Оптимизация металлов для производства медицинского оборудования

Рост случаев заболевания COVID-19 привел к увеличению спроса на медицинское оборудование, что, в свою очередь, подчеркнуло важность выбора материалов для разработчиков и производителей медицинских изделий. Крайне важно выбрать подходящие материалы для медицинских деталей и оборудования, чтобы обеспечить удобство использования, качество и соответствие стандартам. Выбор правильных материалов может обеспечить максимальную экономичность и надежность.

Металлические биоматериалы или медицинские металлы широко используются в производстве хирургических вспомогательных средств и инструментов, предлагая широкий выбор вариантов. Успешное развитие таких материалов, как кобальт-хромовый сплав, нержавеющая сталь, титан и различные сплавы, а также их широкое использование в стоматологии и ортопедии прочно утвердило значение металлических медицинских материалов в производстве медицинского оборудования.

При разработке устройств для медицинских и медицинских целей производителям очень важно проявлять осторожность при выборе подходящего сырья. Помимо соответствия необходимым техническим спецификациям для применения, выбранные материалы также должны обеспечивать отсутствие каких-либо потенциальных рисков при контакте с телом человека или различными химическими веществами, обычно встречающимися в клинических условиях. Особое внимание необходимо уделить как функциональным требованиям, так и совместимости материалов с предполагаемым использованием.

В медицине и здравоохранении свою ценность доказали многочисленные чистые металлы и металлические сплавы. В этой статье будут рассмотрены тринадцать наиболее распространенных типов металлических биоматериалов и металлов, используемых в производстве медицинского оборудования.

• 13 типов металлов для производства медицинских деталей и устройств

Давайте рассмотрим тринадцать наиболее распространенных типов чистых металлов и металлических сплавов, их применение, а также их плюсы и минусы в медицине и производстве медицинского оборудования.

1. Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь очень подходит для широкого спектра медицинского оборудования благодаря своей нетоксичности, некоррозионности и долговечности. Кроме того, его можно отполировать до идеального состояния, которое можно легко очистить. Поскольку нержавеющая сталь доступна в различных вариантах, каждый из которых обладает уникальными механическими и химическими свойствами, выбор подходящего типа имеет решающее значение.

Нержавеющая сталь 316 и 316L является наиболее часто используемым типом для медицинских имплантатов и пирсинга из-за ее исключительной коррозионной стойкости. Этот атрибут важен для предотвращения коррозии кровотока, которая может привести к инфекциям и потенциально смертельным последствиям. Кроме того, нержавеющая сталь содержит разновидности с низким содержанием никеля, поэтому у пациентов редко возникают аллергические реакции на никель.

Нержавеющая сталь 440 обычно используется при производстве хирургических инструментов. Хотя он может обеспечить более низкую коррозионную стойкость по сравнению с 316, его более высокое содержание углерода позволяеттермическая обработка, что приводит к созданиюострые края подходит для режущих инструментов. Нержавеющая сталь находит широкое применение в ортопедии, например, при замене тазобедренных суставов и стабилизации сломанных костей с помощью винтов и пластин. Более того, его часто используют для производства прочных и легко очищаемых хирургических инструментов, таких как кровоостанавливающие зажимы, пинцеты, щипцы и другого оборудования, требующего как долговечности, так и стерильности.

Поскольку нержавеющая сталь содержит железо, которое со временем может привести к коррозии, существует риск для окружающих тканей из-за разрушения имплантата. Для сравнения, медицинские металлы, такие как титан или кобальт-хром, обладают большей коррозионной стойкостью. Однако обратите внимание, что эти альтернативные металлы могут быть более дорогими.

2. Медь

Из-за своей сравнительно меньшей прочности,медь не широко используется для производства хирургического оборудования и имплантатов. Однако его выдающиеся антибактериальные и противовирусные свойства делают его распространенным выбором в области хирургии и профилактики заболеваний.

