Optimització de metalls per a la fabricació de dispositius mèdics

L'augment dels casos de COVID-19 ha provocat una major demanda d'equips mèdics, que al seu torn ha emfatitzat la importància de la selecció de materials per als dissenyadors i fabricants de dispositius mèdics. És fonamental triar els materials adequats per a peces i equips mèdics per garantir la usabilitat, la qualitat i el compliment dels estàndards. Optar pels materials adequats pot oferir els avantatges de la màxima rendibilitat i fiabilitat.

Els biomaterials metàl·lics o metalls mèdics s'han utilitzat àmpliament en la producció d'ajudes i eines quirúrgiques, oferint una àmplia gamma d'opcions per triar. L'avenç reeixit de materials com l'aliatge de cobalt-crom, acer inoxidable, titani i diversos aliatges, juntament amb la seva àmplia utilització en odontologia i ortopèdia, ha establert fermament la importància dels materials mèdics metàl·lics en la fabricació de dispositius mèdics.

Quan es dissenyen dispositius amb finalitats mèdiques i sanitàries, és de gran importància que els fabricants tinguin precaució a l'hora de seleccionar les matèries primeres adequades. A més de complir amb les especificacions d'enginyeria necessàries per a l'aplicació, els materials escollits també han de garantir l'absència de riscos potencials en contacte amb el cos humà o els diferents productes químics que es troben habitualment en entorns clínics. Cal tenir en compte amb cura tant els requisits funcionals com la compatibilitat dels materials amb l'ús previst.

En els sectors de la medicina i la salut, nombrosos metalls purs i aliatges metàl·lics han demostrat el seu valor. Aquest article repassarà els tretze tipus més comuns de biomaterials metàl·lics i metalls utilitzats en la fabricació de dispositius mèdics.

• 13 Tipus de metalls per a la fabricació de peces i dispositius mèdics

Vegem els tretze tipus més comuns de metalls purs i aliatges metàl·lics, les seves aplicacions i els seus pros i contres en la fabricació de dispositius mèdics i sanitaris.

1. Acer inoxidable

Acer inoxidable és molt adequat per a una àmplia gamma d'aparells mèdics a causa de la seva naturalesa no tòxica, no corrosiva i duradora. A més, es pot polir fins a un acabat fi que es pot netejar fàcilment. Com que l'acer inoxidable està disponible en diferents variacions, cadascuna amb propietats mecàniques i químiques úniques, seleccionar el tipus adequat és crucial.

L'acer inoxidable 316 i 316L són els tipus més utilitzats per a implants mèdics i pírcings corporals a causa de la seva excepcional resistència a la corrosió. Aquest atribut és essencial per prevenir la corrosió del torrent sanguini, que pot provocar infeccions i conseqüències potencialment mortals. A més, l'acer inoxidable conté varietats baixes en níquel, de manera que els pacients poques vegades pateixen reaccions al·lèrgiques al níquel.

L'acer inoxidable 440 s'utilitza habitualment en la producció d'eines quirúrgiques. Tot i que pot oferir una menor resistència a la corrosió en comparació amb el 316, el seu major contingut de carboni ho permettractament tèrmic, donant lloc a la creació devores esmolades adequat per a instruments de tall. L'acer inoxidable té un ús generalitzat en ortopèdia, com ara la substitució de les articulacions del maluc i l'estabilització d'ossos fracturats mitjançant cargols i plaques. A més, s'utilitza amb freqüència per a la fabricació d'eines quirúrgiques duradores i fàcils de netejar, com ara hemostats, pinces, pinces i altres equips que requereixen durabilitat i esterilitat.

Com que l'acer inoxidable conté ferro, que pot provocar corrosió amb el pas del temps, hi ha un risc per al teixit circumdant a mesura que l'implant es deteriora. En comparació, els metalls mèdics com el titani o el crom cobalt ofereixen una major resistència a la corrosió. Tanmateix, tingueu en compte que aquests metalls alternatius poden ser més costosos.

