Optimalisering av metaller for produksjon av medisinsk utstyr

Økningen i COVID-19-tilfeller har ført til økt etterspørsel etter medisinsk utstyr, noe som igjen har understreket viktigheten av materialvalg for designere og produsenter av medisinsk utstyr. Det er avgjørende å velge riktige materialer for medisinske deler og utstyr for å sikre brukervennlighet, kvalitet og samsvar med standarder. Å velge de riktige materialene kan tilby fordelene med maksimal kostnadseffektivitet og pålitelighet.

Metalliske biomaterialer eller medisinske metaller har blitt mye brukt i produksjonen av kirurgiske hjelpemidler og verktøy, og tilbyr et mangfold av alternativer å velge mellom. Den vellykkede utviklingen av materialer som kobolt-kromlegering, rustfritt stål, titan og forskjellige legeringer, sammen med deres brede bruk i odontologi og ortopedi, har solid etablert betydningen av metalliske medisinske materialer i produksjon av medisinsk utstyr.

Når du designer enheter for medisinske og helsemessige formål, er det av stor betydning for produsenter å være forsiktige med å velge riktige råvarer. Bortsett fra å oppfylle de nødvendige tekniske spesifikasjonene for applikasjonen, må de valgte materialene også sikre fravær av potensielle risikoer når de er i kontakt med menneskekroppen eller de forskjellige kjemikaliene som vanligvis forekommer i kliniske miljøer. Det må tas nøye hensyn til både funksjonskrav og materialenes kompatibilitet med tiltenkt bruk.

I medisin- og helsesektoren har mange rene metaller og metallegeringer bevist sin verdi. Denne artikkelen vil gå gjennom de tretten vanligste typene metalliske biomaterialer og metaller som brukes i produksjon av medisinsk utstyr.

• 13 typer metaller for produksjon av medisinske deler og enheter

La oss se de tretten vanligste typene av rene metaller og metallegeringer, deres bruksområder og deres fordeler og ulemper ved produksjon av medisin- og helseutstyr.

1. Rustfritt stål

Rustfritt stål er svært egnet for et bredt spekter av medisinske apparater på grunn av sin giftfrie, ikke-etsende og holdbare natur. Dessuten kan den poleres til en fin finish som lett kan rengjøres. Siden rustfritt stål er tilgjengelig i forskjellige varianter, hver med unike mekaniske og kjemiske egenskaper, er det avgjørende å velge riktig type.

316 og 316L rustfritt stål er de mest brukte typene for medisinske implantater og kroppspiercinger på grunn av deres eksepsjonelle korrosjonsbestandighet. Denne egenskapen er viktig for å forhindre korrosjon i blodet, noe som kan føre til infeksjoner og potensielt dødelige konsekvenser. Dessuten inneholder rustfritt stål lav-nikkel varianter, slik at pasienter sjelden lider av allergiske reaksjoner på nikkel.

440 rustfritt stål brukes ofte i produksjon av kirurgiske verktøy. Selv om den kan tilby lavere korrosjonsmotstand sammenlignet med 316, tillater dens høyere karboninnholdvarmebehandling, noe som resulterer i opprettelsen avskarpe kanter egnet for kutteinstrumenter. Rustfritt stål finner utbredt bruk i ortopedi, for eksempel ved erstatning av hofteledd og stabilisering av beinbrudd ved hjelp av skruer og plater. Dessuten brukes den ofte for å produsere slitesterke og lett rengjørbare kirurgiske verktøy som hemostater, pinsett, pinsett og annet utstyr som krever både holdbarhet og sterilitet.

Siden rustfritt stål inneholder jern, som kan føre til korrosjon over tid, er det en risiko for omkringliggende vev ettersom implantatet forringes. Til sammenligning gir medisinske metaller som titan eller koboltkrom større korrosjonsbestandighet. Vær imidlertid oppmerksom på at disse alternative metallene kan være dyrere.

