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, kvaliteta i usklađenost sa standardima. Odabir pravih materijala može ponuditi prednosti maksimalne isplativosti i pouzdanosti.
Metalni biomaterijali ili medicinski metali naširoko se koriste u proizvodnji kirurških pomagala i alata, nudeći širok raspon mogućnosti izbora. Uspješan napredak materijala poput legure kobalta i kroma, nehrđajućeg čelika, titana i raznih legura, zajedno s njihovom širokom primjenom 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 pri odabiru odgovarajućih sirovina. Osim ispunjavanja potrebnih tehničkih specifikacija za primjenu, odabrani materijali također moraju osigurati odsutnost bilo kakvih potencijalnih rizika u kontaktu s ljudskim tijelom ili raznim kemikalijama koje se uobičajeno susreću u kliničkim okruženjima. Moraju se pažljivo razmotriti i funkcionalni zahtjevi i kompatibilnost materijala s predviđenom uporabom.
U sektoru medicine i zdravstva brojni čisti metali i metalne legure dokazali su svoju vrijednost. Ovaj će članak proći kroz trinaest najčešćih vrsta metalnih biomaterijala i metala koji se koriste u proizvodnji medicinskih uređaja.
- 13 vrsta metala za proizvodnju medicinskih dijelova i uređaja
Pogledajmo trinaest najčešćih tipova čistih metala i metalnih legura, njihovu primjenu te prednosti i mane u proizvodnji medicinskih i zdravstvenih uređaja.
1. Nehrđajući čelik
Ne hrđajući Čelik vrlo je prikladan za širok raspon medicinskih uređaja zbog svoje netoksične, nekorozivne i izdržljive prirode. Štoviše, može se polirati do finog finiša koji se lako čisti. Kako je nehrđajući čelik dostupan u različitim varijantama, od kojih svaka ima jedinstvena mehanička i kemijska svojstva, odabir odgovarajuće vrste je ključan.
Nehrđajući čelik 316 i 316L najčešće su korišteni tipovi za medicinske implantate i piercinge zbog njihove izuzetne otpornosti na koroziju. Ovaj je atribut bitan u sprječavanju korozije krvotoka, koja može dovesti do infekcija i potencijalno kobnih posljedica. Štoviše, nehrđajući čelik sadrži varijante s niskim udjelom nikla pa pacijenti rijetko pate od alergijskih reakcija na nikal.
Nehrđajući čelik 440 obično se koristi u proizvodnji kirurških alata. Iako može ponuditi nižu otpornost na koroziju u usporedbi s 316, njegov viši sadržaj ugljika to dopuštatoplinska obrada, što je rezultiralo stvaranjemoštri rubovi pogodan za rezne instrumente. Nehrđajući čelik nalazi široku primjenu u ortopediji, kao što je zamjena zglobova kuka i stabilizacija slomljenih kostiju pomoću vijaka i ploča. Štoviše, često se koristi za proizvodnju izdržljivih kirurških alata koji se lako čiste kao što su hemostati, pincete, pincete i druge opreme koja zahtijeva i izdržljivost i sterilnost.
Budući da nehrđajući čelik sadrži željezo, koje s vremenom može dovesti do korozije, postoji rizik za okolno tkivo jer se implantat kvari. Za usporedbu, medicinski metali poput titana ili kobaltnog kroma nude veću otpornost na koroziju. Međutim, imajte na umu da ti alternativni metali mogu biti skuplji.
2. Bakar
Zbog svoje relativno slabije čvrstoće,bakar ne koristi se u velikoj mjeri za proizvodnju kirurške opreme i implantata. Međutim, njegova značajna antibakterijska i antivirusna svojstva čine ga prevladavajućim izborom u području kirurgije i prevencije bolesti.
Izravna uporaba bakra za medicinske implantate nije uobičajena zbog njegove mekoće i potencijalne toksičnosti unutar tkiva. Međutim, određene bakrene legure još uvijek se koriste u zubnim implantatima i za smanjenje rizika od infekcijeoperacije transplantacije kostiju.