2. Coure

A causa de la seva força relativament més feble,coure no s'utilitza àmpliament per produir equips quirúrgics i implants. No obstant això, les seves notables propietats antibacterianes i antivirals la converteixen en una opció prevalent en el camp de la cirurgia i la prevenció de malalties.

L'ús directe del coure per a implants mèdics és poc freqüent a causa de la seva suavitat i toxicitat potencial dins del teixit. Tanmateix, alguns aliatges de coure encara s'utilitzen en implants dentals i per mitigar els riscos d'infecciócirurgia de trasplantament ossi.

El coure realment destaca com a metall mèdic per les seves excepcionals propietats antivirals i antibacterianes. Això fa que el coure sigui un material ideal per a superfícies que es toquen amb freqüència, com ara les nanses de les portes, les baranes del llit i els interruptors. El que diferencia el coure és que elFDAha aprovat més de 400 aliatges de coure diferents com a biocida, evitant eficaçment la transmissió de virus com el SARS-CoV-2.

Quan s'exposa al medi ambient, el coure pur s'oxida fàcilment, donant lloc a un color verdós. Malgrat això, manté les seves propietats antimicrobianes. Tanmateix, algunes persones poden percebre la decoloració com a poc atractiva. Per fer-ho, s'utilitzen habitualment aliatges, que ofereixen diferents nivells d'eficàcia contra els microbis. Una altra opció és aplicar recobriments de pel·lícula prima per evitar l'oxidació alhora que es conserven les propietats antibacterianes del coure.

3. Titani

Titani és molt afavorit entre els metalls que s'utilitzen habitualment en la producció de dispositius mèdics. A part de l'equip mèdic intern, també s'utilitza en la fabricació de dispositius externs com instruments quirúrgics, equips dentals i equips ortopèdics. El titani pur, conegut per ser extremadament inert, és l'opció més costosa que sovint es reserva per a components d'alta fiabilitat o els destinats a un ús a llarg termini dins del cos d'un pacient després de la cirurgia.

Actualment, el titani s'utilitza amb freqüència com a substitució de l'acer inoxidable, especialment en la producció de suports i substituts ossis. El titani té una força i una durabilitat comparables a l'acer inoxidable alhora que és més lleuger. A més, mostra excel·lents propietats de biocompatibilitat.

Els aliatges de titani també són molt adequats per als implants dentals. Això s'atribueix al fet que es pot utilitzar el titaniimpressió 3D de metall per fabricar components totalment personalitzats basats en les exploracions i els raigs X d'un pacient. Això permet un ajust impecable i una solució personalitzada.

El titani destaca per la seva naturalesa lleugera i robusta, superant l'acer inoxidable pel que fa a la resistència a la corrosió. No obstant això, hi ha certes limitacions a tenir en compte. Els aliatges de titani poden presentar una resistència insuficient a la fatiga per flexió sota càrregues dinàmiques contínues. A més, quan s'utilitza en juntes de substitució, el titani no és tan resistent a la fricció i al desgast.

4. Crom cobalt

Compost per crom i cobalt,crom cobalt és un aliatge que ofereix diversos avantatges per als instruments quirúrgics. La seva idoneïtat perImpressió 3DiMecanitzat CNC permet donar forma còmoda a les formes desitjades. A més,electropolit s'implementa per garantir una superfície llisa, minimitzant el risc de contaminació. Amb excel·lents atributs com la força, la resistència al desgast i la resistència a altes temperatures, el crom cobalt es troba entre les millors opcions per als aliatges metàl·lics. La seva biocompatibilitat el fa ideal per a pròtesis ortopèdiques, substitucions articulars i implants dentals.

Els aliatges de crom cobalt són metalls mèdics molt apreciats que s'utilitzen per substituir els endolls de maluc i espatlla. Tanmateix, hi ha hagut preocupacions pel que fa a l'alliberament potencial d'ions de cobalt, crom i níquel al torrent sanguini a mesura que aquests aliatges es desgasten gradualment amb el temps.

