Optimización de metais para a fabricación de dispositivos médicos

O aumento dos casos de COVID-19 provocou unha maior demanda de equipos médicos, o que, á súa vez, fixo fincapé na importancia da selección de materiais para os deseñadores e fabricantes de dispositivos médicos. É fundamental escoller os materiais axeitados para pezas e equipos médicos para garantir a usabilidade, a calidade e o cumprimento dos estándares. Optar polos materiais axeitados pode ofrecer os beneficios da máxima rendibilidade e fiabilidade.

Os biomateriais metálicos ou metais médicos foron amplamente utilizados na produción de axudas e ferramentas cirúrxicas, ofrecendo unha ampla gama de opcións para escoller. O avance exitoso de materiais como a aliaxe de cobalto-cromo, aceiro inoxidable, titanio e varias aliaxes, xunto coa súa ampla utilización en odontoloxía e ortopedia, estableceu firmemente a importancia dos materiais médicos metálicos na fabricación de dispositivos médicos.

Ao deseñar dispositivos para fins médicos e sanitarios, é de gran importancia que os fabricantes teñan coidado á hora de seleccionar as materias primas adecuadas. Ademais de cumprir as especificacións de enxeñería necesarias para a aplicación, os materiais escollidos tamén deben garantir a ausencia de riscos potenciais ao entrar en contacto co corpo humano ou cos distintos produtos químicos que se atopan habitualmente en ambientes clínicos. Débese considerar coidadosamente tanto os requisitos funcionais como a compatibilidade dos materiais co uso previsto.

Nos sectores da medicina e da saúde, numerosos metais puros e aliaxes metálicas demostraron o seu valor. Este artigo analizará os trece tipos máis comúns de biomateriais metálicos e metais utilizados na fabricación de dispositivos médicos.

• 13 Tipos de metais para a fabricación de pezas e dispositivos médicos

Vexamos os trece tipos máis comúns de metais puros e aliaxes metálicas, as súas aplicacións e os seus pros e contras na fabricación de dispositivos médicos e sanitarios.

1. Aceiro inoxidable

Aceiro inoxidable é moi axeitado para unha ampla gama de aparellos médicos debido á súa natureza non tóxica, non corrosiva e duradeira. Ademais, pódese pulir ata conseguir un acabado fino que se pode limpar facilmente. Como o aceiro inoxidable está dispoñible en diferentes variacións, cada unha con propiedades mecánicas e químicas únicas, é fundamental seleccionar o tipo adecuado.

O aceiro inoxidable 316 e 316L son os tipos máis utilizados para implantes médicos e piercings corporales debido á súa excepcional resistencia á corrosión. Este atributo é esencial para previr a corrosión do torrente sanguíneo, que pode provocar infeccións e consecuencias potencialmente mortais. Ademais, o aceiro inoxidable contén variedades baixas de níquel, polo que os pacientes raramente sofren reaccións alérxicas ao níquel.

O aceiro inoxidable 440 utilízase habitualmente na produción de ferramentas cirúrxicas. Aínda que pode ofrecer unha menor resistencia á corrosión en comparación co 316, o seu maior contido de carbono permitetratamento térmico, resultando na creación debordos afiados adecuado para instrumentos de corte. O aceiro inoxidable atopa un uso xeneralizado en ortopedia, como na substitución das articulacións da cadeira e na estabilización de ósos fracturados mediante parafusos e placas. Ademais, úsase con frecuencia para fabricar ferramentas cirúrxicas duradeiras e fáciles de limpar como pinzas hemostáticas, pinzas, fórceps e outros equipos que requiren durabilidade e esterilidade.

Dado que o aceiro inoxidable contén ferro, o que pode provocar corrosión co paso do tempo, existe un risco para o tecido circundante xa que o implante se deteriora. En comparación, os metais médicos como o titanio ou o cromo cobalto ofrecen unha maior resistencia á corrosión. Non obstante, teña en conta que estes metais alternativos poden ser máis custosos.

