Optimiziranje metala za proizvodnju medicinskih uređaja
Porast slučajeva COVID-19 doveo je do veće potražnje za medicinskom opremom, što je zauzvrat naglasilo važnost odabira materijala za dizajnere i proizvođače medicinskih uređaja. Ključno je odabrati odgovarajuće materijale za medicinske dijelove i opremu kako bi se osigurala upotrebljivost, kvalitet i usklađenost sa standardima. Odabir pravih materijala može ponuditi prednosti maksimalne isplativosti i pouzdanosti.
Metalni biomaterijali ili medicinski metali su uveliko korišteni u proizvodnji hirurških pomagala i alata, nudeći širok raspon opcija za izbor. Uspješan napredak materijala kao što su legura kobalt-krom, nehrđajući čelik, titan i razne legure, uz njihovu široku primjenu u stomatologiji i ortopediji, čvrsto je utvrdio značaj metalnih medicinskih materijala u proizvodnji medicinskih uređaja.
Prilikom dizajniranja uređaja za medicinske i zdravstvene svrhe, od velike je važnosti da proizvođači budu oprezni u odabiru odgovarajućih sirovina. Osim što ispunjavaju potrebne inženjerske specifikacije za primjenu, odabrani materijali također moraju osigurati odsustvo bilo kakvih potencijalnih rizika u kontaktu s ljudskim tijelom ili raznim hemikalijama koje se obično susreću u kliničkim okruženjima. Mora se pažljivo razmotriti i funkcionalni zahtjevi i kompatibilnost materijala s predviđenom upotrebom.
U sektoru medicine i zdravstva, brojni čisti metali i legure metala dokazali su svoju vrijednost. Ovaj članak će proći kroz trinaest najčešćih tipova metalnih biomaterijala i metala koji se koriste u proizvodnji medicinskih uređaja.
- 13 Vrste metala za proizvodnju medicinskih dijelova i uređaja
Pogledajmo trinaest najčešćih tipova čistih metala i legura metala, njihovu primjenu, te njihove prednosti i nedostatke u medicini i proizvodnji medicinskih uređaja.
1. Nerđajući čelik
Nehrđajući čelik je vrlo pogodan za širok spektar medicinskih aparata zbog svoje netoksične, nekorozivne i izdržljive prirode. Štaviše, može se polirati do finog završetka koji se lako čisti. Kako je nerđajući čelik dostupan u različitim varijacijama, svaka sa jedinstvenim mehaničkim i hemijskim svojstvima, odabir odgovarajuće vrste je ključan.
Nehrđajući čelik 316 i 316L najčešće se koriste za medicinske implantate i pirsing zbog svoje izuzetne otpornosti na koroziju. Ovaj atribut je neophodan u sprečavanju korozije krvotoka, koja može dovesti do infekcija i potencijalno fatalnih posledica. Štaviše, nerđajući čelik sadrži sorte sa niskim sadržajem nikla, tako da pacijenti retko pate od alergijskih reakcija na nikl.
Nehrđajući čelik 440 se obično koristi u proizvodnji hirurških alata. Iako može ponuditi nižu otpornost na koroziju u poređenju sa 316, njegov veći sadržaj ugljika to omogućavatermičku obradu, što rezultira stvaranjemoštre ivice pogodan za rezanje instrumenata. Nehrđajući čelik nalazi široku primjenu u ortopediji, kao što su zamjene zglobova kuka i stabilizacija slomljenih kostiju pomoću vijaka i ploča. Štaviše, često se koristi za proizvodnju izdržljivih i lako čistivih hirurških alata kao što su hemostati, pincete, pincete i druga oprema koja zahtijeva i izdržljivost i sterilnost.
Budući da nehrđajući čelik sadrži željezo, koje može dovesti do korozije tokom vremena, postoji rizik za okolno tkivo kako se implantat propada. Za usporedbu, medicinski metali poput titanijuma ili kobalt hroma nude veću otpornost na koroziju. Međutim, imajte na umu da ovi alternativni metali mogu biti skuplji.