5. Alumini

Rarament en contacte directe amb el cos,alumini segueix àmpliament utilitzat en la producció de diversos equips de suport que requereixen propietats lleugeres, robustes i resistents a la corrosió. Alguns exemples inclouen stents intravenosos, bastons, marcs de llit, cadires de rodes i stents ortopèdics. A causa de la seva tendència a oxidar-se o oxidar-se, els components d'alumini solen requerir processos de pintura o anoditzat per millorar la seva durabilitat i vida útil.

6. Magnesi

Els aliatges de magnesi són metalls mèdics coneguts per la seva lleugeresa i resistència excepcionals, que s'assemblen al pes i la densitat de l'os natural. A més, el magnesi demostra la bioseguretat, ja que es biodegrada de manera natural i segura amb el pas del temps. Aquesta propietat el fa adequat per a stents temporals o substitucions d'empelt ossi, eliminant la necessitat de procediments d'extirpació secundaris.

No obstant això, el magnesi s'oxida ràpidament, necessitanttractament de superfícies . A més, el mecanitzat de magnesi pot ser un repte i s'han de prendre precaucions per evitar reaccions potencialment volàtils amb l'oxigen.

7. Or

L'or, possiblement un dels metalls mèdics més antics utilitzats, té una excel·lent resistència a la corrosió i biocompatibilitat. La seva mal·leabilitat permet una fàcil conformació, cosa que la converteix en una opció popular en el passat per a diverses reparacions dentals. No obstant això, aquesta pràctica s'ha tornat menys freqüent, amb l'or substituït ara permaterials sintèticsen molts casos.

Tot i que l'or té algunes propietats biocides, val la pena tenir en compte que el seu cost i raresa limiten el seu ús. Normalment, l'or s'utilitza en revestiments molt prims en lloc d'or massís. Els xapats d'or es troben habitualment en conductors, cables i altres components microelectrònics utilitzats en implants d'electroestimulació isensors.

8. Platí

El platí, un altre metall profundament estable i inert, es considera una excel·lent opció per a dispositius i equips quirúrgics per la seva biocompatibilitat i conductivitat excepcional. Els delicats cables de platí troben un ús extensiu en implants electrònics interns com audiòfons i marcapassos. A més, el platí troba les seves aplicacions relacionades amb els trastorns neurològics i el seguiment de les ones cerebrals.

9. Plata

Similar al coure, la plata posseeix propietats antimicrobianes inherents, la qual cosa la fa valuosa en diverses aplicacions. Troba utilitat en stents i implants que no suporten càrrega, i fins i tot s'incorpora a compostos de ciment utilitzats per a l'arrebossat ossi. A més, la plata s'alia amb zinc o coure per produir obturacions dentals.

10. Tàntal

El tàntal presenta característiques notables com una alta resistència a la calor, una excel·lent treballabilitat, resistència als àcids i a la corrosió, així com una combinació de ductilitat i resistència. Com a metall refractari altament porós, facilita el creixement i la integració òssia, el que el fa apte per a implants en presència d'os.

El tàntal troba aplicació en diversos instruments mèdics i cintes marcadores de diagnòstic a causa de la seva immunitat als fluids corporals i resistència a la corrosió. L'adveniment deImpressió 3Dha permès utilitzar el tàntal en substitucions òssies cranials i dispositius dentals com corones ocargol publicacions. Tanmateix, a causa de la seva raresa i cost, el tàntal s'utilitza sovint en materials compostos més que en la seva forma pura.

11. Nitinol

El nitinol és un aliatge format per níquel i titani, conegut per la seva excepcional resistència a la corrosió i biocompatibilitat. La seva estructura cristal·lina única li permet mostrar superelasticitat i efecte de memòria de forma. Aquestes propietats han revolucionat la indústria dels dispositius mèdics en permetre que el material torni a la seva forma original després de la deformació, en funció d'una temperatura específica.