2. Kobber

På grunn av sin relativt svakere styrke,kobber er ikke mye brukt for å produsere kirurgisk utstyr og implantater. Imidlertid gjør dens bemerkelsesverdige antibakterielle og antivirale egenskaper det til et utbredt valg innen kirurgi og sykdomsforebygging.

Direkte bruk av kobber til medisinske implantater er uvanlig på grunn av dets mykhet og potensielle toksisitet i vevet. Imidlertid brukes visse kobberlegeringer fortsatt i tannimplantater og for å redusere infeksjonsrisikoen ibeintransplantasjonsoperasjoner.

Kobber utmerker seg virkelig som et medisinsk metall på grunn av dets eksepsjonelle antivirale og antibakterielle egenskaper. Dette gjør kobber til et ideelt materiale for overflater som ofte berøres, som dørhåndtak, sengehester og brytere. Det som skiller kobber er atFDAhar godkjent over 400 forskjellige kobberlegeringer som biocider, og forhindrer effektivt overføring av virus som SARS-CoV-2.

Når det utsettes for miljøet, gjennomgår rent kobber lett oksidasjon, noe som resulterer i en grønnaktig farge. Til tross for dette opprettholder den sine antimikrobielle egenskaper. Noen individer kan imidlertid oppleve misfargingen som lite attraktiv. For å løse dette, er legeringer ofte brukt, og tilbyr ulike nivåer av effektivitet mot mikrober. Et annet alternativ er å påføre tynnfilmbelegg for å forhindre oksidasjon og samtidig bevare de antibakterielle egenskapene til kobber.

3. Titan

Titanium er svært foretrukket blant metallene som vanligvis brukes i produksjonen av medisinsk utstyr. Bortsett fra internt medisinsk utstyr, brukes det også i produksjon av eksterne enheter som kirurgiske instrumenter, tannutstyr og ortopedisk utstyr. Rent titan, kjent for å være ekstremt inert, er det mest kostbare alternativet som ofte er reservert for komponenter med ultrahøy pålitelighet eller de som er beregnet på langvarig bruk i en pasients kropp etter operasjonen.

I dag brukes titan ofte som erstatning for rustfritt stål, spesielt i produksjonen av benstøtter og erstatninger. Titan har sammenlignbar styrke og holdbarhet som rustfritt stål, samtidig som det er lettere i vekt. Videre viser den utmerkede biokompatibilitetsegenskaper.

Titanlegeringer er også svært egnet for tannimplantater. Dette tilskrives det faktum at titan kan brukes i3D-utskrift av metall å fremstille fullstendig tilpassede komponenter basert på en pasients skanninger og røntgenbilder. Dette muliggjør en upåklagelig passform og personlig løsning.

Titan skiller seg ut for sin lette og robuste natur, og overgår rustfritt stål når det gjelder korrosjonsbestandighet. Likevel er det visse begrensninger å vurdere. Titanlegeringer kan utvise utilstrekkelig motstand mot bøyetretthet under kontinuerlige dynamiske belastninger. Dessuten, når det brukes i erstatningsledd, er ikke titan like motstandsdyktig mot friksjon og slitasje.

4. Koboltkrom

Sammensatt av krom og kobolt,kobolt krom er en legering som gir flere fordeler for kirurgiske instrumenter. Dens egnethet for3D-utskriftogCNC maskinering muliggjør praktisk utforming av ønskede former. Dessuten,elektropolering er implementert for å sikre en jevn overflate, og minimerer risikoen for forurensning. Med utmerkede egenskaper som styrke, slitestyrke og utholdenhet ved høye temperaturer, er koboltkrom blant de beste valgene for metallegeringer. Dens biokompatibilitet gjør den ideell for ortopediske proteser, ledderstatninger og tannimplantater.

Koboltkromlegeringer er høyt ansett medisinske metaller som brukes til utskifting av hofte- og skulderskåler. Imidlertid har det vært bekymringer angående den potensielle frigjøringen av kobolt, krom og nikkelioner til blodet ettersom disse legeringene gradvis slites ut over tid.