Bakar doista briljira kao medicinski metal zbog svojih iznimnih 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 po čemu se bakar izdvaja je toFDAodobrio je više od 400 različitih bakrenih legura kao biocidne, učinkovito sprječavajući prijenos virusa poput SARS-CoV-2.
Kada je izložen okolišu, čisti bakar lako podliježe oksidaciji, što rezultira zelenkastom bojom. Unatoč tome, zadržava svoja antimikrobna svojstva. Međutim, neki pojedinci mogu promjenu boje doživjeti kao neprivlačnu. Kako bi se to riješilo, obično se koriste legure koje nude različite razine učinkovitosti protiv mikroba. Druga mogućnost je nanošenje tankoslojnih premaza za sprječavanje oksidacije uz očuvanje antibakterijskih svojstava bakra.
3. Titanij
Titanij vrlo je omiljen među metalima koji se obično koriste u proizvodnji medicinskih uređaja. Osim unutarnje medicinske opreme, također se koristi u proizvodnji vanjskih uređaja poput kirurških instrumenata, stomatološke opreme i ortopedske opreme. Čisti titan, poznat po tome što je izuzetno inertan, najskuplja je opcija često rezervirana za komponente ultra visoke pouzdanosti ili one namijenjene dugotrajnoj uporabi u tijelu pacijenta nakon operacije.
Titan se danas često koristi kao zamjena za nehrđajući čelik, posebice u proizvodnji nosača i nadomjestaka za kosti. Titan posjeduje snagu i izdržljivost usporedivu s nehrđajućim čelikom, a istovremeno je lakši. Nadalje, pokazuje izvrsna svojstva biokompatibilnosti.
Legure titana vrlo su pogodne i za zubne implantate. To se pripisuje činjenici da se titan može koristiti umetalni 3D ispis za izradu potpuno prilagođenih komponenti na temelju skeniranja i rendgenskih snimaka pacijenta. To omogućuje besprijekorno pristajanje i personalizirano rješenje.
Titan se ističe svojom laganom i robusnom prirodom, nadmašujući nehrđajući čelik u smislu otpornosti na koroziju. Unatoč tome, postoje određena ograničenja koja treba uzeti u obzir. Legure titana mogu pokazivati nedovoljnu otpornost na zamor savijanjem pod kontinuiranim dinamičkim opterećenjima. Štoviše, kada se koristi u zamjenskim zglobovima, titan nije toliko otporan na trenje i habanje.
4. Kobalt krom
Sastoji se od kroma i kobalta,kobalt krom je legura koja nudi nekoliko prednosti za kirurške instrumente. Njegova prikladnost za3D printanjeiCNC obrada omogućuje praktično oblikovanje željenih oblika. Nadalje,elektropoliranje implementiran je kako bi se osigurala glatka površina, smanjujući rizik od kontaminacije. S izvrsnim svojstvima kao što su čvrstoća, otpornost na habanje i otpornost na visoke temperature, kobalt krom je među najboljim izborima za metalne legure. Njegova biokompatibilnost čini ga idealnim za ortopedsku protetiku, nadomjestke zglobova i zubne implantate.
Legure kobaltnog kroma visoko su cijenjeni medicinski metali koji se koriste za zamjenu čašica kuka i ramena. Međutim, postoji zabrinutost u vezi s potencijalnim otpuštanjem iona kobalta, kroma i nikla u krvotok jer se te legure postupno troše tijekom vremena.
5. Aluminij
Rijetko u izravnom kontaktu s tijelom,aluminij i dalje se naširoko 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 sklonosti hrđanju ili oksidaciji, aluminijske komponente obično zahtijevaju procese bojanja ili eloksiranja kako bi se povećala njihova izdržljivost i vijek trajanja.