2. Bakar
Zbog svoje relativno slabije snage,bakar se ne koristi u velikoj mjeri za proizvodnju hirurške opreme i implantata. Međutim, njegova značajna antibakterijska i antivirusna svojstva čine ga prevladavajućim izborom u području kirurgije i prevencije bolesti.
Direktna upotreba bakra za medicinske implantate je neuobičajena zbog njegove mekoće i potencijalne toksičnosti unutar tkiva. Međutim, određene legure bakra se još uvijek koriste u dentalnim implantatima i za ublažavanje rizika od infekcijeoperacije transplantacije kostiju.
Bakar se zaista ističe kao medicinski metal zbog svojih izuzetnih antivirusnih i antibakterijskih svojstava. To čini bakar idealnim materijalom za površine koje se često dodiruju, kao što su ručke na vratima, ograde za krevet i prekidači. Ono što bakar izdvaja je to štoFDAodobrio je preko 400 različitih legura bakra kao biocidnih, efikasno sprječavajući prijenos virusa poput SARS-CoV-2.
Kada je izložen okolišu, čisti bakar lako podliježe oksidaciji, što rezultira zelenkastom bojom. Uprkos tome, zadržava svoja antimikrobna svojstva. Međutim, neki pojedinci mogu percipirati promjenu boje kao neprivlačnu. Da bi se ovo riješilo, legure se obično koriste, nudeći različite nivoe efikasnosti protiv mikroba. Druga opcija je nanošenje tankoslojnih premaza kako bi se spriječila oksidacija uz očuvanje antibakterijskih svojstava bakra.
3. Titanijum
Titanijum je veoma omiljen među metalima koji se obično koriste u proizvodnji medicinskih uređaja. Osim interne medicinske opreme, koristi se iu proizvodnji eksternih uređaja kao što su hirurški instrumenti, stomatološka oprema i ortopedska oprema. Čisti titanijum, poznat po tome što je izuzetno inertan, najskuplja je opcija često rezervisana za komponente ultra visoke pouzdanosti ili one namenjene za dugotrajnu upotrebu u telu pacijenta nakon operacije.
Danas se titanijum često koristi kao zamena za nerđajući čelik, posebno u proizvodnji koštanih nosača i nadomjestaka. Titanijum ima uporedivu snagu i izdržljivost sa nerđajućim čelikom dok je lakši. Nadalje, pokazuje izvrsna svojstva biokompatibilnosti.
Legure titana su veoma pogodne i za dentalne implantate. To se pripisuje činjenici da se titan može koristiti u3D štampanje metala za proizvodnju potpuno prilagođenih komponenti na osnovu pacijentovih skeniranja i rendgenskih snimaka. To omogućava besprijekorno pristajanje i personalizirano rješenje.
Titanijum se ističe po svojoj laganoj i robusnoj prirodi, nadmašujući nerđajući čelik u pogledu otpornosti na koroziju. Ipak, postoje određena ograničenja koja treba uzeti u obzir. Legure titana mogu pokazati nedovoljnu otpornost na zamor savijanja pod stalnim dinamičkim opterećenjima. Štaviše, kada se koristi u zamjenskim spojevima, titan nije toliko otporan na trenje i habanje.
4. Kobalt hrom
Sastoji se od hroma i kobalta,kobalt hrom je legura koja nudi nekoliko prednosti za hirurške instrumente. Njegova podobnost za3D štampanjeiCNC obrada omogućava praktično oblikovanje željenih oblika. Nadalje,elektropoliranje se implementira kako bi se osigurala glatka površina, minimizirajući rizik od kontaminacije. Sa odličnim svojstvima kao što su čvrstoća, otpornost na habanje i izdržljivost na visoke temperature, kobalt hrom je među najboljim izborima za metalne legure. Njegova biokompatibilnost čini ga idealnim za ortopedsku protetiku, zamjenu zglobova i zubne implantate.
Legure kobalt hroma su visoko cijenjeni medicinski metali koji se koriste za zamjenu kuka i ramena. Međutim, bilo je zabrinutosti u vezi sa potencijalnim oslobađanjem jona kobalta, hroma i nikla u krvotok jer se ove legure postepeno troše tokom vremena.
