Otimizando Metais para Fabricação de Dispositivos Médicos

O aumento de casos de COVID-19 levou a uma maior procura de equipamentos médicos, o que, por sua vez, enfatizou a importância da seleção de materiais para designers e fabricantes de dispositivos médicos. É crucial escolher os materiais apropriados para peças e equipamentos médicos para garantir usabilidade, qualidade e conformidade com os padrões. Optar pelos materiais certos pode oferecer os benefícios de máxima relação custo-benefício e confiabilidade.

Biomateriais metálicos ou metais médicos têm sido amplamente utilizados na produção de auxiliares e ferramentas cirúrgicas, oferecendo uma ampla gama de opções de escolha. O avanço bem-sucedido de materiais como liga de cobalto-cromo, aço inoxidável, titânio e diversas ligas, juntamente com sua ampla utilização em odontologia e ortopedia, estabeleceu firmemente a importância dos materiais médicos metálicos na fabricação de dispositivos médicos.

Ao projetar dispositivos para fins médicos e de saúde, é de grande importância que os fabricantes sejam cautelosos na seleção das matérias-primas adequadas. Além de atender às especificações de engenharia necessárias para a aplicação, os materiais escolhidos também devem garantir a ausência de quaisquer riscos potenciais quando em contato com o corpo humano ou com os diversos produtos químicos comumente encontrados em ambientes clínicos. Deve-se considerar cuidadosamente os requisitos funcionais e a compatibilidade dos materiais com o uso pretendido.

Nos setores da medicina e da saúde, numerosos metais puros e ligas metálicas provaram o seu valor. Este artigo abordará os treze tipos mais comuns de biomateriais metálicos e metais utilizados na fabricação de dispositivos médicos.

• 13 tipos de metais para fabricação de peças e dispositivos médicos

Vamos ver os treze tipos mais comuns de metais puros e ligas metálicas, suas aplicações e seus prós e contras na fabricação de medicamentos e dispositivos de saúde.

1. Aço inoxidável

Aço inoxidável é altamente adequado para uma ampla gama de aparelhos médicos devido à sua natureza não tóxica, não corrosiva e durável. Além disso, pode ser polido até obter um acabamento fino que pode ser facilmente limpo. Como o aço inoxidável está disponível em diferentes variações, cada uma com propriedades mecânicas e químicas únicas, a seleção do tipo apropriado é crucial.

Os aços inoxidáveis ​​316 e 316L são os tipos mais utilizados para implantes médicos e piercings corporais devido à sua excepcional resistência à corrosão. Este atributo é essencial na prevenção da corrosão da corrente sanguínea, que pode levar a infecções e consequências potencialmente fatais. Além disso, o aço inoxidável contém variedades com baixo teor de níquel, de modo que os pacientes raramente sofrem de reações alérgicas ao níquel.

O aço inoxidável 440 é comumente utilizado na produção de instrumentos cirúrgicos. Embora possa oferecer menor resistência à corrosão em comparação com 316, seu maior teor de carbono permitetratamento térmico, resultando na criação deArestas afiadas adequado para instrumentos de corte. O aço inoxidável é amplamente utilizado na ortopedia, como na substituição de articulações do quadril e na estabilização de ossos fraturados por meio de parafusos e placas. Além disso, é frequentemente empregado na fabricação de ferramentas cirúrgicas duráveis ​​e de fácil limpeza, como pinças hemostáticas, pinças, pinças e outros equipamentos que exigem durabilidade e esterilidade.

Como o aço inoxidável contém ferro, que pode causar corrosão ao longo do tempo, existe um risco para o tecido circundante à medida que o implante se deteriora. Em comparação, metais médicos como titânio ou cromo-cobalto oferecem maior resistência à corrosão. No entanto, note que estes metais alternativos podem ser mais caros.

2. Cobre

Devido à sua resistência relativamente mais fraca,cobre não é amplamente utilizado para a produção de equipamentos cirúrgicos e implantes. No entanto, as suas notáveis ​​propriedades antibacterianas e antivirais tornam-no uma escolha predominante no campo da cirurgia e prevenção de doenças.

O uso direto de cobre para implantes médicos é incomum devido à sua suavidade e potencial toxicidade dentro do tecido. No entanto, certas ligas de cobre ainda são utilizadas em implantes dentários e para mitigar riscos de infecção emcirurgias de transplante ósseo.

O cobre realmente se destaca como metal médico devido às suas excepcionais propriedades antivirais e antibacterianas. Isso torna o cobre um material ideal para superfícies tocadas com frequência, como maçanetas, grades de cama e interruptores. O que diferencia o cobre é que oFDAaprovou mais de 400 ligas de cobre diferentes como biocidas, prevenindo eficazmente a transmissão de vírus como o SARS-CoV-2.

