Optimering af metaller til fremstilling af medicinsk udstyr

Stigningen i COVID-19-tilfælde har ført til en større efterspørgsel efter medicinsk udstyr, hvilket igen har understreget vigtigheden af ​​materialevalg for designere og producenter af medicinsk udstyr. Det er afgørende at vælge de passende materialer til medicinske dele og udstyr for at sikre anvendelighed, kvalitet og overholdelse af standarder. At vælge de rigtige materialer kan give fordelene ved maksimal omkostningseffektivitet og pålidelighed.

Metalliske biomaterialer eller medicinske metaller er blevet flittigt brugt i produktionen af ​​kirurgiske hjælpemidler og værktøjer, der tilbyder en bred vifte af muligheder at vælge imellem. Den vellykkede udvikling af materialer som kobolt-kromlegering, rustfrit stål, titanium og forskellige legeringer, sammen med deres brede anvendelse i tandpleje og ortopædi, har fast etableret betydningen af ​​metalliske medicinske materialer i fremstillingen af ​​medicinsk udstyr.

Når man designer udstyr til medicinske og sundhedsmæssige formål, er det af stor betydning for producenterne at være forsigtige med at vælge de passende råmaterialer. Udover at opfylde de nødvendige tekniske specifikationer for anvendelsen, skal de valgte materialer også sikre fraværet af potentielle risici, når de er i kontakt med den menneskelige krop eller de forskellige kemikalier, der almindeligvis forekommer i kliniske miljøer. Der skal tages nøje hensyn til både funktionelle krav og materialernes forenelighed med den påtænkte anvendelse.

I medicin- og sundhedssektoren har talrige rene metaller og metallegeringer bevist deres værdi. Denne artikel vil gennemgå de tretten mest almindelige typer af metalliske biomaterialer og metaller, der anvendes til fremstilling af medicinsk udstyr.

• 13 typer metaller til fremstilling af medicinske dele og anordninger

Lad os se de tretten mest almindelige typer af rene metaller og metallegeringer, deres anvendelser og deres fordele og ulemper ved fremstilling af medicin og sundhedsudstyr.

1. Rustfrit stål

Rustfrit stål er særdeles velegnet til en bred vifte af medicinske apparater på grund af dets giftfri, ikke-ætsende og holdbare natur. Desuden kan den poleres til en fin finish, der let kan rengøres. Da rustfrit stål er tilgængeligt i forskellige variationer, hver med unikke mekaniske og kemiske egenskaber, er det afgørende at vælge den passende type.

316 og 316L rustfrit stål er de mest anvendte typer til medicinske implantater og kropspiercinger på grund af deres exceptionelle korrosionsbestandighed. Denne egenskab er vigtig for at forhindre korrosion i blodbanen, hvilket kan føre til infektioner og potentielt fatale konsekvenser. Desuden indeholder rustfrit stål varianter med lavt nikkelindhold, så patienter lider sjældent af allergiske reaktioner over for nikkel.

440 rustfrit stål er almindeligt anvendt i produktionen af ​​kirurgiske værktøjer. Selvom det kan tilbyde lavere korrosionsbestandighed sammenlignet med 316, giver dets højere kulstofindhold mulighed forvarmebehandling, hvilket resulterer i oprettelsen afskarpe kanter velegnet til skæreinstrumenter. Rustfrit stål finder udbredt anvendelse i ortopædi, såsom i udskiftning af hofteled og stabilisering af brækkede knogler ved hjælp af skruer og plader. Desuden bruges det ofte til fremstilling af holdbare og let rengørelige kirurgiske værktøjer som hæmostater, pincet, pincet og andet udstyr, der kræver både holdbarhed og sterilitet.

Da rustfrit stål indeholder jern, som kan føre til korrosion over tid, er der risiko for omgivende væv, da implantatet forringes. Til sammenligning tilbyder medicinske metaller som titanium eller koboltkrom større korrosionsbestandighed. Bemærk dog, at disse alternative metaller kan være dyrere.