En procediments mèdics on la precisió és crucial, el nitinol ofereix flexibilitat per navegar per espais reduïts alhora que manté la durabilitat per suportar una tensió substancial (fins a un 8%). La seva naturalesa lleugera i excel·lent rendiment el converteixen en una opció ideal per a la fabricació de diverses aplicacions biomèdiques. Alguns exemples inclouen filferros d'ortodòncia, ancoratges ossis, grapes, dispositius separadors, eines de vàlvules cardíaques, cables de guia i stents. El nitinol també es pot utilitzar per crear marcadors i línies de diagnòstic per localitzar tumors de mama, oferint opcions menys invasives per al diagnòstic i tractament del càncer de mama.

12. Niobi

El niobi, un metall especial refractari, troba aplicació en equips mèdics moderns. És reconegut per la seva inercia i biocompatibilitat excepcionals. A més dels seus valuosos atributs, com ara una alta conductivitat tèrmica i elèctrica, el niobi s'utilitza amb freqüència en la producció de components petits per a marcapassos.

13. Tungstè

El tungstè s'utilitza habitualment en equips mèdics, especialment en la producció de tubs per a procediments mínimament invasius com la laparoscòpia i l'endoscòpia. Ofereix resistència mecànica i també pot satisfer la necessitat de radiopacitat, el que el fa adequat per a aplicacions d'inspecció de fluorescència. A més, la densitat del tungstè supera la del plom, el que el converteix en una alternativa respectuosa amb el medi ambient per als materials de protecció contra la radiació.

Materials biocompatibles disponibles per a dispositius mèdics

Quan es tracta de materials biocompatibles utilitzats en entorns sanitaris, han de complir criteris específics que poden no aplicar-se a altres productes.

Per exemple, han de ser no tòxics quan estan en contacte amb teixits humans o fluids corporals. A més, haurien de tenir resistència als productes químics utilitzats per a l'esterilització, com ara netejadors i desinfectants. En el cas dels metalls mèdics utilitzats per a implants, han de ser no tòxics, no corrosius i no magnètics. La investigació explora contínuament nous aliatges metàl·lics, així com altres materials complàsticiceràmica , per avaluar la seva idoneïtat com a materials biocompatibles. A més, alguns materials poden ser segurs per al contacte a curt termini, però no adequats per a implants permanents.

A causa de les nombroses variables implicades, els organismes reguladors com la FDA dels Estats Units, juntament amb altres agències globals, no certifiquen les matèries primeres per als dispositius mèdics per se. En canvi, la classificació s'assigna al producte final més que al seu material constitutiu. No obstant això, la selecció d'un material biocompatible segueix sent el pas inicial i crucial per assolir la classificació desitjada.

Per què els metalls són el material preferit per als components dels dispositius mèdics?

En situacions en què es requereix una resistència i una rigidesa excepcionals, els metalls, especialment en petites seccions transversals, solen ser l'opció preferida. Són molt adequats per a components que s'han de donar forma o mecanitzar en formes complicades, com arasondes , fulles i puntes. A més, els metalls destaquen en peces mecàniques que interactuen amb altres components metàl·lics com palanques,engranatges , diapositives i activadors. També són adequats per a components que se sotmeten a una esterilització a alta calor o que necessiten propietats mecàniques i físiques superiors en comparació amb els materials basats en polímers.

Els metalls solen oferir una superfície duradora i brillant que facilita la neteja i l'esterilització. El titani, els aliatges de titani, l'acer inoxidable i els aliatges de níquel són molt afavorits en equips mèdics a causa de la seva capacitat per complir els estrictes requisits de neteja en aplicacions sanitàries. Per contra, els metalls propensos a l'oxidació superficial incontrolada i destructiva, com l'acer, l'alumini o el coure, estan exclosos d'aquestes aplicacions. Aquests metalls d'alt rendiment tenen propietats úniques, algunes limitacions i una versatilitat excepcional. Treballar amb aquests materials requereix enfocaments de disseny innovadors, que poden diferir dels que s'utilitzen habitualment amb metalls o plàstics estàndard, oferint una multitud de possibilitats per als enginyers de producte.