5. Aluminijum
Rijetko u direktnom kontaktu sa tijelom,aluminijum i dalje se široko koristi u proizvodnji različite prateće opreme koja zahtijeva lagana, robusna svojstva i svojstva otporna na koroziju. Primjeri uključuju intravenske stentove, štapove za hodanje, okvire kreveta, invalidska kolica i ortopedske stentove. Zbog svoje sklonosti hrđanju ili oksidaciji, aluminijske komponente obično zahtijevaju farbanje ili eloksiranje kako bi se povećala njihova trajnost i vijek trajanja.
6. Magnezijum
Legure magnezija su medicinski metali poznati po svojoj izuzetnoj lakoći i čvrstoći, nalik težini i gustini prirodne kosti. Štaviše, magnezijum pokazuje biološku sigurnost jer se prirodno i sigurno biorazgradi tokom vremena. Ovo svojstvo ga čini pogodnim za privremene stentove ili zamjenu koštanih transplantata, eliminirajući potrebu za sekundarnim procedurama uklanjanja.
Međutim, magnezijum brzo oksidira, što zahtijevaObrada površina . Osim toga, obrada magnezija može biti izazovna i moraju se poduzeti mjere opreza kako bi se izbjegle potencijalno hlapljive reakcije s kisikom.
7. Zlato
Zlato, vjerovatno jedan od najranijih korišćenih medicinskih metala, ima odličnu otpornost na koroziju i biokompatibilnost. Njegova savitljivost omogućava lako oblikovanje, što ga čini popularnim izborom u prošlosti za razne popravke zuba. Međutim, ova praksa je postala manje rasprostranjena, a zlato je sada zamijenjenosintetički materijaliu mnogim slučajevima.
Iako zlato posjeduje neka biocidna svojstva, vrijedno je napomenuti da njegova cijena i rijetkost ograničavaju njegovu upotrebu. Obično se zlato koristi u vrlo tankim oblogama, a ne kao čvrsto zlato. Pozlaćenje se obično nalazi na provodnicima, žicama i drugim mikroelektronskim komponentama koje se koriste u elektrostimulacijskim implantatima isenzori.
8. Platinum
Platina, još jedan duboko stabilan i inertan metal, smatra se odličnom opcijom za hirurške uređaje i opremu zbog svoje biokompatibilnosti i izuzetne provodljivosti. Delikatne platinaste žice nalaze široku upotrebu u unutrašnjim elektronskim implantatima kao što su slušni aparati i pejsmejkeri. Štaviše, platina svoju primjenu nalazi u vezi s neurološkim poremećajima i praćenjem moždanih valova.
9. Srebro
Slično bakru, srebro posjeduje inherentna antimikrobna svojstva, što ga čini vrijednim u raznim primjenama. Koristi se u stentovima i nenosivim implantatima, a čak je ugrađen i u cementne smjese koje se koriste za malterisanje kostiju. Pored toga, srebro se legira sa cinkom ili bakrom za proizvodnju zubnih ispuna.
10. Tantal
Tantal pokazuje izuzetne karakteristike kao što su visoka otpornost na toplotu, odlična obradivost, otpornost na kiseline i koroziju, kao i kombinaciju duktilnosti i čvrstoće. Kao visoko porozan vatrostalni metal, olakšava rast i integraciju kosti, što ga čini pogodnim za implantate u prisustvu kosti.
Tantal nalazi primenu u raznim medicinskim instrumentima i dijagnostičkim markerskim trakama zbog svoje otpornosti na telesne tečnosti i otpornosti na koroziju. Pojava3D štampanjeomogućio je da se tantal koristi u nadomjescima kranijalnih kostiju i zubnim uređajima kao što su krunice ilivijak postova. Međutim, zbog svoje rijetkosti i cijene, tantal se često koristi u kompozitnim materijalima, a ne u svom čistom obliku.
11. Nitinol
Nitinol je legura napravljena od nikla i titanijuma, poznata po izuzetnoj otpornosti na koroziju i biokompatibilnosti. Njegova jedinstvena kristalna struktura omogućava mu da pokaže superelastičnost i efekt memorije oblika. Ova svojstva su revolucionirala industriju medicinskih uređaja omogućavajući materijalu da se vrati u svoj prvobitni oblik nakon deformacije, na osnovu određene temperature.