5. Aluminium

Sjelden i direkte kontakt med kroppen,aluminium forblir mye brukt i produksjon av ulike støtteutstyr som krever lette, robuste og korrosjonsbestandige egenskaper. Eksempler inkluderer intravenøse stenter, spaserstokker, sengerammer, rullestoler og ortopediske stenter. På grunn av dens tendens til å ruste eller oksidere, krever aluminiumskomponenter typisk malings- eller anodiseringsprosesser for å forbedre holdbarheten og levetiden.

6. Magnesium

Magnesiumlegeringer er medisinske metaller kjent for sin eksepsjonelle letthet og styrke, som ligner vekten og tettheten til naturlig ben. Dessuten demonstrerer magnesium biosikkerhet ettersom det naturlig og trygt biologisk nedbrytes over tid. Denne egenskapen gjør den egnet for midlertidige stenter eller bentransplantaterstatninger, og eliminerer behovet for sekundære fjerningsprosedyrer.

Imidlertid oksiderer magnesium raskt, noe som gjør det nødvendigoverflatebehandling . I tillegg kan maskinering av magnesium være utfordrende, og det må tas forholdsregler for å unngå potensielt flyktige reaksjoner med oksygen.

7. Gull

Gull, muligens et av de tidligste medisinske metallene som brukes, har utmerket korrosjonsbestandighet og biokompatibilitet. Dens formbarhet tillater enkel forming, noe som gjør den til et populært valg tidligere for ulike tannreparasjoner. Imidlertid har denne praksisen blitt mindre utbredt, med gull som nå erstattes avsyntetiske materialeri mange tilfeller.

Mens gull har noen biocidegenskaper, er det verdt å merke seg at kostnadene og sjeldenheten begrenser bruken. Vanligvis brukes gull i svært tynne platinger i stedet for som solid gull. Gullbelegg finnes vanligvis på ledere, ledninger og andre mikroelektroniske komponenter som brukes i elektrostimuleringsimplantater ogsensorer.

8. Platina

Platina, et annet svært stabilt og inert metall, regnes som et utmerket alternativ for kirurgiske enheter og utstyr på grunn av dets biokompatibilitet og eksepsjonelle ledningsevne. Delikate platinatråder finner utstrakt bruk i interne elektroniske implantater som høreapparater og pacemakere. Dessuten finner platina sine anvendelser relatert til nevrologiske lidelser og overvåking av hjernebølger.

9. Sølv

I likhet med kobber har sølv iboende antimikrobielle egenskaper, noe som gjør det verdifullt i ulike bruksområder. Den finner nytte i stenter og ikke-bærende implantater, og er til og med inkorporert i sementholdige forbindelser som brukes til benplastering. I tillegg er sølv legert med sink eller kobber for å produsere tannfyllinger.

10. Tantal

Tantal viser bemerkelsesverdige egenskaper som høy varmebestandighet, utmerket bearbeidbarhet, motstand mot syrer og korrosjon, samt en kombinasjon av duktilitet og styrke. Som et svært porøst ildfast metall letter det beinvekst og integrering, noe som gjør det egnet for implantater i nærvær av bein.

Tantal finner anvendelse i ulike medisinske instrumenter og diagnostiske markørbånd på grunn av immunitet mot kroppsvæsker og korrosjonsbestandighet. Fremkomsten av3D-utskrifthar gjort det mulig å bruke tantal i kraniebeinerstatninger og tannapparater som kroner ellerskru innlegg. Imidlertid, på grunn av sin sjeldenhet og pris, brukes tantal ofte i komposittmaterialer i stedet for i sin rene form.

11. Nitinol

Nitinol er en legering som består av nikkel og titan, kjent for sin eksepsjonelle korrosjonsbestandighet og biokompatibilitet. Dens unike krystallinske struktur gjør at den kan vise superelastisitet og formet minneeffekt. Disse egenskapene har revolusjonert den medisinske utstyrsindustrien ved å la materialet gå tilbake til sin opprinnelige form etter deformasjon, basert på en spesifikk temperatur.