2. Kobber

På grund af dens relativt svagere styrke,kobber anvendes ikke i vid udstrækning til fremstilling af kirurgisk udstyr og implantater. Imidlertid gør dets bemærkelsesværdige antibakterielle og antivirale egenskaber det til et udbredt valg inden for kirurgi og sygdomsforebyggelse.

Direkte brug af kobber til medicinske implantater er ualmindeligt på grund af dets blødhed og potentielle toksicitet i vævet. Visse kobberlegeringer anvendes dog stadig i tandimplantater og for at mindske infektionsrisici iknogletransplantationsoperationer.

Kobber udmærker sig virkelig som et medicinsk metal på grund af dets exceptionelle antivirale og antibakterielle egenskaber. Dette gør kobber til et ideelt materiale til ofte berørte overflader, såsom dørhåndtag, sengehest og kontakter. Det, der adskiller kobber, er, atFDAhar godkendt over 400 forskellige kobberlegeringer som biocidholdige, hvilket effektivt forhindrer overførsel af vira som SARS-CoV-2.

Når det udsættes for miljøet, gennemgår rent kobber let oxidation, hvilket resulterer i en grønlig farve. På trods af dette bevarer den sine antimikrobielle egenskaber. Nogle personer kan dog opfatte misfarvningen som uattraktiv. For at imødegå dette, er legeringer almindeligt anvendt, der tilbyder forskellige niveauer af effektivitet mod mikrober. En anden mulighed er at påføre tyndfilmsbelægninger for at forhindre oxidation og samtidig bevare kobberets antibakterielle egenskaber.

3. Titanium

Titanium er meget begunstiget blandt de metaller, der almindeligvis anvendes i produktionen af ​​medicinsk udstyr. Bortset fra internt medicinsk udstyr bruges det også til fremstilling af eksterne enheder som kirurgiske instrumenter, tandudstyr og ortopædisk udstyr. Rent titanium, kendt for at være ekstremt inert, er den dyreste mulighed, der ofte er forbeholdt komponenter med ultrahøj pålidelighed eller dem, der er beregnet til langvarig brug i en patients krop efter operationen.

I dag anvendes titanium ofte som erstatning for rustfrit stål, især i produktionen af ​​knoglestøtter og erstatninger. Titanium har sammenlignelig styrke og holdbarhed som rustfrit stål, mens det er lettere i vægt. Desuden viser den fremragende biokompatibilitetsegenskaber.

Titaniumlegeringer er også særdeles velegnede til tandimplantater. Dette tilskrives det faktum, at titanium kan bruges imetal 3D print at fremstille fuldt tilpassede komponenter baseret på en patients scanninger og røntgenbilleder. Dette muliggør en upåklagelig pasform og personlig løsning.

Titanium skiller sig ud for sin lette og robuste natur, der overgår rustfrit stål med hensyn til korrosionsbestandighed. Ikke desto mindre er der visse begrænsninger at overveje. Titaniumlegeringer kan udvise utilstrækkelig modstand mod bøjningstræthed under kontinuerlige dynamiske belastninger. Desuden er titanium ikke så modstandsdygtigt over for friktion og slid, når det anvendes i udskiftningsled.

4. Koboltkrom

Sammensat af chrom og kobolt,kobolt krom er en legering, der giver flere fordele for kirurgiske instrumenter. Dens egnethed til3D printogCNC-bearbejdning giver mulighed for bekvem formgivning af ønskede former. Desuden,elektropolering er implementeret for at sikre en glat overflade, hvilket minimerer risikoen for forurening. Med fremragende egenskaber som styrke, slidstyrke og udholdenhed ved høje temperaturer er koboltkrom blandt de bedste valg til metallegeringer. Dens biokompatibilitet gør den ideel til ortopædiske proteser, ledudskiftninger og tandimplantater.

Koboltkromlegeringer er højt ansete medicinske metaller, der bruges til udskiftning af hofte- og skulderskåle. Der har dog været bekymringer vedrørende den potentielle frigivelse af kobolt, krom og nikkelioner til blodbanen, da disse legeringer gradvist slides op over tid.