Quando exposto ao meio ambiente, o cobre puro sofre oxidação facilmente, resultando em uma cor esverdeada. Apesar disso, mantém suas propriedades antimicrobianas. No entanto, alguns indivíduos podem considerar a descoloração pouco atraente. Para resolver isso, ligas são comumente empregadas, oferecendo diferentes níveis de eficácia contra micróbios. Outra opção é aplicar revestimentos de película fina para evitar a oxidação e, ao mesmo tempo, preservar as propriedades antibacterianas do cobre.

3. Titânio

Titânio é altamente preferido entre os metais comumente utilizados na produção de dispositivos médicos. Além de equipamentos médicos internos, também é empregado na fabricação de dispositivos externos, como instrumentos cirúrgicos, equipamentos odontológicos e equipamentos ortopédicos. O titânio puro, conhecido por ser extremamente inerte, é a opção mais cara, muitas vezes reservada para componentes de altíssima confiabilidade ou aqueles destinados ao uso a longo prazo no corpo do paciente após a cirurgia.

Hoje em dia, o titânio é frequentemente utilizado como substituto do aço inoxidável, principalmente na produção de suportes e substitutos ósseos. O titânio possui resistência e durabilidade comparáveis ​​ao aço inoxidável, embora seja mais leve. Além disso, apresenta excelentes propriedades de biocompatibilidade.

As ligas de titânio também são altamente adequadas para implantes dentários. Isto é atribuído ao fato de que o titânio pode ser utilizado emimpressão 3D metálica para fabricar componentes totalmente personalizados com base nas varreduras e raios X do paciente. Isto permite um ajuste impecável e uma solução personalizada.

O titânio destaca-se pela sua leveza e robustez, superando o aço inoxidável em termos de resistência à corrosão. No entanto, existem certas limitações a serem consideradas. As ligas de titânio podem apresentar resistência insuficiente à fadiga por flexão sob cargas dinâmicas contínuas. Além disso, quando utilizado em juntas de substituição, o titânio não é tão resistente ao atrito e ao desgaste.

4. Cobalto Cromo

Composto por cromo e cobalto,cromo-cobalto é uma liga que oferece diversas vantagens para instrumentos cirúrgicos. Sua adequação paraimpressao 3DeUsinagem CNC permite a modelagem conveniente das formas desejadas. Além disso,eletropolimento é implementado para garantir uma superfície lisa, minimizando o risco de contaminação. Com excelentes atributos como resistência, resistência ao desgaste e resistência a altas temperaturas, o cromo-cobalto está entre as principais opções para ligas metálicas. Sua biocompatibilidade o torna ideal para próteses ortopédicas, substituições de articulações e implantes dentários.

As ligas de cobalto-cromo são metais médicos altamente conceituados, usados ​​para substituições de encaixes de quadril e ombros. No entanto, tem havido preocupações relativamente à potencial libertação de iões de cobalto, crómio e níquel na corrente sanguínea, à medida que estas ligas se desgastam gradualmente ao longo do tempo.

5. Alumínio

Raramente em contato direto com o corpo,alumínio continua amplamente utilizado na produção de diversos equipamentos de suporte que necessitam de propriedades leves, robustas e resistentes à corrosão. Os exemplos incluem stents intravenosos, bengalas, estruturas de cama, cadeiras de rodas e stents ortopédicos. Devido à sua tendência a enferrujar ou oxidar, os componentes de alumínio normalmente requerem processos de pintura ou anodização para aumentar sua durabilidade e vida útil.

6. Magnésio

As ligas de magnésio são metais médicos conhecidos pela sua excepcional leveza e resistência, assemelhando-se ao peso e à densidade do osso natural. Além disso, o magnésio demonstra biossegurança, uma vez que se biodegrada de forma natural e segura ao longo do tempo. Esta propriedade o torna adequado para stents temporários ou substituições de enxertos ósseos, eliminando a necessidade de procedimentos de remoção secundária.

No entanto, o magnésio oxida rapidamente, necessitandotratamento da superfície . Além disso, a usinagem do magnésio pode ser um desafio e devem ser tomadas precauções para evitar reações potencialmente voláteis com o oxigênio.

7. Ouro

O ouro, possivelmente um dos primeiros metais médicos utilizados, possui excelente resistência à corrosão e biocompatibilidade. Sua maleabilidade permite fácil modelagem, tornando-o uma escolha popular no passado para diversos reparos dentários. No entanto, esta prática tornou-se menos prevalente, com o ouro a ser agora substituído pormateriais sintéticosem muitos casos.