U medicinskim procedurama gdje je preciznost presudna, nitinol nudi fleksibilnost za kretanje u uskim prostorima uz održavanje izdržljivosti da izdrži značajna opterećenja (do 8%). Njegova lagana priroda i odlične performanse čine ga idealnim izborom za proizvodnju različitih biomedicinskih aplikacija. Primjeri uključuju ortodontske žice, koštana sidra, spajalice, odstojne uređaje, alate za srčane zaliske, žice vodiče i stentove. Nitinol se također može koristiti za stvaranje markera i dijagnostičkih linija za lociranje tumora dojke, nudeći manje invazivne opcije za dijagnozu i liječenje raka dojke.
12. Niobij
Niobijum, vatrostalni specijalni metal, nalazi primenu u modernoj medicinskoj opremi. Prepoznat je po svojoj izuzetnoj inertnosti i biokompatibilnosti. Pored svojih vrijednih svojstava, uključujući visoku toplinsku i električnu provodljivost, niobij se često koristi u proizvodnji malih komponenti za pejsmejkere.
13. Volfram
Volfram se obično koristi u medicinskoj opremi, posebno u proizvodnji cijevi za minimalno invazivne procedure poput laparoskopije i endoskopije. Nudi mehaničku čvrstoću i također može ispuniti potrebu za radioprovidnošću, što ga čini pogodnim za primjene fluorescentne inspekcije. Osim toga, gustoća volframa je veća od olova, što ga čini ekološki prihvatljivom alternativom za materijale za zaštitu od zračenja.
Biokompatibilni materijali dostupni za medicinske uređaje
Kada su u pitanju biokompatibilni materijali koji se koriste u zdravstvenim ustanovama, oni se moraju pridržavati specifičnih kriterija koji se možda ne odnose na druge proizvode.
Na primjer, moraju biti netoksični kada su u kontaktu s ljudskim tkivom ili tjelesnim tekućinama. Pored toga, treba da imaju otpornost na hemikalije koje se koriste za sterilizaciju, kao što su sredstva za čišćenje i dezinfekciona sredstva. U slučaju medicinskih metala koji se koriste za implantate, oni moraju biti netoksični, nekorozivni i nemagnetni. Istraživanje kontinuirano istražuje nove legure metala, kao i druge materijale kao što suplastikaikeramika , za procjenu njihove podobnosti kao biokompatibilnih materijala. Nadalje, neki materijali mogu biti sigurni za kratkotrajni kontakt, ali nisu prikladni za trajne implantate.
Zbog brojnih uključenih varijabli, regulatorna tijela poput FDA u Sjedinjenim Državama, zajedno s drugim globalnim agencijama, ne certificiraju sirovine za medicinske uređaje same po sebi. Umjesto toga, klasifikacija je dodijeljena konačnom proizvodu, a ne njegovom konstitutivnom materijalu. Ipak, odabir biokompatibilnog materijala ostaje početni i ključni korak ka postizanju željene klasifikacije.
Zašto su metali poželjni materijal za komponente medicinskih uređaja?
U situacijama u kojima je potrebna izuzetna čvrstoća i krutost, metali, posebno u malim poprečnim presjecima, često su preferirani izbor. Dobro su prikladni za komponente koje treba oblikovati ili mašinski obrađivati u zamršene oblike, kao što susonde , oštrice i vrhovi. Nadalje, metali se ističu u mehaničkim dijelovima koji su u interakciji s drugim metalnim komponentama kao što su poluge,zupčanici , slajdovi i okidači. Takođe su pogodni za komponente koje se podvrgavaju visokoj toplotnoj sterilizaciji ili zahtevaju superiorna mehanička i fizička svojstva u poređenju sa materijalima na bazi polimera.