5. Aluminium

Sjældent i direkte kontakt med kroppen,aluminium forbliver meget udbredt i produktionen af ​​forskelligt støtteudstyr, der kræver lette, robuste og korrosionsbestandige egenskaber. Eksempler omfatter intravenøse stenter, spadserestokke, sengerammer, kørestole og ortopædiske stenter. På grund af dets tendens til at ruste eller oxidere kræver aluminiumskomponenter typisk malings- eller anodiseringsprocesser for at forbedre deres holdbarhed og levetid.

6. Magnesium

Magnesiumlegeringer er medicinske metaller kendt for deres enestående lethed og styrke, der ligner vægten og tætheden af ​​naturlig knogle. Desuden demonstrerer magnesium biosikkerhed, da det naturligt og sikkert bionedbrydes over tid. Denne egenskab gør den velegnet til midlertidige stents eller knogletransplantatudskiftninger, hvilket eliminerer behovet for sekundære fjernelsesprocedurer.

Magnesium oxiderer dog hurtigt, hvilket gør det nødvendigtoverfladebehandling . Derudover kan bearbejdning af magnesium være udfordrende, og der skal tages forholdsregler for at undgå potentielt flygtige reaktioner med oxygen.

7. Guld

Guld, muligvis et af de tidligste medicinske metaller, der anvendes, kan prale af fremragende korrosionsbestandighed og biokompatibilitet. Dens formbarhed giver mulighed for nem formning, hvilket gør den til et populært valg i fortiden til forskellige tandreparationer. Denne praksis er dog blevet mindre udbredt, hvor guld nu erstattes afsyntetiske materialeri mange tilfælde.

Selvom guld har nogle biocide egenskaber, er det værd at bemærke, at dets omkostninger og sjældenhed begrænser dets brug. Typisk anvendes guld i meget tynde belægninger i stedet for som solidt guld. Guldbelægninger findes almindeligvis på ledere, ledninger og andre mikroelektroniske komponenter, der anvendes i elektrostimuleringsimplantater ogsensorer.

8. Platin

Platin, et andet dybt stabilt og inert metal, betragtes som en fremragende mulighed for kirurgisk udstyr og udstyr på grund af dets biokompatibilitet og enestående ledningsevne. Delikate platintråde finder udstrakt brug i interne elektroniske implantater som høreapparater og pacemakere. Desuden finder platin sine anvendelser relateret til neurologiske lidelser og overvågning af hjernebølger.

9. Sølv

I lighed med kobber har sølv iboende antimikrobielle egenskaber, hvilket gør det værdifuldt til forskellige anvendelser. Det finder anvendelse i stents og ikke-bærende implantater og er endda inkorporeret i cementholdige forbindelser, der bruges til knogleplastering. Derudover er sølv legeret med zink eller kobber for at producere tandfyldninger.

10. Tantal

Tantal udviser bemærkelsesværdige egenskaber såsom høj varmebestandighed, fremragende bearbejdelighed, modstandsdygtighed over for syrer og korrosion, samt en kombination af duktilitet og styrke. Som et meget porøst ildfast metal letter det knoglevækst og -integrering, hvilket gør det velegnet til implantater i nærværelse af knogle.

Tantal finder anvendelse i forskellige medicinske instrumenter og diagnostiske markørbånd på grund af dets immunitet over for kropsvæsker og korrosionsbestandighed. Fremkomsten af3D printhar gjort det muligt at bruge tantal til kranieknogleudskiftninger og tandanordninger som kroner ellerskrue indlæg. Men på grund af sin sjældenhed og pris, bruges tantal ofte i kompositmaterialer snarere end i sin rene form.