2. Cobre

Debido á súa forza relativamente débil,cobre non se utiliza moito para producir equipos e implantes cirúrxicos. Non obstante, as súas notables propiedades antibacterianas e antivirais fan que sexa unha opción prevalente no campo da cirurxía e da prevención de enfermidades.

O uso directo de cobre para implantes médicos é pouco común debido á súa suavidade e á súa potencial toxicidade dentro do tecido. Non obstante, algunhas aliaxes de cobre aínda se empregan nos implantes dentais e para mitigar os riscos de infeccióncirurxías de transplante óseo.

O cobre realmente destaca como metal médico debido ás súas excepcionais propiedades antivirais e antibacterianas. Isto fai que o cobre sexa un material ideal para superficies que se tocan con frecuencia, como tiradores de portas, barras de cama e interruptores. O que distingue ao cobre é que oFDAaprobou máis de 400 aliaxes de cobre diferentes como biocidas, previndo eficazmente a transmisión de virus como o SARS-CoV-2.

Cando se expón ao medio ambiente, o cobre puro sofre facilmente unha oxidación, dando como resultado unha cor verdosa. A pesar diso, mantén as súas propiedades antimicrobianas. Non obstante, algunhas persoas poden percibir a decoloración como pouco atractiva. Para facer fronte a isto, as aliaxes úsanse habitualmente, que ofrecen diferentes niveis de eficacia contra os microbios. Outra opción é aplicar revestimentos de película fina para evitar a oxidación preservando as propiedades antibacterianas do cobre.

3. Titanio

Titanio é moi favorecida entre os metais que se utilizan habitualmente na produción de dispositivos médicos. Ademais de equipos médicos internos, tamén se emprega na fabricación de dispositivos externos como instrumentos cirúrxicos, equipos dentais e equipos ortopédicos. O titanio puro, coñecido por ser extremadamente inerte, é a opción máis custosa que adoita reservarse para compoñentes de alta fiabilidade ou aqueles destinados ao uso a longo prazo dentro do corpo dun paciente despois da cirurxía.

Hoxe en día, o titanio emprégase con frecuencia como substitución do aceiro inoxidable, especialmente na produción de soportes óseos e substitutos. O titanio posúe unha resistencia e durabilidade comparables ao do aceiro inoxidable, aínda que é máis lixeiro. Ademais, presenta excelentes propiedades de biocompatibilidade.

As aliaxes de titanio tamén son moi adecuadas para implantes dentais. Isto atribúese ao feito de que o titanio se pode utilizarImpresión 3D de metal para fabricar compoñentes totalmente personalizados baseados nas exploracións e raios X dun paciente. Isto permite un axuste impecable e unha solución personalizada.

O titanio destaca pola súa natureza lixeira e robusta, superando o aceiro inoxidable en canto a resistencia á corrosión. Non obstante, hai certas limitacións a considerar. As aliaxes de titanio poden presentar unha resistencia insuficiente á fatiga por flexión baixo cargas dinámicas continuas. Ademais, cando se emprega en xuntas de substitución, o titanio non é tan resistente á fricción e ao desgaste.

4. Cromo cobalto

Composto por cromo e cobalto,cromo cobalto é unha aliaxe que ofrece varias vantaxes para os instrumentos cirúrxicos. A súa idoneidade paraImpresión 3DeMecanizado CNC permite dar forma cómoda ás formas desexadas. Ademais,electropulido implícase para garantir unha superficie lisa, minimizando o risco de contaminación. Con excelentes atributos como resistencia, resistencia ao desgaste e resistencia ás altas temperaturas, o cromo cobalto está entre as principais opcións para as aliaxes metálicas. A súa biocompatibilidade faino ideal para próteses ortopédicas, substitucións articulares e implantes dentais.

As aliaxes de cromo cobalto son metais médicos moi apreciados que se usan para substituír as tomas de cadeira e ombreiro. Non obstante, houbo preocupacións sobre a liberación potencial de ións de cobalto, cromo e níquel no torrente sanguíneo a medida que estas aliaxes se desgastan gradualmente co paso do tempo.