6. Magnezij
Magnezijeve legure su medicinski metali poznati po svojoj iznimnoj lakoći i čvrstoći, nalik težini i gustoći prirodne kosti. Štoviše, magnezij pokazuje biološku sigurnost jer se prirodno i sigurno biorazgrađuje tijekom vremena. Ovo svojstvo ga čini prikladnim za privremene stentove ili zamjene koštanog transplantata, eliminirajući potrebu za sekundarnim postupcima uklanjanja.
Međutim, magnezij brzo oksidira, što zahtijevaobrada površina . Osim toga, strojna obrada magnezija može biti izazovna i moraju se poduzeti mjere opreza kako bi se izbjegle potencijalno hlapljive reakcije s kisikom.
7. Zlato
Zlato, vjerojatno jedan od najranijih medicinskih metala korištenih, ima izvrsnu otpornost na koroziju i biokompatibilnost. Njegova savitljivost omogućuje jednostavno oblikovanje, što ga u prošlosti čini popularnim izborom za razne popravke zuba. Međutim, ova je praksa postala manje rasprostranjena, jer je sada zamijenjeno zlatomsintetičkih materijalau puno slučajeva.
Iako zlato posjeduje neka biocidna svojstva, vrijedno je napomenuti da njegova cijena i rijetkost ograničavaju njegovu upotrebu. Obično se zlato koristi u vrlo tankim galvaniziranjima, a ne kao čvrsto zlato. Pozlaćene prevlake obično se nalaze na vodičima, žicama i drugim mikroelektroničkim komponentama koje se koriste u implantatima za elektrostimulaciju isenzori.
8. Platina
Platina, još jedan vrlo stabilan i inertan metal, smatra se izvrsnom opcijom za kirurške uređaje i opremu zbog svoje biokompatibilnosti i iznimne vodljivosti. Osjetljive platinaste žice nalaze široku primjenu u unutarnjim elektroničkim implantatima poput slušnih pomagala i srčanih stimulatora. Štoviše, platina nalazi svoje primjene vezane uz neurološke poremećaje i praćenje moždanih valova.
9. Srebro
Slično bakru, srebro posjeduje inherentna antimikrobna svojstva, što ga čini vrijednim u raznim primjenama. Upotrebljava se u stentovima i implantatima koji ne nose opterećenje, a čak se ugrađuje u cementne spojeve koji se koriste za žbukanje kostiju. Osim toga, srebro je legirano s cinkom ili bakrom za izradu zubnih ispuna.
10. Tantal
Tantal pokazuje izvanredne karakteristike kao što su visoka otpornost na toplinu, izvrsna obradivost, otpornost na kiseline i koroziju, kao i kombinaciju duktilnosti i čvrstoće. Kao vrlo porozan vatrostalni metal, olakšava rast i integraciju kosti, što ga čini prikladnim za implantate u prisutnosti kosti.
Tantal nalazi primjenu u raznim medicinskim instrumentima i dijagnostičkim markerskim trakama zbog svoje otpornosti na tjelesne tekućine i otpornosti na koroziju. Dolazak od3D printanjeomogućio je korištenje tantala u nadomjescima kostiju lubanje i zubnim napravama poput krunica ilivijak postovi. Međutim, zbog svoje rijetkosti i cijene, tantal se često koristi u kompozitnim materijalima, a ne u svom čistom obliku.
11. Nitinol
Nitinol je legura sastavljena od nikla i titana, poznata po svojoj iznimnoj otpornosti na koroziju i biokompatibilnosti. Njegova jedinstvena kristalna struktura omogućuje ispoljavanje superelastičnosti i efekta pamćenja oblika. Ova su svojstva revolucionirala industriju medicinskih uređaja dopuštajući materijalu da se vrati u svoj izvorni oblik nakon deformacije, na temelju određene temperature.