11. Nitinol

Nitinol er en legering, der består af nikkel og titanium, kendt for sin enestående korrosionsbestandighed og biokompatibilitet. Dens unikke krystallinske struktur gør det muligt at udvise superelasticitet og formet hukommelseseffekt. Disse egenskaber har revolutioneret den medicinske udstyrsindustri ved at lade materialet vende tilbage til sin oprindelige form efter deformation, baseret på en specifik temperatur.

I medicinske procedurer, hvor præcision er afgørende, giver nitinol fleksibilitet til at navigere på trange steder, samtidig med at holdbarheden bevares til at modstå betydelige belastninger (op til 8%). Dens lette natur og fremragende ydeevne gør den til et ideelt valg til fremstilling af forskellige biomedicinske applikationer. Eksempler omfatter ortodontiske ledninger, knogleankre, hæfteklammer, afstandsanordninger, hjerteklapværktøjer, guidewirer og stenter. Nitinol kan også bruges til at skabe markører og diagnostiske linjer til lokalisering af brysttumorer, hvilket giver mindre invasive muligheder for brystkræftdiagnose og behandling.

12. Niobium

Niobium, et ildfast specialmetal, finder anvendelse i moderne medicinsk udstyr. Det er anerkendt for sin exceptionelle træghed og biokompatibilitet. Udover dets værdifulde egenskaber, herunder høj termisk og elektrisk ledningsevne, bruges niob ofte til fremstilling af små komponenter til pacemakere.

13. Wolfram

Wolfram er almindeligt anvendt i medicinsk udstyr, især i produktionen af ​​rør til minimalt invasive procedurer som laparoskopi og endoskopi. Den tilbyder mekanisk styrke og kan også opfylde behovet for radiopacitet, hvilket gør den velegnet til fluorescensinspektionsapplikationer. Derudover overgår tungstens tæthed end bly, hvilket gør det til et miljøvenligt alternativ til strålingsafskærmende materialer.

Biokompatible materialer til rådighed til medicinsk udstyr

Når det kommer til biokompatible materialer, der bruges i sundhedsmiljøer, skal de overholde specifikke kriterier, som muligvis ikke gælder for andre produkter.

For eksempel skal de være ikke-toksiske, når de er i kontakt med menneskeligt væv eller kropsvæsker. Derudover bør de have modstandsdygtighed over for kemikalier, der bruges til sterilisering, såsom rengøringsmidler og desinfektionsmidler. I tilfælde af medicinske metaller, der anvendes til implantater, skal de være ikke-toksiske, ikke-ætsende og ikke-magnetiske. Forskning udforsker løbende nye metallegeringer, såvel som andre materialer som f.eksplastogkeramisk , for at vurdere deres egnethed som biokompatible materialer. Desuden kan nogle materialer være sikre til kortvarig kontakt, men ikke egnede til permanente implantater.

På grund af de mange involverede variabler certificerer regulerende organer som FDA i USA sammen med andre globale agenturer ikke råmaterialer til medicinsk udstyr i sig selv. I stedet tildeles klassificeringen det endelige produkt frem for dets bestanddele. Ikke desto mindre forbliver valg af et biokompatibelt materiale det indledende og afgørende skridt hen imod at opnå den ønskede klassificering.

Hvorfor er metaller det foretrukne materiale til komponenter til medicinsk udstyr?

I situationer, hvor der kræves exceptionel styrke og stivhed, er metaller, især i små tværsnit, ofte det foretrukne valg. De er velegnede til komponenter, der skal formes eller bearbejdes til indviklede former, som f.ekssonder , klinger og spidser. Desuden udmærker metaller sig i mekaniske dele, der interagerer med andre metalkomponenter såsom håndtag,gear , slides og triggere. De er også velegnede til komponenter, der gennemgår højvarmesterilisering eller kræver overlegne mekaniske og fysiske egenskaber sammenlignet med polymerbaserede materialer.