I medisinske prosedyrer hvor presisjon er avgjørende, gir nitinol fleksibilitet til å navigere på trange steder samtidig som den opprettholder holdbarheten for å tåle betydelig belastning (opptil 8%). Dens lette natur og utmerkede ytelse gjør den til et ideelt valg for produksjon av ulike biomedisinske applikasjoner. Eksempler inkluderer kjeveortopedisk ledninger, benankre, stifter, avstandsenheter, hjerteklaffverktøy, guidewirer og stenter. Nitinol kan også brukes til å lage markører og diagnostiske linjer for å lokalisere brystsvulster, og tilby mindre invasive alternativer for brystkreftdiagnose og behandling.

12. Niob

Niob, et ildfast spesialmetall, finner anvendelse i moderne medisinsk utstyr. Den er anerkjent for sin eksepsjonelle treghet og biokompatibilitet. Ved siden av sine verdifulle egenskaper, inkludert høy termisk og elektrisk ledningsevne, brukes niob ofte i produksjonen av små komponenter til pacemakere.

13. Wolfram

Wolfram er ofte brukt i medisinsk utstyr, spesielt i produksjon av rør for minimalt invasive prosedyrer som laparoskopi og endoskopi. Den tilbyr mekanisk styrke og kan også oppfylle behovet for radiopasitet, noe som gjør den egnet for fluorescensinspeksjonsapplikasjoner. I tillegg overgår tettheten til wolfram tettheten til bly, noe som gjør det til et miljøvennlig alternativ for strålingsskjermende materialer.

Biokompatible materialer tilgjengelig for medisinsk utstyr

Når det gjelder biokompatible materialer som brukes i helsevesenet, må de overholde spesifikke kriterier som kanskje ikke gjelder for andre produkter.

For eksempel må de være giftfrie når de er i kontakt med menneskelig vev eller kroppsvæsker. I tillegg bør de ha motstand mot kjemikalier som brukes til sterilisering, for eksempel rengjøringsmidler og desinfeksjonsmidler. Når det gjelder medisinske metaller som brukes til implantater, må de være ikke-giftige, ikke-etsende og ikke-magnetiske. Forskning utforsker kontinuerlig nye metallegeringer, så vel som andre materialer somplastogkeramikk , for å vurdere deres egnethet som biokompatible materialer. Videre kan noen materialer være trygge for kortvarig kontakt, men ikke egnet for permanente implantater.

På grunn av de mange variablene som er involvert, sertifiserer ikke regulatoriske organer som FDA i USA, sammen med andre globale byråer, råvarer for medisinsk utstyr i seg selv. I stedet tildeles klassifiseringen sluttproduktet i stedet for dets bestanddeler. Likevel forblir valg av et biokompatibelt materiale det første og avgjørende skrittet mot å oppnå ønsket klassifisering.

Hvorfor er metaller det foretrukne materialet for komponenter i medisinsk utstyr?

I situasjoner der eksepsjonell styrke og stivhet kreves, er metaller, spesielt i små tverrsnitt, ofte det foretrukne valget. De er godt egnet for komponenter som må formes eller maskineres til intrikate former, som f.ekssonder , kniver og punkter. Videre utmerker metaller seg i mekaniske deler som samhandler med andre metallkomponenter som spaker,gir , lysbilder og utløsere. De er også egnet for komponenter som gjennomgår høyvarmesterilisering eller som krever overlegne mekaniske og fysiske egenskaper sammenlignet med polymerbaserte materialer.

