, с помощью системы световодов, изображенной на фиг.10, можно, например, контролировать глубину погружения режущего инструмента 1 в ткань 2. Кроме того, с помощью световодов, расположенных на поверхности режущего инструмента, можно освещать операционное поле или его отдельные участки.

Таким образом, очевидно, что световоды, сформированные из материала оксидной защитной пленки, позволяют существенно увеличить функциональность монокристаллического кремниевого инструмента.

Источники информации 1. Патент US 5579583, кл. В 26 В 3/00, В 25 G 3/00, 1996.

Формула изобретения

1. Режущий инструмент, изготовленный из монокристаллического кремния, состоящий из основания с режущей кромкой, которая включает в себя хотя бы один сегмент, представляющий собой пересечение двух или более кристаллографических плоскостей, отличающийся тем, что часть поверхности режущего инструмента покрыта оксидом кремния, полученным при термическом окислении кремния.

2. Режущий инструмент по п. 1, отличающийся тем, что на режущем инструменте расположены электрические схемы.

3. Режущий инструмент по п. 1, отличающийся тем, что в слое оксида кремния, покрывающем поверхность режущего инструмента, сформированы световоды.

4. Режущий инструмент, изготовленный из монокристаллического кремния, состоящий из основания с режущей кромкой, которая включает в себя хотя бы один сегмент, представляющий собой пересечение двух или более кристаллографических плоскостей, отличающийся тем, что вся поверхность режущего инструмента покрыта оксидом кремния, полученным при термическом окислении кремния.

5. Режущий инструмент по п. 4, отличающийся тем, что на режущем инструменте расположены электрические схемы.

6. Режущий инструмент по п. 4, отличающийся тем, что в слое оксида кремния, покрывающем поверхность режущего инструмента, сформированы световоды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10