Embora o ouro possua algumas propriedades biocidas, vale a pena notar que o seu custo e raridade limitam a sua utilização. Normalmente, o ouro é empregado em revestimentos muito finos, e não como ouro maciço. O revestimento de ouro é comumente encontrado em condutores, fios e outros componentes microeletrônicos utilizados em implantes de eletroestimulação esensores.

8. Platina

A platina, outro metal profundamente estável e inerte, é considerada uma excelente opção para dispositivos e equipamentos cirúrgicos devido à sua biocompatibilidade e excepcional condutividade. Delicados fios de platina são amplamente utilizados em implantes eletrônicos internos, como aparelhos auditivos e marca-passos. Além disso, a platina encontra suas aplicações relacionadas a distúrbios neurológicos e ao monitoramento de ondas cerebrais.

9. Prata

Semelhante ao cobre, a prata possui propriedades antimicrobianas inerentes, tornando-a valiosa em diversas aplicações. É útil em stents e implantes sem suporte de carga, e é até incorporado em compostos cimentícios usados ​​para reboco ósseo. Além disso, a prata é ligada ao zinco ou cobre para produzir obturações dentárias.

10. Tântalo

O tântalo apresenta características notáveis ​​como alta resistência ao calor, excelente trabalhabilidade, resistência a ácidos e corrosão, bem como uma combinação de ductilidade e resistência. Por ser um metal refratário altamente poroso, facilita o crescimento e a integração óssea, tornando-o adequado para implantes na presença de osso.

O tântalo encontra aplicação em vários instrumentos médicos e fitas marcadoras de diagnóstico devido à sua imunidade a fluidos corporais e resistência à corrosão. O advento deimpressao 3Dpermitiu que o tântalo fosse utilizado em substituições de ossos cranianos e dispositivos dentários como coroas ouparafuso Postagens. No entanto, devido à sua raridade e custo, o tântalo é frequentemente utilizado em materiais compósitos, em vez de na sua forma pura.

11. Nitinol

Nitinol é uma liga composta de níquel e titânio, conhecida por sua excepcional resistência à corrosão e biocompatibilidade. Sua estrutura cristalina única permite exibir superelasticidade e efeito de memória de forma. Estas propriedades revolucionaram a indústria de dispositivos médicos, permitindo que o material retorne à sua forma original após a deformação, com base em uma temperatura específica.

Em procedimentos médicos onde a precisão é crucial, o nitinol oferece flexibilidade para navegar em espaços apertados, mantendo a durabilidade para suportar esforços substanciais (até 8%). Sua natureza leve e excelente desempenho o tornam a escolha ideal para a fabricação de diversas aplicações biomédicas. Os exemplos incluem fios ortodônticos, âncoras ósseas, grampos, dispositivos espaçadores, ferramentas para válvulas cardíacas, fios-guia e stents. O nitinol também pode ser utilizado para criar marcadores e linhas de diagnóstico para localização de tumores de mama, oferecendo opções menos invasivas para diagnóstico e tratamento do câncer de mama.

12. Nióbio

O nióbio, um metal refratário especial, tem aplicação em equipamentos médicos modernos. É reconhecido pela sua excepcional inércia e biocompatibilidade. Juntamente com seus valiosos atributos, incluindo alta condutividade térmica e elétrica, o nióbio é frequentemente utilizado na produção de pequenos componentes para marca-passos.

13. Tungstênio

O tungstênio é comumente usado em equipamentos médicos, principalmente na produção de tubos para procedimentos minimamente invasivos, como laparoscopia e endoscopia. Oferece resistência mecânica e também pode atender à necessidade de radiopacidade, tornando-o adequado para aplicações de inspeção por fluorescência. Além disso, a densidade do tungstênio supera a do chumbo, tornando-o uma alternativa ecologicamente correta para materiais de proteção contra radiação.

Materiais biocompatíveis disponíveis para dispositivos médicos

Quando se trata de materiais biocompatíveis utilizados em ambientes de saúde, eles devem obedecer a critérios específicos que podem não se aplicar a outros produtos.

Por exemplo, eles precisam ser não tóxicos quando em contato com tecidos humanos ou fluidos corporais. Além disso, devem possuir resistência a produtos químicos utilizados para esterilização, como produtos de limpeza e desinfetantes. No caso de metais médicos utilizados em implantes, eles devem ser atóxicos, não corrosivos e não magnéticos. A pesquisa explora continuamente novas ligas metálicas, bem como outros materiais comoplásticoecerâmica , para avaliar sua adequação como materiais biocompatíveis. Além disso, alguns materiais podem ser seguros para contacto a curto prazo, mas não apropriados para implantes permanentes.