5. Aluminio

Raramente en contacto directo co corpo,aluminio segue sendo amplamente utilizado na produción de varios equipos de apoio que requiren propiedades lixeiras, robustas e resistentes á corrosión. Os exemplos inclúen stents intravenosos, bastóns, marcos de cama, cadeiras de rodas e stents ortopédicos. Debido á súa tendencia a oxidarse ou oxidarse, os compoñentes de aluminio normalmente requiren procesos de pintura ou anodizado para mellorar a súa durabilidade e vida útil.

6. Magnesio

As aliaxes de magnesio son metais médicos coñecidos pola súa excepcional lixeireza e resistencia, que se asemellan ao peso e densidade do óso natural. Ademais, o magnesio demostra bioseguridade xa que se biodegrada de forma natural e segura ao longo do tempo. Esta propiedade faino axeitado para stents temporais ou substitucións de enxertos óseos, eliminando a necesidade de procedementos de eliminación secundarios.

Non obstante, o magnesio oxidase rapidamente, o que fai necesariotratamento superficial . Ademais, o mecanizado de magnesio pode ser un reto e hai que tomar precaucións para evitar reaccións potencialmente volátiles co osíxeno.

7. Ouro

O ouro, posiblemente un dos metais médicos máis antigos utilizados, posúe unha excelente resistencia á corrosión e biocompatibilidade. A súa maleabilidade permite un fácil conformado, polo que é unha opción popular no pasado para varias reparacións dentais. Non obstante, esta práctica fíxose menos frecuente, e agora o ouro está sendo substituído pormateriais sintéticosen moitos casos.

Aínda que o ouro posúe algunhas propiedades biocidas, paga a pena notar que o seu custo e rareza limitan o seu uso. Normalmente, o ouro emprégase en chapas moi finas e non como ouro sólido. Os chapados en ouro atópanse habitualmente en condutores, fíos e outros compoñentes microelectrónicos utilizados en implantes de electroestimulación esensores.

8. Platino

O platino, outro metal profundamente estable e inerte, considérase unha excelente opción para dispositivos e equipos cirúrxicos debido á súa biocompatibilidade e condutividade excepcional. Os delicados fíos de platino atopan un uso extensivo en implantes electrónicos internos como audífonos e marcapasos. Ademais, o platino atopa as súas aplicacións relacionadas con trastornos neurolóxicos e co seguimento das ondas cerebrais.

9. Prata

Semellante ao cobre, a prata posúe propiedades antimicrobianas inherentes, polo que é valiosa en varias aplicacións. Atopa utilidade en stents e implantes non portantes, e mesmo se incorpora a compostos cementosos utilizados para o revoco óseo. Ademais, a prata é aliada con zinc ou cobre para producir obturacións dentais.

10. Tántalo

O tantalio presenta características notables como unha alta resistencia á calor, excelente traballabilidade, resistencia aos ácidos e á corrosión, así como unha combinación de ductilidade e resistencia. Como metal refractario altamente poroso, facilita o crecemento e a integración ósea, polo que é adecuado para implantes en presenza de óso.

O tantalio atopa aplicación en varios instrumentos médicos e cintas marcadoras de diagnóstico debido á súa inmunidade aos fluídos corporais e á resistencia á corrosión. A chegada deImpresión 3Dpermitiu que o tantalio se utilice en substitucións óseas craniais e en dispositivos dentais como coroas ouparafuso publicacións. Non obstante, debido á súa rareza e custo, o tántalo úsase a miúdo en materiais compostos e non na súa forma pura.

11. Nitinol

O nitinol é unha aliaxe formada por níquel e titanio, coñecida pola súa excepcional resistencia á corrosión e biocompatibilidade. A súa estrutura cristalina única permítelle mostrar superelasticidade e efecto de memoria en forma. Estas propiedades revolucionaron a industria dos dispositivos médicos ao permitir que o material volva á súa forma orixinal despois da deformación, en función dunha temperatura específica.