U medicinskim postupcima gdje je preciznost presudna, nitinol nudi fleksibilnost za snalaženje u skučenim prostorima, a istovremeno održava izdržljivost da izdrži znatna opterećenja (do 8%). Njegova lagana priroda i izvrsna izvedba čine ga idealnim izborom za proizvodnju raznih biomedicinskih aplikacija. Primjeri uključuju ortodontske žice, sidra za kosti, spajalice, uređaje za odstojnike, alate za srčane zaliske, žice vodilice 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
Niobij, vatrostalni specijalni metal, nalazi primjenu u modernoj medicinskoj opremi. Prepoznatljiv je po svojoj iznimnoj inertnosti i biokompatibilnosti. Uz njegova vrijedna svojstva, uključujući visoku toplinsku i električnu vodljivost, niobij se često koristi u proizvodnji malih komponenti za srčane stimulatore.
13. Volfram
Volfram se obično koristi u medicinskoj opremi, posebice u proizvodnji cijevi za minimalno invazivne postupke poput laparoskopije i endoskopije. Nudi mehaničku čvrstoću i također može ispuniti potrebu za radiokontaktnošću, što ga čini prikladnim za aplikacije fluorescentne inspekcije. Dodatno, gustoća volframa premašuje gustoću olova, što ga čini ekološki prihvatljivom alternativom za materijale za zaštitu od zračenja.
Biokompatibilni materijali dostupni za medicinske uređaje
Kad je riječ o biokompatibilnim materijalima koji se koriste u zdravstvenim ustanovama, oni se moraju pridržavati posebnih kriterija koji se ne moraju odnositi na druge proizvode.
Na primjer, moraju biti netoksični kada su u kontaktu s ljudskim tkivom ili tjelesnim tekućinama. Osim toga, trebali bi biti otporni na kemikalije koje se koriste za sterilizaciju, kao što su sredstva za čišćenje i dezinfekciju. U slučaju medicinskih metala koji se koriste za implantate, oni moraju biti netoksični, nekorozivni i nemagnetski. Istraživanja neprestano istražuju nove metalne legure, kao i druge materijale poputplastičniikeramički , kako bi se procijenila njihova prikladnost 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-e u Sjedinjenim Državama, zajedno s drugim globalnim agencijama, ne certificiraju sirovine za medicinske uređaje per se. Umjesto toga, klasifikacija se dodjeljuje konačnom proizvodu, a ne njegovom sastavnom materijalu. Ipak, odabir biokompatibilnog materijala ostaje početni i ključni korak prema postizanju željene klasifikacije.
Zašto su metali preferirani materijal za komponente medicinskih uređaja?
U situacijama kada je potrebna iznimna čvrstoća i krutost, metali su, posebno u malim presjecima, često preferirani izbor. Oni su dobro prilagođeni za komponente koje je potrebno oblikovati ili strojno obraditi u zamršene oblike, kao što jesonde , oštrice i vrhovi. Nadalje, metali se ističu u mehaničkim dijelovima koji su u interakciji s drugim metalnim komponentama poput poluga,zupčanici , slajdovi i okidači. Također su prikladni za komponente koje se podvrgavaju sterilizaciji visokom toplinom ili zahtijevaju vrhunska mehanička i fizikalna svojstva u usporedbi s materijalima na bazi polimera.
Metali obično nude izdržljivu i sjajnu površinu koja olakšava čišćenje i sterilizaciju. Titan, legure titana, nehrđajući čelik i legure nikla vrlo su omiljene u medicinskoj opremi zbog svoje sposobnosti da ispune stroge zahtjeve 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 iznimnu svestranost. Rad s ovim materijalima zahtijeva inovativne pristupe dizajnu, koji se mogu razlikovati od onih koji se obično koriste sa standardnim metalima ili plastikom, nudeći mnoštvo mogućnosti za proizvodne inženjere.