Metali obično nude izdržljivu i sjajnu površinu koja olakšava čišćenje i sterilizaciju. Titan, legure titanijuma, nerđajući čelik i legure nikla su veoma omiljeni u medicinskoj opremi zbog svoje sposobnosti da zadovolje stroge zahteve za čišćenje u zdravstvenim aplikacijama. Nasuprot tome, metali skloni nekontroliranoj i destruktivnoj površinskoj oksidaciji, kao što su čelik, aluminij ili bakar, isključeni su iz takvih primjena. Ovi metali visokih performansi imaju jedinstvena svojstva, neka ograničenja i izuzetnu svestranost. Rad s ovim materijalima zahtijeva inovativne pristupe dizajnu, koji se mogu razlikovati od onih koji se obično koriste za standardne metale ili plastiku, nudeći mnoštvo mogućnosti za inženjere proizvoda.
Preferirani oblici određenih metala koji se koriste za medicinske uređaje
Postoji nekoliko oblika legura titanijuma, nerđajućeg čelika i otvrdljivih legura koje se obično koriste u medicinskoj industriji, uključujući ploče, šipke, foliju, trake, limove, šipke i žicu. Ovi različiti oblici neophodni su za ispunjavanje specifičnih zahtjeva komponenti medicinskih uređaja, koje su često male i složene prirode.
Za proizvodnju ovih oblika, automatskiprese za štancanje su obično zaposleni. Trake i žica su najčešće korišteni početni materijali za ovu vrstu obrade. Ovi oblici mlina dolaze u različitim veličinama, sa debljinom trake u rasponu od ultra tanke folije od 0,001 in. do 0.125 in., i ravne žice dostupne u debljinama od 0.010 in. do 0.100 in. i širine od 0.150 in. do 0.750 in .
Razmatranja za korištenje metala u proizvodnji medicinskih uređaja
U ovom sektoru, proći ćemo kroz četiri glavna faktora kada se koriste metali za proizvodnju medicinskih uređaja, a to su obrada, sposobnost oblikovanja, kontrola tvrdoće izavršna obrada površine.
1. Mašinska obrada
Obradna svojstva legure 6-4 su vrlo slične onima kod austenitnog nehrđajućeg čelika, s tim da oba materijala imaju oko 22% AISI B-1112 čelika. Međutim, treba napomenuti da titanijum reaguje sa karbidnim alatom, a ova reakcija se pojačava toplotom. Zbog toga se preporučuje da se prilikom obrade titanijuma koristi obilno zalijevanje tekućinom za rezanje.
Važno je izbjegavati korištenje tekućina koje sadrže halogen, jer mogu predstavljati rizik od izazivanja korozije pod naprezanjem ako se ne uklone temeljito nakon operacija strojne obrade.
2. Formabilnost
Štampari obično preferiraju materijale koji se lako oblikuju na hladno. Međutim, vrijedno je napomenuti da je sposobnost oblikovanja obrnuto povezana sa specifičnim svojstvima koja kupci traže prilikom odabira ovih legura, kao što su odlična tvrdoća i čvrstoća.
Na primjer, hirurške spajalice moraju posjedovati maksimalnu snagu kako bi spriječile odvajanje, čak i sa vrlo tankim poprečnim presjekom. U isto vrijeme, moraju biti izuzetno oblikovani kako bi omogućili kirurzima da ih čvrsto zatvore bez potrebe za invazivnim alatima za spajanje.
Postizanje ravnoteže između snage i formabilnosti može se efikasno postići tokom faze ponovnog rolanja. Pažljivim valjanjem trake do željene širine i upotrebom žarenja između prolaza kako bi se suprotstavili efektima stvrdnjavanja, postiže se optimalan nivo formabilnosti.
Valjci koriste proces naizmjenične toplinske obrade ihladno valjanjekako bi se osigurao materijal koji se može oblikovati koji je dobro prikladan za oblikovanje, crtanje i štancanje korištenjem konvencionalne opreme za višeslojno i multidie štancanje.
Dok duktilnost titanijuma i njegovih legura može biti niža nego kod drugih uobičajeno korišćenih konstrukcijskih metala, trakasti proizvodi se i dalje mogu lako formirati na sobnoj temperaturi, iako sporije od nerđajućeg čelika.
Nakon hladnog oblikovanja, titan pokazuje oprugu zbog svog niskog modula elastičnosti, koji je otprilike upola manji od čelika. Vrijedi napomenuti da se stupanj povratne opruge povećava s jačinom metala.