Metaller tilbyder typisk en holdbar og blank overflade, der letter rengøring og sterilisering. Titanium, titanlegeringer, rustfrit stål og nikkellegeringer er meget populære i medicinsk udstyr på grund af deres evne til at opfylde strenge rengøringskrav i sundhedsapplikationer. Omvendt er metaller, der er tilbøjelige til ukontrolleret og destruktiv overfladeoxidation, såsom stål, aluminium eller kobber, udelukket fra sådanne anvendelser. Disse højtydende metaller kan prale af unikke egenskaber, nogle begrænsninger og enestående alsidighed. Arbejdet med disse materialer kræver innovative designtilgange, som kan afvige fra dem, der typisk anvendes med standardmetaller eller plastik, hvilket tilbyder en lang række muligheder for produktingeniører.

Foretrukne former for visse metal brugt til medicinsk udstyr

Der er flere former for titanlegeringer, rustfrit stål og hærdelige legeringer, der almindeligvis anvendes i den medicinske industri, herunder plade, stang, folie, strimmel, plade, stang og tråd. Disse forskellige former er nødvendige for at opfylde de specifikke krav til komponenter til medicinsk udstyr, som ofte er små og komplekse af natur.

For at fremstille disse former, automatiskstemplingspresser er typisk ansat. Strimler og tråd er de mest almindeligt anvendte udgangsmaterialer til denne type forarbejdning. Disse mølleformer kommer i forskellige størrelser med strimmeltykkelser fra ultratynd folie på 0,001 in. til 0,125 in. og fladtråd tilgængelig i tykkelser på 0,010 in. til 0,100 in. og bredder på 0,150 in. til 0,750 in. .

Overvejelser ved brug af metaller til fremstilling af medicinsk udstyr

I denne sektor vil vi gennemgå fire hovedfaktorer, når vi bruger metaller til fremstilling af medicinsk udstyr, nemlig bearbejdning, formbarhed, hårdhedskontrol ogoverfladebehandling.

1. Bearbejdning

Bearbejdningsegenskaberne for 6-4-legeringen minder meget om austenitisk rustfrit stål, hvor begge materialer vurderer omkring 22 % af AISI B-1112 stål. Det skal dog bemærkes, at titanium reagerer med karbidværktøj, og denne reaktion intensiveres af varme. Derfor anbefales det at bruge kraftig oversvømmelse med skærevæske ved bearbejdning af titanium.

Det er vigtigt at undgå at bruge væsker, der indeholder halogen, da de kan udgøre en risiko for at forårsage spændingskorrosion, hvis de ikke fjernes grundigt efter bearbejdning.

2. Formbarhed

Stampers foretrækker typisk materialer, der er lette til koldform. Det er dog værd at bemærke, at formbarhed er omvendt relateret til de specifikke egenskaber, som købere søger, når de vælger disse legeringer, såsom fremragende hårdhed og styrke.

For eksempel skal kirurgiske hæfteklammer have maksimal styrke for at forhindre adskillelse, selv med et meget slankt tværsnit. Samtidig skal de være ekstremt formbare for at tillade kirurger at lukke dem tæt uden at kræve invasive hæfteværktøjer.

At opnå en balance mellem styrke og formbarhed kan effektivt opnås under reroll-fasen. Ved forsigtigt at rulle båndet til den ønskede tykkelse og anvende udglødning mellem passager for at modvirke virkningerne af arbejdshærdning, opnås et optimalt niveau af formbarhed.

Rerollers anvender en proces med alternerende varmebehandling ogkoldvalsningat tilvejebringe et formbart materiale, der er velegnet til formning, tegning og stansning ved brug af konventionelt multislide- og multidie-stemplingsudstyr.

Mens duktiliteten af ​​titanium og dets legeringer kan være lavere end for andre almindeligt anvendte strukturelle metaller, kan båndprodukter stadig let dannes ved stuetemperatur, omend med en langsommere hastighed end rustfrit stål.

Efter koldformning udviser titanium fjeder tilbage på grund af dets lave elasticitetsmodul, som er cirka halvdelen af ​​stål. Det er værd at bemærke, at graden af ​​tilbagespring stiger med metallets styrke.