Preferirani oblici određenih metala koji se koriste za medicinske uređaje
Postoji nekoliko oblika legura titana, nehrđajućeg čelika i legura koje se mogu kaliti koje se obično koriste u medicinskoj industriji, uključujući ploče, šipke, folije, trake, ploče, šipke i žice. Ti su različiti oblici nužni kako bi se ispunili specifični zahtjevi komponenti medicinskih uređaja, koji su često male i složene prirode.
Za proizvodnju ovih oblika, automatskipreše za žigosanje su obično zaposleni. Trake i žica su najčešće korišteni polazni materijali za ovu vrstu prerade. Ovi oblici mlinova dolaze u različitim veličinama, s debljinom trake u rasponu od ultratanke folije od 0,001 in. do 0,125 in., i plosnatom žicom dostupnom u debljinama od 0,010 in. do 0,100 in., i širinama od 0,150 in. do 0,750 in. .
Razmatranja za korištenje metala u proizvodnji medicinskih uređaja
U ovom sektoru proći ćemo kroz četiri glavna čimbenika pri korištenju metala za proizvodnju medicinskih uređaja, a to su strojna obrada, mogućnost oblikovanja, kontrola tvrdoće iZavršna obrada.
1. Strojna obrada
Svojstva obrade legure 6-4 vrlo su slična onima od austenitnog nehrđajućeg čelika, s ocjenom oba materijala oko 22% AISI B-1112 čelika. Međutim, treba imati na umu da titan reagira s karbidnim alatom, a tu reakciju pojačava toplina. Stoga se preporučuje korištenje jakog zalijevanja tekućinom za rezanje prilikom strojne obrade titana.
Važno je izbjegavati korištenje tekućina koje sadrže halogen, jer mogu predstavljati rizik od korozije ako se temeljito ne uklone nakon operacija strojne obrade.
2. Mogućnost oblikovanja
Štampači obično preferiraju materijale koji se lako hladno oblikuju. Međutim, vrijedno je napomenuti da je sposobnost oblikovanja obrnuto proporcionalna specifičnim svojstvima koja kupci traže pri odabiru ovih legura, poput izvrsne tvrdoće i čvrstoće.
Na primjer, kirurške spajalice moraju imati maksimalnu čvrstoću kako bi spriječile odvajanje, čak i s vrlo tankim poprečnim presjekom. U isto vrijeme, moraju biti izuzetno prilagodljivi kako bi kirurzima omogućili da ih čvrsto zatvore bez potrebe za invazivnim alatima za spajanje.
Postizanje ravnoteže između čvrstoće i mogućnosti oblikovanja može se učinkovito postići tijekom faze ponovnog valjanja. Pažljivim valjanjem trake do željene širine i korištenjem žarenja između prolaza kako bi se spriječili učinci otvrdnjavanja, postiže se optimalna razina mogućnosti oblikovanja.
Rerolleri koriste proces naizmjenične toplinske obrade ihladno valjanjekako bi se dobio materijal koji se može oblikovati i koji je prikladan za oblikovanje, izvlačenje i probijanje korištenjem konvencionalne opreme za višeklizno i višestruko utiskivanje.
Dok duktilnost titana i njegovih legura može biti manja od one drugih uobičajeno korištenih konstrukcijskih metala, proizvodi u obliku trake još uvijek se mogu lako oblikovati na sobnoj temperaturi, iako sporije od nehrđajućeg čelika.
Nakon hladnog oblikovanja, titan pokazuje povratnu oprugu zbog svog niskog modula elastičnosti, koji je otprilike upola manji od čelika. Vrijedno je napomenuti da se stupanj opruge povećava s čvrstoćom metala.
Kada napori na sobnoj temperaturi nisu dovoljni, operacije oblikovanja mogu se izvesti na povišenim temperaturama budući da rastegljivost titana raste s temperaturom. Općenito, trake i limovi od nelegiranog titana hladno su oblikovani.