Kada napori na sobnoj temperaturi nisu dovoljni, operacije oblikovanja se mogu izvoditi na povišenim temperaturama jer se duktilnost titana povećava s temperaturom. Generalno, nelegirane titanijumske trake i limovi su hladno oblikovani.
Međutim, postoji izuzetak zaalfa legure , koji se povremeno zagrijavaju na temperature između 600°F i 1200°F kako bi se spriječilo vraćanje. Važno je napomenuti da iznad 1100°F, oksidacija titanijumskih površina postaje problem, tako da može biti potrebna operacija uklanjanja kamenca.
Budući da je atribut hladnog zavarivanja titanijuma veći nego kod nerđajućeg čelika, pravilno podmazivanje je ključno prilikom izvođenja bilo koje operacije koja uključuje titanijum koji dolazi u kontakt sametalne matriceili oprema za formiranje.
3. Kontrola tvrdoće
Korištenje procesa valjanja i žarenja za postizanje ravnoteže između formabilnosti i čvrstoće u legurama. Žarenjem između svakog prolaza valjanja, eliminišu se efekti radnog očvršćavanja, što rezultira željenim temperamentom koji održava čvrstoću materijala uz potrebnu formabilnost.
Za ispunjavanje strogih specifikacija i smanjenje troškova na minimum, stručnjaci naHUAYI GROUP može pomoći u odabiru legure i ponuditi sveobuhvatna rješenja za vašu obradu medicinskih metala. Ovo osigurava da legure posjeduju željenu kombinaciju svojstava, usklađenu sa specifičnim zahtjevima i ograničenjima.
4. Završna obrada
U fazi ponovnog valjanja određuje se obrada površine trakastih proizvoda na bazi titana i nerđajućeg čelika. Dizajneri mogu birati između različitih opcija, uključujući svijetlu i reflektirajuću završnu obradu, mat površinu koja olakšava prijenos podmazivanja ili druge specijalizirane površine potrebne za lijepljenje, lemljenje ili zavarivanje.
Završne obrade nastaju kontaktom radnih valjaka i materijala u valjaonici. Na primjer, korištenje visoko poliranih karbidnih valjaka rezultira zrcalno sjajnom i reflektirajućom završnom obradom, dok čelični valjci sa pjeskarenjem daju mat završni sloj s hrapavošću od 20-40 µin. RMS. Peskareni karbidni valjci daju dosadnu završnu obradu sa 18-20 µin. RMS hrapavost.
Ovaj proces može proizvesti površinu hrapavosti do 60 µin. RMS, što predstavlja relativno visok nivohrapavost površine.
Često korišteni metali i legure za medicinske primjene
Nehrđajući čelik, titan i legure na bazi nikla smatraju se naprednijim materijalima u odnosu na konvencionalne. Međutim, oni takođe donose širi spektar mogućnosti na sto. Ovi materijali imaju sposobnost da modifikuju svoje mehaničke karakteristike kroz procese kao što su grejanje, hlađenje i gašenje. Štaviše, tokom obrade mogu se podvrgnuti daljim modifikacijama po potrebi. Na primjer, valjanje metala u tanje mjere može povećati njihovu tvrdoću, dok žarenje može vratiti njihova svojstva na preciznu temperaturu, omogućavajući isplativo oblikovanje.
Ovi metali se dobro ponašajumedicinske primjene . Oni pokazuju izuzetnu otpornost na koroziju, poseduju visoke mehaničke sposobnosti, nude širok spektar mogućnosti površinske obrade i pružaju odličnu svestranost proizvodnje kada se dizajneri upoznaju sa njihovom složenošću.
Zaključak
Prilikom proizvodnje medicinske opreme, ključno je pažljivo odabrati odgovarajuće metale. Metali koji se obično koriste za ovu svrhu uključuju nerđajući čelik, titanijum, kobalt hrom, bakar, tantal i platinu. Ovi metali su poželjni zbog njihove odlične biokompatibilnosti i izdržljivosti. Iako paladij također dobiva priznanje, njegova upotreba je relativno ograničena zbog većih troškova. Nadamo se da će vam ovaj vodič pomoći u pronalaženju odgovarajućeg metala koji ispunjava vaše medicinske projekte ili aplikacije.