Nos procedementos médicos nos que a precisión é crucial, o nitinol ofrece flexibilidade para navegar por espazos reducidos mantendo a durabilidade para soportar unha tensión substancial (ata un 8%). A súa natureza lixeira e excelente rendemento fan que sexa unha opción ideal para fabricar varias aplicacións biomédicas. Os exemplos inclúen fíos de ortodoncia, ancoraxes óseas, grapas, dispositivos espaciadores, ferramentas para válvulas cardíacas, fíos guía e stents. O nitinol tamén se pode utilizar para crear marcadores e liñas de diagnóstico para localizar tumores de mama, ofrecendo opcións menos invasivas para o diagnóstico e tratamento do cancro de mama.

12. Niobio

O niobio, un metal especial refractario, atopa aplicación en equipos médicos modernos. É recoñecido pola súa excepcional inercia e biocompatibilidade. Ademais dos seus valiosos atributos, incluíndo a alta condutividade térmica e eléctrica, o niobio utilízase con frecuencia na produción de pequenos compoñentes para marcapasos.

13. Volframio

O volframio úsase habitualmente en equipos médicos, especialmente na produción de tubos para procedementos mínimamente invasivos como a laparoscopia e a endoscopia. Ofrece resistencia mecánica e tamén pode satisfacer a necesidade de radiopacidade, polo que é adecuado para aplicacións de inspección de fluorescencia. Ademais, a densidade do volframio supera a do chumbo, polo que é unha alternativa ecolóxica para os materiais de protección contra a radiación.

Materiais biocompatibles dispoñibles para dispositivos médicos

Cando se trata de materiais biocompatibles utilizados en ámbitos sanitarios, deben cumprir criterios específicos que poden non aplicarse a outros produtos.

Por exemplo, deben ser non tóxicos cando están en contacto con tecidos humanos ou fluídos corporais. Ademais, deben posuír resistencia aos produtos químicos utilizados para a esterilización, como produtos de limpeza e desinfectantes. No caso dos metais médicos utilizados para implantes, deben ser non tóxicos, non corrosivos e non magnéticos. A investigación explora continuamente novas aliaxes metálicas, así como outros materiais comoplásticoecerámica , para valorar a súa idoneidade como materiais biocompatibles. Ademais, algúns materiais poden ser seguros para o contacto a curto prazo pero non son apropiados para implantes permanentes.

Debido ás numerosas variables implicadas, os organismos reguladores como a FDA dos Estados Unidos, xunto con outras axencias mundiais, non certifican materias primas para dispositivos médicos en si. Pola contra, a clasificación asígnase ao produto final e non ao seu material constituínte. Non obstante, a selección dun material biocompatible segue sendo o paso inicial e crucial para acadar a clasificación desexada.

Por que os metais son o material preferido para os compoñentes dos dispositivos médicos?

En situacións nas que se require unha resistencia e rixidez excepcionais, os metais, especialmente en seccións transversais pequenas, adoitan ser a opción preferida. Son moi axeitados para compoñentes que precisan ser moldeados ou mecanizados en formas complicadas, comosondas , láminas e puntas. Ademais, os metais destacan en pezas mecánicas que interactúan con outros compoñentes metálicos como pancas,engrenaxes , diapositivas e disparadores. Tamén son axeitados para compoñentes que se someten a esterilización a alta temperatura ou requiren propiedades mecánicas e físicas superiores en comparación cos materiais baseados en polímeros.

Os metais normalmente ofrecen unha superficie duradeira e brillante que facilita a limpeza e esterilización. O titanio, as aliaxes de titanio, o aceiro inoxidable e as aliaxes de níquel son moi favorecidos nos equipos médicos debido á súa capacidade para cumprir os estritos requisitos de limpeza en aplicacións sanitarias. Pola contra, os metais propensos a unha oxidación superficial incontrolada e destrutiva, como o aceiro, o aluminio ou o cobre, están excluídos de tales aplicacións. Estes metais de alto rendemento posúen propiedades únicas, algunhas limitacións e unha versatilidade excepcional. Traballar con estes materiais require enfoques de deseño innovadores, que poden diferir dos que se empregan normalmente con metais ou plásticos estándar, ofrecendo unha multitude de posibilidades para os enxeñeiros de produtos.