Međutim, postoji iznimka zaalfa legure , koji se povremeno zagrijavaju na temperature između 600°F i 1200°F kako bi se spriječilo ponovno proljećanje. Vrijedno je napomenuti da iznad 1100°F oksidacija titanskih površina postaje zabrinjavajuća, pa može biti potrebna operacija uklanjanja kamenca.
Budući da je svojstvo hladnog zavarivanja titana veće od svojstva nehrđajućeg čelika, pravilno podmazivanje je ključno pri izvođenju bilo kojeg postupka koji uključuje titan koji dolazi u kontakt smetalne matriceili oprema za oblikovanje.
3. Kontrola tvrdoće
Korištenje procesa valjanja i žarenja za postizanje ravnoteže između mogućnosti oblikovanja i čvrstoće u legurama. Žarenjem između svakog prolaza valjanja, učinci otvrdnjavanja su eliminirani, što rezultira željenim stanjem koje održava čvrstoću materijala, istovremeno osiguravajući potrebnu sposobnost oblikovanja.
Kako bi zadovoljili stroge specifikacije i smanjili troškove, stručnjaci uGRUPA HUAYI može pomoći u odabiru legure i ponuditi sveobuhvatna rješenja za vašu obradu medicinskog metala. To osigurava da legure posjeduju željenu kombinaciju svojstava, u skladu sa specifičnim zahtjevima i ograničenjima.
4. Površinska obrada
Tijekom faze ponovnog valjanja utvrđuje se završna obrada površine proizvoda na bazi titana i traka od nehrđajućeg čelika. Dizajneri imaju niz opcija za odabir, uključujući svijetlu i reflektirajuću završnu obradu, mat površinu koja olakšava prijenos podmazivanja ili druge specijalizirane površine potrebne za lijepljenje, tvrdo lemljenje ili zavarivanje.
Površinska obrada nastaje kontaktom između radnih valjaka i materijala u valjaonici. Na primjer, korištenje valjaka od visoko poliranog tvrdog metala rezultira zrcalno svijetlim i reflektirajućim završnim slojem, dok čelične role od pjeskarenog čelika daju mat završni sloj s hrapavošću od 20-40 µin. RMS. Peskareni karbidni valjci daju mutnu završnu obradu s 18-20 µin. RMS hrapavost.
Ovaj proces može proizvesti površinu s hrapavošću do 60 µin. RMS, što predstavlja relativno visoku razinuhrapavost površine.
Često korišteni metali i legure za medicinske primjene
Nehrđajući čelik, titan i legure na bazi nikla smatraju se naprednijim materijalima u usporedbi s konvencionalnim. Međutim, oni također donose širi raspon mogućnosti na stol. Ovi materijali imaju sposobnost modificiranja svojih mehaničkih karakteristika kroz procese kao što su grijanje, hlađenje i kaljenje. Štoviše, tijekom obrade mogu se prema potrebi dodatno modificirati. Na primjer, valjanje metala u tanje debljine može povećati njihovu tvrdoću, dok žarenje može vratiti njihova svojstva na precizno stanje, što omogućuje isplativo oblikovanje.
Ovi se metali dobro ponašaju umedicinske primjene . Pokazuju iznimnu otpornost na koroziju, posjeduju visoke mehaničke sposobnosti, nude širok raspon mogućnosti površinske obrade i pružaju izvrsnu proizvodnu svestranost nakon što se dizajneri upoznaju s njihovom složenošću.
Zaključak
Prilikom proizvodnje medicinske opreme ključno je pažljivo odabrati odgovarajuće metale. Često korišteni metali za ovu svrhu uključuju nehrđajući čelik, titan, kobalt krom, bakar, tantal i platinu. Ovi metali su poželjni zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti i trajnosti. Iako je i paladij sve poznatiji, njegova je uporaba relativno ograničena zbog viših troškova. Nadamo se da će vam ovaj vodič pomoći u pronalaženju prikladnog metala koji ispunjava vaše medicinske projekte ili primjene.