Devido às inúmeras variáveis ​​envolvidas, órgãos reguladores como o FDA nos Estados Unidos, juntamente com outras agências globais, não certificam matérias-primas para dispositivos médicos per se. Em vez disso, a classificação é atribuída ao produto final e não ao seu material constituinte. No entanto, a seleção de um material biocompatível continua a ser o passo inicial e crucial para alcançar a classificação desejada.

Por que os metais são o material preferido para componentes de dispositivos médicos?

Em situações onde são necessárias resistência e rigidez excepcionais, os metais, especialmente em pequenas seções transversais, são frequentemente a escolha preferida. Eles são adequados para componentes que precisam ser moldados ou usinados em formas complexas, comosondas , lâminas e pontas. Além disso, os metais se destacam em peças mecânicas que interagem com outros componentes metálicos, como alavancas,engrenagens , slides e gatilhos. Eles também são adequados para componentes que passam por esterilização a altas temperaturas ou que necessitam de propriedades mecânicas e físicas superiores em comparação com materiais à base de polímeros.

Os metais normalmente oferecem uma superfície durável e brilhante que facilita a limpeza e a esterilização. Titânio, ligas de titânio, aço inoxidável e ligas de níquel são altamente utilizados em equipamentos médicos devido à sua capacidade de atender a requisitos rigorosos de limpeza em aplicações de saúde. Por outro lado, metais propensos à oxidação superficial descontrolada e destrutiva, como aço, alumínio ou cobre, são excluídos de tais aplicações. Esses metais de alto desempenho apresentam propriedades únicas, algumas limitações e versatilidade excepcional. Trabalhar com estes materiais exige abordagens de design inovadoras, que podem diferir daquelas normalmente empregadas com metais ou plásticos padrão, oferecendo uma infinidade de possibilidades para engenheiros de produto.

Formas preferidas de determinados metais usados ​​em dispositivos médicos

Existem várias formas de ligas de titânio, aço inoxidável e ligas endurecíveis que são comumente usadas na indústria médica, incluindo placas, barras, folhas, tiras, chapas, barras e fios. Essas diferentes formas são necessárias para atender aos requisitos específicos dos componentes de dispositivos médicos, que geralmente são de natureza pequena e complexa.

Para fabricar essas formas,prensas de estampagem são normalmente empregados. Tiras e fios são os materiais de partida mais comumente usados ​​para este tipo de processamento. Essas formas de moinho vêm em vários tamanhos, com espessuras de tira variando de folha ultrafina de 0,001 pol. a 0,125 pol., e fio plano disponível em espessuras de 0,010 pol. a 0,100 pol. e larguras de 0,150 pol. a 0,750 pol. .

Considerações sobre o uso de metais na fabricação de dispositivos médicos

Neste setor, examinaremos quatro fatores principais ao utilizar metais na fabricação de dispositivos médicos, ou seja, usinagem, conformabilidade, controle de dureza eacabamento de superfície.

1. Usinagem

As propriedades de usinagem da liga 6-4 se assemelham muito às dos aços inoxidáveis ​​austeníticos, com ambos os materiais classificados em torno de 22% do aço AISI B-1112. No entanto, deve-se notar que o titânio reage com ferramentas de metal duro, e esta reação é intensificada pelo calor. Portanto, é recomendado o uso de inundação intensa com fluido de corte ao usinar titânio.

É importante evitar o uso de fluidos que contenham halogênio, pois podem representar risco de causar corrosão sob tensão se não forem completamente removidos após as operações de usinagem.

2. Formabilidade

Os estampadores normalmente preferem materiais que sejam fáceis de moldar a frio. Porém, vale ressaltar que a conformabilidade está inversamente relacionada às propriedades específicas que os compradores buscam ao selecionar essas ligas, como excelente dureza e resistência.

Por exemplo, os agrafos cirúrgicos necessitam de possuir resistência máxima para evitar a separação, mesmo com uma secção transversal muito estreita. Ao mesmo tempo, devem ser extremamente moldáveis ​​para permitir que os cirurgiões os fechem firmemente sem a necessidade de ferramentas de grampos invasivas.

Alcançar um equilíbrio entre resistência e conformabilidade pode ser efetivamente alcançado durante o estágio de nova rolagem. Rolando cuidadosamente a tira até a espessura desejada e empregando recozimento entre passes para neutralizar os efeitos do endurecimento por trabalho, um nível ideal de conformabilidade é alcançado.