Formas preferidas de certos metais utilizados para dispositivos médicos

Existen varias formas de aliaxes de titanio, aceiro inoxidable e aliaxes endurecibles que se usan habitualmente na industria médica, incluíndo placas, varillas, follas, tiras, follas, barras e arames. Estas diferentes formas son necesarias para satisfacer os requisitos específicos dos compoñentes dos dispositivos médicos, que adoitan ser de natureza pequena e complexa.

Para fabricar estas formas, automáticaprensas de estampación adoitan empregarse. As tiras e o fío son os materiais de partida máis utilizados para este tipo de procesamento. Estas formas de molino veñen en varios tamaños, con espesores de tiras que van desde follas ultrafinas de 0,001 polgadas a 0,125 polgadas, e fío plano dispoñible en grosores de 0,010 polgadas a 0,100 polgadas e anchos de 0,150 polgadas a 0,750 polgadas. .

Consideracións para o uso de metais na fabricación de dispositivos médicos

Neste sector, pasaremos por catro factores principais á hora de usar metais para a fabricación de dispositivos médicos, é dicir, o mecanizado, a conformabilidade, o control de dureza eacabado superficial.

1. Mecanizado

As propiedades de mecanizado da aliaxe 6-4 parécense moito ás dos aceiros inoxidables austeníticos, sendo ambos os dous materiais clasificados en torno ao 22% do aceiro AISI B-1112. Non obstante, hai que ter en conta que o titanio reacciona coas ferramentas de carburo, e esta reacción é intensificada pola calor. Polo tanto, recoméndase utilizar unha inundación intensa con fluído de corte ao mecanizar titanio.

É importante evitar o uso de fluídos que conteñan halóxenos, xa que poden supoñer un risco de provocar corrosión por tensión se non se eliminan completamente despois das operacións de mecanizado.

2. Formabilidade

Os estampadores normalmente prefiren materiais que sexan fáciles de enfriar. Non obstante, cómpre sinalar que a conformabilidade está inversamente relacionada coas propiedades específicas que os compradores buscan á hora de seleccionar estas aliaxes, como a excelente dureza e resistencia.

Por exemplo, as grapas cirúrxicas deben posuír a máxima forza para evitar a separación, mesmo cunha sección transversal moi delgada. Ao mesmo tempo, deben ser extremadamente formables para que os cirurxiáns poidan pechalos firmemente sen necesidade de ferramentas de grapas invasivas.

Conseguir un equilibrio entre forza e formabilidade pódese conseguir de forma eficaz durante a fase de reroll. Ao rolar coidadosamente a tira ata o calibre desexado e empregando o recocido entre pasadas para contrarrestar os efectos do endurecemento por traballo, conséguese un nivel óptimo de conformación.

Os rerollers empregan un proceso de tratamento térmico alternado elaminación en fríopara proporcionar un material conformable que sexa ben axeitado para conformar, debuxar e perforar utilizando equipos convencionais de estampación multicorrente e multitroquel.

Aínda que a ductilidade do titanio e as súas aliaxes pode ser menor que a doutros metais estruturais de uso común, os produtos de tira aínda poden formarse facilmente a temperatura ambiente, aínda que a un ritmo máis lento que o aceiro inoxidable.

Despois do conformado en frío, o titanio presenta un retorno de resorte debido ao seu baixo módulo de elasticidade, que é aproximadamente a metade do aceiro. Paga a pena notar que o grao de retroceso da primavera aumenta coa forza do metal.