Formes preferides de determinats metalls utilitzats per a dispositius mèdics

Hi ha diverses formes d'aliatges de titani, acer inoxidable i aliatges enduribles que s'utilitzen habitualment a la indústria mèdica, com ara plaques, varetes, làmines, tires, làmines, barres i filferro. Aquestes diferents formes són necessàries per satisfer els requisits específics dels components dels dispositius mèdics, que sovint són de naturalesa petita i complexa.

Per fabricar aquestes formes, automàticpremses d'estampació solen estar ocupats. Les tires i el filferro són els materials de partida més utilitzats per a aquest tipus de processament. Aquestes formes de molí tenen diferents mides, amb un gruix de tires que oscil·la entre una làmina ultrafina de 0,001 polzades a 0,125 polzades, i un cable pla disponible en gruixos de 0,010 polzades a 0,100 polzades i amplades de 0,150 polzades a 0,750 polzades. .

Consideracions per a l'ús de metalls en la fabricació de dispositius mèdics

En aquest sector, passarem per quatre factors principals a l'hora d'utilitzar metalls per a la fabricació de dispositius mèdics, és a dir, mecanitzat, conformabilitat, control de duresa iAcabat superficial.

1. Mecanitzat

Les propietats de mecanitzat de l'aliatge 6-4 s'assemblen molt a les dels acers inoxidables austenítics, amb una classificació d'ambdós materials al voltant del 22% de l'acer AISI B-1112. Tanmateix, cal tenir en compte que el titani reacciona amb les eines de carbur, i aquesta reacció s'intensifica per la calor. Per tant, es recomana utilitzar una gran inundació amb fluid de tall quan es mecanitza titani.

És important evitar l'ús de fluids que contenen halògens, ja que poden suposar un risc de provocar corrosió per tensió si no s'eliminen a fons després de les operacions de mecanitzat.

2. Formabilitat

Els estampadors solen preferir materials que siguin fàcils de formar en fred. No obstant això, val la pena assenyalar que la conformabilitat està inversament relacionada amb les propietats específiques que busquen els compradors a l'hora de seleccionar aquests aliatges, com ara una excel·lent duresa i resistència.

Per exemple, les grapes quirúrgiques han de tenir la màxima força per evitar la separació, fins i tot amb una secció transversal molt fina. Al mateix temps, han de ser extremadament formables per permetre als cirurgians tancar-los amb força sense requerir eines de grapa invasives.

Aconseguir un equilibri entre la força i la conformabilitat es pot aconseguir de manera eficaç durant l'etapa de reroll. Enrotllant la cinta amb cura fins al calibre desitjat i emprant el recuit entre passades per contrarestar els efectes de l'enduriment per treball, s'aconsegueix un nivell òptim de conformabilitat.

Els rerollers utilitzen un procés de tractament tèrmic alternatiu irodament en fredper proporcionar un material conformable que sigui adequat per a la conformació, el dibuix i el punxonat mitjançant equips d'estampació multicorredissa i multidie convencional.

Tot i que la ductilitat del titani i els seus aliatges pot ser inferior a la d'altres metalls estructurals d'ús habitual, els productes de tires encara es poden formar fàcilment a temperatura ambient, encara que a un ritme més lent que l'acer inoxidable.

Després de la conformació en fred, el titani presenta un retorn elàstic a causa del seu baix mòdul d'elasticitat, que és aproximadament la meitat del de l'acer. Val la pena assenyalar que el grau de retorn de la molla augmenta amb la força del metall.

Quan els esforços a temperatura ambient no són suficients, les operacions de conformació es poden dur a terme a temperatures elevades, ja que la ductilitat del titani augmenta amb la temperatura. En general, les tires i làmines de titani no aliats es formen en fred.