Metaller gir vanligvis en slitesterk og blank overflate som forenkler rengjøring og sterilisering. Titan, titanlegeringer, rustfritt stål og nikkellegeringer er svært foretrukket i medisinsk utstyr på grunn av deres evne til å møte strenge rengjøringskrav i helsetjenester. Omvendt er metaller som er utsatt for ukontrollert og destruktiv overflateoksidasjon, som stål, aluminium eller kobber, utelukket fra slike bruksområder. Disse høyytelsesmetallene har unike egenskaper, noen begrensninger og eksepsjonell allsidighet. Arbeid med disse materialene krever innovative designtilnærminger, som kan avvike fra de som vanligvis brukes med standard metaller eller plast, og tilbyr en rekke muligheter for produktingeniører.

Foretrukne former for visse metaller som brukes til medisinsk utstyr

Det er flere former for titanlegeringer, rustfritt stål og herdbare legeringer som ofte brukes i medisinsk industri, inkludert plate, stang, folie, stripe, ark, stang og tråd. Disse ulike formene er nødvendige for å oppfylle de spesifikke kravene til medisinsk utstyrskomponenter, som ofte er små og komplekse av natur.

For å produsere disse formene, automatiskstemplingspresser er vanligvis ansatt. Strimler og tråd er de mest brukte utgangsmaterialene for denne typen bearbeiding. Disse mølleformene kommer i forskjellige størrelser, med strimmeltykkelse som varierer fra ultratynn folie på 0,001 til 0,125 tommer, og flattråd tilgjengelig i tykkelser på 0,010 tommer til 0,100 tommer, og bredder på 0,150 tommer til 0,750 tommer .

Betraktninger for bruk av metaller i produksjon av medisinsk utstyr

I denne sektoren vil vi gå gjennom fire hovedfaktorer når vi bruker metaller for produksjon av medisinsk utstyr, det er maskinering, formbarhet, hardhetskontroll ogoverflatefinish.

1. Maskinering

Maskineringsegenskapene til 6-4-legeringen ligner mye på austenittisk rustfritt stål, med begge materialene som vurderer rundt 22 % av AISI B-1112 stål. Imidlertid bør det merkes at titan reagerer med karbidverktøy, og denne reaksjonen forsterkes av varme. Derfor anbefales det å bruke kraftig oversvømmelse med skjærevæske ved bearbeiding av titan.

Det er viktig å unngå å bruke væsker som inneholder halogen, da de kan utgjøre en risiko for å forårsake spenningskorrosjon hvis de ikke fjernes grundig etter maskinering.

2. Formbarhet

Stampers foretrekker vanligvis materialer som er enkle til kaldforme. Det er imidlertid verdt å merke seg at formbarhet er omvendt relatert til de spesifikke egenskapene som kjøpere søker når de velger disse legeringene, for eksempel utmerket hardhet og styrke.

For eksempel må kirurgiske stifter ha maksimal styrke for å forhindre separasjon, selv med et veldig slankt tverrsnitt. Samtidig må de være ekstremt formbare for å tillate kirurger å lukke dem tett uten å kreve invasive stifteverktøy.

Å oppnå en balanse mellom styrke og formbarhet kan effektivt oppnås under reroll-stadiet. Ved å forsiktig rulle båndet til ønsket tykkelse og bruke gløding mellom gangen for å motvirke effekten av arbeidsherding, oppnås et optimalt nivå av formbarhet.

Rerollers bruker en prosess med alternerende varmebehandling ogkaldrullingå tilveiebringe et formbart materiale som er godt egnet for forming, tegning og stansing ved bruk av konvensjonelt multislide- og multidie-stemplingsutstyr.

Mens duktiliteten til titan og dets legeringer kan være lavere enn for andre ofte brukte strukturelle metaller, kan stripeprodukter fortsatt lett dannes ved romtemperatur, om enn i langsommere hastighet enn rustfritt stål.

Etter kaldforming fjærer titan tilbake på grunn av sin lave elastisitetsmodul, som er omtrent halvparten av stål. Det er verdt å merke seg at graden av tilbakefjæring øker med styrken til metallet.