Cando os esforzos a temperatura ambiente non son suficientes, as operacións de conformación pódense realizar a temperaturas elevadas xa que a ductilidade do titanio aumenta coa temperatura. Xeralmente, as tiras e follas de titanio sen aleación son formadas en frío.

Non obstante, hai unha excepción paraaliaxes alfa , que ocasionalmente se quentan a temperaturas entre 600 °F e 1200 °F para evitar o retorno da primavera. Paga a pena ter en conta que máis aló dos 1100 °F, a oxidación das superficies de titanio convértese nunha preocupación, polo que pode ser necesaria unha operación de descalcificación.

Dado que o atributo de soldadura en frío do titanio é superior ao do aceiro inoxidable, a lubricación adecuada é fundamental cando se realiza calquera operación que implique o titanio que entre en contacto controqueles metálicosou equipos de conformación.

3. Control de dureza

Utilizando un proceso de laminación e recocido para conseguir un equilibrio entre conformabilidade e resistencia nas aliaxes. Ao recocer entre cada pasada de laminación, elimínanse os efectos do endurecemento por traballo, obtendo o tempero desexado que mantén a resistencia do material ao tempo que proporciona a conformabilidade necesaria.

Para cumprir especificacións rigorosas e minimizar os custos, expertos enGRUPO HUAYI pode axudar na selección de aliaxes e ofrecer solucións completas para o seu mecanizado médico de metais. Isto garante que as aliaxes posúan a combinación desexada de propiedades, aliñadas cos requisitos e restricións específicas.

4. Acabado superficial

Durante a fase de reroll, determínase o acabado superficial dos produtos de tiras a base de titanio e de aceiro inoxidable. Os deseñadores teñen unha variedade de opcións para escoller, incluíndo un acabado brillante e reflectante, unha superficie mate que facilite a transferencia de lubricación ou outras superficies especializadas necesarias para unir, soldar ou soldar.

Os acabados superficiais son creados polo contacto entre os rolos de traballo e o material no laminador. Por exemplo, o uso de rolos de carburo altamente pulido dá como resultado un acabado brillante e reflectante, mentres que os rolos de aceiro granallado producen un acabado mate cunha rugosidade de 20-40 µin. RMS. Os rolos de carburo granallado proporcionan un acabado mate cun 18-20 µin. Rugosidade RMS.

Este proceso é capaz de producir unha superficie cunha rugosidade de ata 60 µin. RMS, que representa un nivel relativamente alto derugosidade superficial.

Metais e aliaxes de uso común para aplicacións médicas

O aceiro inoxidable, o titanio e as aliaxes a base de níquel percíbense como materiais máis avanzados en comparación cos convencionais. Non obstante, tamén achegan unha gama máis ampla de capacidades á mesa. Estes materiais teñen a capacidade de modificar as súas características mecánicas mediante procesos como o quecemento, o arrefriamento e o enfriamento. Ademais, durante o procesamento, poden sufrir máis modificacións segundo sexa necesario. Por exemplo, enrolar metais en calibres máis finos pode aumentar a súa dureza, mentres que o recocido pode restaurar as súas propiedades a un temperado preciso, permitindo unha conformación rendible.

Estes metais funcionan benaplicacións médicas . Presentan unha resistencia á corrosión excepcional, posúen altas capacidades mecánicas, ofrecen unha ampla gama de opcións de tratamento de superficies e ofrecen unha excelente versatilidade de produción unha vez que os deseñadores se familiarizan coa súa complexidade.

Conclusión

Ao fabricar equipos médicos, é fundamental escoller coidadosamente os metais axeitados. Os metais que se usan habitualmente para este fin inclúen o aceiro inoxidable, o titanio, o cromo cobalto, o cobre, o tántalo e o platino. Estes metais son preferidos pola súa excelente biocompatibilidade e durabilidade. Aínda que o paladio tamén está a gañar recoñecemento, a súa utilización é relativamente limitada debido aos seus custos máis elevados. Agardamos que esta guía che axude a atopar o metal axeitado que cumpra os teus proxectos ou aplicacións médicas.