No obstant això, hi ha una excepcióaliatges alfa , que ocasionalment s'escalfen a temperatures entre 600 °F i 1200 °F per evitar la tornada de primavera. Val la pena tenir en compte que més enllà dels 1100 ° F, l'oxidació de les superfícies de titani es converteix en una preocupació, de manera que pot ser necessària una operació de descalcificació.

Atès que l'atribut de soldadura en fred del titani és més alt que el de l'acer inoxidable, la lubricació adequada és crucial quan es realitza qualsevol operació que impliqui titani que entri en contacte ambmatrius metàl·liqueso equips de formació.

3. Control de duresa

Utilitzant un procés de laminació i recuit per aconseguir un equilibri entre la conformabilitat i la resistència dels aliatges. Mitjançant el recuit entre cada passada de laminació, s'eliminen els efectes de l'enduriment per treball, donant lloc al tremp desitjat que manté la resistència del material alhora que proporciona la conformabilitat necessària.

Per complir amb especificacions estrictes i minimitzar costos, experts enGRUP HUAYI pot ajudar en la selecció d'aliatges i oferir solucions completes per al seu mecanitzat mèdic de metalls. Això assegura que els aliatges posseeixen la combinació desitjada de propietats, alineant-se amb els requisits i les limitacions específiques.

4. Acabat superficial

Durant l'etapa de reroll, es determina l'acabat superficial dels productes de tires a base de titani i d'acer inoxidable. Els dissenyadors tenen una varietat d'opcions per triar, inclòs un acabat brillant i reflectant, una superfície mat que facilita la transferència de lubricació o altres superfícies especialitzades necessàries per a unió, soldadura o soldadura.

Els acabats superficials es creen pel contacte entre els rodets de treball i el material del laminador. Per exemple, l'ús de rotlles de carbur molt polit dóna com a resultat un acabat brillant i reflectant, mentre que els rotlles d'acer granallat produeixen un acabat mat amb una rugositat de 20-40 µin. RMS. Els rotlles de carbur granallat proporcionen un acabat apagat amb un 18-20 µin. Rugositat RMS.

Aquest procés és capaç de produir una superfície amb una rugositat de fins a 60 µin. RMS, que representa un nivell relativament alt derugositat superficial.

Metalls i aliatges d'ús habitual per a aplicacions mèdiques

L'acer inoxidable, el titani i els aliatges a base de níquel es perceben com a materials més avançats en comparació amb els convencionals. Tanmateix, també aporten una gamma més àmplia de capacitats a la taula. Aquests materials tenen la capacitat de modificar les seves característiques mecàniques mitjançant processos com l'escalfament, el refredament i l'extinció. A més, durant el processament, poden patir modificacions addicionals segons sigui necessari. Per exemple, enrotllar metalls en calibres més prims pot augmentar la seva duresa, mentre que el recuit pot restaurar les seves propietats a un temperament precís, permetent una conformació rendible.

Aquests metalls tenen un bon rendimentaplicacions mèdiques . Presenten una resistència a la corrosió excepcional, posseeixen altes capacitats mecàniques, ofereixen una àmplia gamma d'opcions de tractament de superfícies i ofereixen una excel·lent versatilitat de producció un cop els dissenyadors es familiaritzen amb la seva complexitat.

Conclusió

Quan es fabriquen equips mèdics, és crucial triar acuradament els metalls adequats. Els metalls que s'utilitzen habitualment per a aquest propòsit inclouen l'acer inoxidable, el titani, el crom cobalt, el coure, el tàntal i el platí. Aquests metalls són preferits per la seva excel·lent biocompatibilitat i durabilitat. Tot i que el pal·ladi també està guanyant reconeixement, la seva utilització és relativament limitada a causa dels seus costos més elevats. Esperem que aquesta guia us ajudi a trobar el metall adequat que compleixi els vostres projectes o aplicacions mèdiques.