Os relaminadores empregam um processo de tratamento térmico alternado elaminação a friopara fornecer um material moldável que seja adequado para conformação, trefilação e puncionamento usando equipamentos convencionais de estampagem multislide e multidie.

Embora a ductilidade do titânio e suas ligas possa ser inferior à de outros metais estruturais comumente usados, os produtos de tira ainda podem ser facilmente formados à temperatura ambiente, embora a uma taxa mais lenta do que o aço inoxidável.

Após a conformação a frio, o titânio apresenta elasticidade devido ao seu baixo módulo de elasticidade, que é aproximadamente metade do do aço. É importante notar que o grau de retorno elástico aumenta com a resistência do metal.

Quando os esforços à temperatura ambiente não são suficientes, as operações de conformação podem ser realizadas a temperaturas elevadas, uma vez que a ductilidade do titânio aumenta com a temperatura. Geralmente, as tiras e folhas de titânio não ligadas são formadas a frio.

No entanto, há uma exceção paraligas alfa , que são ocasionalmente aquecidos a temperaturas entre 600°F e 1200°F para evitar o retorno elástico. Vale a pena notar que além de 1100°F, a oxidação das superfícies de titânio torna-se uma preocupação, portanto uma operação de descalcificação pode ser necessária.

Como o atributo de soldagem a frio do titânio é superior ao do aço inoxidável, a lubrificação adequada é crucial ao conduzir qualquer operação envolvendo titânio que entre em contato commatrizes de metalou equipamento de formação.

3. Controle de dureza

Utilizando um processo de laminação e recozimento para alcançar um equilíbrio entre conformabilidade e resistência em ligas. Ao recozer entre cada passe de laminação, os efeitos do endurecimento por trabalho são eliminados, resultando no revenido desejado que mantém a resistência do material e ao mesmo tempo proporciona a conformabilidade necessária.

Para atender especificações rigorosas e minimizar custos, os especialistas daGRUPO HUAYI pode ajudar na seleção de ligas e oferecer soluções abrangentes para sua usinagem de metais médicos. Isso garante que as ligas possuam a combinação desejada de propriedades, alinhando-se aos requisitos e restrições específicos.

4. Acabamento de superfície

Durante a fase de relaminagem, é determinado o acabamento superficial dos produtos à base de titânio e de tiras de aço inoxidável. Os projetistas têm uma variedade de opções para escolher, incluindo um acabamento brilhante e reflexivo, uma superfície fosca que facilita a transferência de lubrificação ou outras superfícies especializadas necessárias para fins de colagem, brasagem ou soldagem.

Os acabamentos superficiais são criados pelo contato entre os rolos de trabalho e o material no laminador. Por exemplo, o uso de rolos de metal duro altamente polidos resulta em um acabamento espelhado e reflexivo, enquanto os rolos de aço jateado produzem um acabamento fosco com uma rugosidade de 20-40 µin. RMS. Os rolos de metal duro jateados fornecem um acabamento fosco com 18-20 µin. Rugosidade RMS.

Este processo é capaz de produzir uma superfície com rugosidade de até 60 µin. RMS, que representa um nível relativamente alto derigidez da superfície.

Metais e ligas comumente usados ​​para aplicações médicas

Aço inoxidável, titânio e ligas à base de níquel são percebidos como materiais mais avançados em comparação aos convencionais. No entanto, eles também trazem uma gama mais ampla de recursos para a mesa. Esses materiais têm a capacidade de modificar suas características mecânicas por meio de processos como aquecimento, resfriamento e têmpera. Além disso, durante o processamento, eles podem sofrer modificações adicionais conforme necessário. Por exemplo, laminar metais em espessuras mais finas pode aumentar sua dureza, enquanto o recozimento pode restaurar suas propriedades para um temperamento preciso, permitindo uma modelagem econômica.

Esses metais funcionam bem emaplicações médicas . Eles exibem excepcional resistência à corrosão, possuem altas capacidades mecânicas, oferecem uma ampla gama de opções de tratamento de superfície e proporcionam excelente versatilidade de produção quando os projetistas se familiarizam com sua complexidade.

Conclusão

Ao fabricar equipamentos médicos, é crucial escolher cuidadosamente os metais apropriados. Os metais comumente usados ​​para essa finalidade incluem aço inoxidável, titânio, cromo-cobalto, cobre, tântalo e platina. Estes metais são preferidos devido à sua excelente biocompatibilidade e durabilidade. Embora o paládio também esteja ganhando reconhecimento, a sua utilização é relativamente limitada devido aos seus custos mais elevados. Esperamos que este guia o ajude a encontrar o metal adequado para seus projetos ou aplicações médicas.