Når indsatsen ved stuetemperatur ikke er tilstrækkelig, kan formningsoperationer udføres ved forhøjede temperaturer, eftersom duktiliteten af ​​titan stiger med temperaturen. Generelt er ulegerede titanium strimler og plader koldformede.

Der er dog en undtagelse foralfa-legeringer , som lejlighedsvis opvarmes til temperaturer mellem 600°F til 1200°F for at forhindre tilbagespring. Det er værd at bemærke, at ud over 1100°F bliver oxidation af titaniumoverflader et problem, så en afkalkningsoperation kan være nødvendig.

Da titaniums koldsvejseegenskab er højere end rustfrit ståls, er korrekt smøring afgørende, når du udfører enhver operation, der involverer titanium, der kommer i kontakt medmetal matricereller formningsudstyr.

3. Hårdhedskontrol

Anvendelse af en valse- og udglødningsproces for at opnå en balance mellem formbarhed og styrke i legeringer. Ved udglødning mellem hver valsegang elimineres virkningerne af arbejdshærdning, hvilket resulterer i det ønskede temperament, der bibeholder materialets styrke og samtidig giver den nødvendige formbarhed.

For at opfylde strenge specifikationer og minimere omkostninger, eksperter påHUAYI GRUPPE kan hjælpe med legeringsvalg og tilbyde omfattende løsninger til din medicinske metalbearbejdning. Dette sikrer, at legeringerne besidder den ønskede kombination af egenskaber, tilpasset de specifikke krav og begrænsninger.

4. Overfladefinish

Under genrulningsfasen bestemmes overfladefinishen af ​​titanium-baserede og rustfri stålbåndprodukter. Designere har en række muligheder at vælge imellem, herunder en lys og reflekterende finish, en mat overflade, der letter smøreoverførsel, eller andre specialiserede overflader, der er nødvendige til limning, lodning eller svejseformål.

Overfladefinishen skabes af kontakten mellem arbejdsvalserne og materialet i valseværket. For eksempel giver brug af højpolerede hårdmetalvalser en spejlblank og reflekterende finish, mens kugleblæste stålvalser giver en mat finish med en ruhed på 20-40 µin. RMS. Kugleblæste hårdmetalvalser giver en mat finish med en 18-20 µin. RMS ruhed.

Denne proces er i stand til at producere en overflade med en ruhed på op til 60 µin. RMS, som repræsenterer et relativt højt niveau afoverfladeruhed.

Almindeligt anvendte metaller og legeringer til medicinske applikationer

Rustfrit stål, titanium og nikkel-baserede legeringer opfattes som mere avancerede materialer sammenlignet med konventionelle. Men de bringer også en bredere vifte af muligheder til bordet. Disse materialer har evnen til at ændre deres mekaniske egenskaber gennem processer som opvarmning, afkøling og bratkøling. Desuden kan de under behandlingen gennemgå yderligere ændringer efter behov. For eksempel kan valsning af metaller til tyndere målere øge deres hårdhed, mens udglødning kan genoprette deres egenskaber til et præcist temperament, hvilket giver mulighed for omkostningseffektiv formgivning.

Disse metaller fungerer godt imedicinske applikationer . De udviser enestående korrosionsbestandighed, har høje mekaniske egenskaber, tilbyder en bred vifte af overfladebehandlingsmuligheder og giver fremragende alsidighed i produktionen, når designere bliver fortrolige med deres kompleksitet.

Konklusion

Når man fremstiller medicinsk udstyr, er det afgørende omhyggeligt at vælge de passende metaller. Almindeligvis anvendte metaller til dette formål omfatter rustfrit stål, titanium, koboltkrom, kobber, tantal og platin. Disse metaller foretrækkes på grund af deres fremragende biokompatibilitet og holdbarhed. Selvom palladium også vinder anerkendelse, er dets udnyttelse relativt begrænset på grund af dets højere omkostninger. Vi håber, at denne guide vil hjælpe dig med at finde det passende metal, der opfylder dine medicinske projekter eller applikationer.