Når romtemperaturinnsatsen ikke er tilstrekkelig, kan formingsoperasjoner utføres ved forhøyede temperaturer siden duktiliteten til titan øker med temperaturen. Vanligvis er ulegerte titanstrimler og plater kaldformede.

Det er imidlertid et unntak foralfa-legeringer , som av og til varmes opp til temperaturer mellom 600 °F til 1200 °F for å forhindre tilbakespring. Det er verdt å merke seg at utover 1100°F blir oksidasjon av titanoverflater et problem, så en avkalkingsoperasjon kan være nødvendig.

Siden kaldsveiseegenskapen til titan er høyere enn for rustfritt stål, er riktig smøring avgjørende når du utfører operasjoner som involverer titan som kommer i kontakt medmetall døreller formingsutstyr.

3. Hardhetskontroll

Bruke en valse- og glødeprosess for å oppnå en balanse mellom formbarhet og styrke i legeringer. Ved å gløde mellom hver valsegang elimineres effekten av arbeidsherding, noe som resulterer i ønsket temperament som opprettholder materialets styrke samtidig som det gir den nødvendige formbarheten.

For å møte strenge spesifikasjoner og minimere kostnader, eksperter påHUAYI GRUPPE kan hjelpe til med valg av legeringer og tilby omfattende løsninger for din medisinske metallbearbeiding. Dette sikrer at legeringene har den ønskede kombinasjonen av egenskaper, i samsvar med de spesifikke kravene og begrensningene.

4. Overflatefinish

Under omrullingsstadiet bestemmes overflatefinishen til titanbaserte og rustfrie stålbåndprodukter. Designere har en rekke alternativer å velge mellom, inkludert en lys og reflekterende finish, en matt overflate som letter smøreoverføring, eller andre spesialiserte overflater som er nødvendige for liming, lodding eller sveiseformål.

Overflatene er skapt av kontakten mellom arbeidsvalsene og materialet i valseverket. For eksempel gir bruk av høypolerte karbidvalser en speilblank og reflekterende finish, mens kuleblåste stålvalser gir en matt finish med en ruhet på 20-40 µin. RMS. Kuleblåste karbidvalser gir en matt finish med 18-20 µin. RMS-ruhet.

Denne prosessen er i stand til å produsere en overflate med en ruhet på opptil 60 µin. RMS, som representerer et relativt høyt nivå påoverflateruhet.

Vanlig brukte metaller og legeringer for medisinske applikasjoner

Rustfritt stål, titan og nikkelbaserte legeringer oppfattes som mer avanserte materialer sammenlignet med konvensjonelle. Imidlertid bringer de også et bredere spekter av muligheter til bordet. Disse materialene har evnen til å modifisere sine mekaniske egenskaper gjennom prosesser som oppvarming, avkjøling og bråkjøling. I tillegg kan de under behandlingen gjennomgå ytterligere modifikasjoner etter behov. For eksempel kan valsing av metaller til tynnere målere øke hardheten, mens gløding kan gjenopprette egenskapene til et presist temperament, noe som muliggjør kostnadseffektiv forming.

Disse metallene fungerer godt imedisinske applikasjoner . De viser eksepsjonell korrosjonsmotstand, har høye mekaniske egenskaper, tilbyr et bredt spekter av overflatebehandlingsalternativer og gir utmerket produksjonsallsidighet når designere blir kjent med kompleksiteten deres.

Konklusjon

Når du produserer medisinsk utstyr, er det avgjørende å velge de riktige metallene nøye. Vanlige metaller for dette formålet inkluderer rustfritt stål, titan, koboltkrom, kobber, tantal og platina. Disse metallene foretrekkes på grunn av deres utmerkede biokompatibilitet og holdbarhet. Selv om palladium også får anerkjennelse, er bruken relativt begrenset på grunn av høyere kostnader. Vi håper denne veiledningen vil hjelpe deg med å finne det passende metallet som oppfyller dine medisinske prosjekter eller applikasjoner.