Прямое использование меди для медицинских имплантатов встречается редко из-за ее мягкости и потенциальной токсичности для тканей. Тем не менее, некоторые медные сплавы по-прежнему используются в зубных имплантатах и ​​для снижения риска заражения.операции по пересадке кости.

Медь действительно выделяется как медицинский металл благодаря своим исключительным противовирусным и антибактериальным свойствам. Это делает медь идеальным материалом для поверхностей, к которым часто прикасаются, таких как дверные ручки, перила кроватей и выключатели. Что отличает медь, так это то, чтоFDAодобрил более 400 различных медных сплавов как биоцидные, эффективно предотвращающие передачу вирусов, таких как SARS-CoV-2.

Под воздействием окружающей среды чистая медь легко окисляется, в результате чего она приобретает зеленоватый цвет. Несмотря на это, он сохраняет свои антимикробные свойства. Однако некоторые люди могут воспринимать изменение цвета как непривлекательное. Для решения этой проблемы обычно используются сплавы, обладающие разной степенью эффективности против микробов. Другой вариант — нанесение тонкопленочных покрытий для предотвращения окисления при сохранении антибактериальных свойств меди.

3. Титан

Титан очень популярен среди металлов, обычно используемых в производстве медицинских изделий. Помимо внутреннего медицинского оборудования, он также используется в производстве внешних устройств, таких как хирургические инструменты, стоматологическое оборудование и ортопедическое оборудование. Чистый титан, известный своей чрезвычайной инертностью, является наиболее дорогим вариантом, который часто используется для компонентов сверхвысокой надежности или для компонентов, предназначенных для длительного использования в организме пациента после операции.

В настоящее время титан часто используется в качестве заменителя нержавеющей стали, особенно при производстве костных опор и заменителей. Титан обладает сравнимой с нержавеющей сталью прочностью и долговечностью, но при этом легче. Кроме того, он демонстрирует отличные свойства биосовместимости.

Титановые сплавы также хорошо подходят для зубных имплантатов. Это связано с тем, что титан можно использовать в3D печать металлом для изготовления полностью индивидуальных компонентов на основе сканирований и рентгеновских снимков пациента. Это обеспечивает безупречную посадку и индивидуальное решение.

Титан отличается легкостью и прочностью, превосходя нержавеющую сталь по устойчивости к коррозии. Тем не менее, существуют определенные ограничения, которые следует учитывать. Титановые сплавы могут проявлять недостаточную устойчивость к усталости при изгибе при длительных динамических нагрузках. Более того, при использовании в сменных соединениях титан не так устойчив к трению и износу.

4. Кобальт-хром

Состоит из хрома и кобальта,кобальт хром представляет собой сплав, который предлагает ряд преимуществ для хирургических инструментов. Его пригодность для3D-печатьиобработка с ЧПУ позволяет удобно формировать желаемые формы. Более того,электрополировка применяется для обеспечения гладкой поверхности и сведения к минимуму риска загрязнения. Обладая превосходными характеристиками, такими как прочность, износостойкость и устойчивость к высоким температурам, кобальт-хром является одним из лучших вариантов металлических сплавов. Его биосовместимость делает его идеальным для ортопедического протезирования, замены суставов и зубных имплантатов.

Сплавы кобальта и хрома являются высоко ценимыми медицинскими металлами, используемыми для замены суставов тазобедренного и плечевого суставов. Однако существуют опасения по поводу потенциального выброса ионов кобальта, хрома и никеля в кровоток, поскольку эти сплавы со временем постепенно изнашиваются.

5. Алюминий

Редко при прямом контакте с телом,алюминий по-прежнему широко используется в производстве различного вспомогательного оборудования, для которого необходимы легкие, прочные и устойчивые к коррозии свойства. Примеры включают внутривенные стенты, трости, каркасы кроватей, инвалидные коляски и ортопедические стенты. Из-за склонности к ржавчине или окислению алюминиевые компоненты обычно требуют окраски или анодирования для повышения их прочности и срока службы.

6. Магний

Сплавы магния — это медицинские металлы, известные своей исключительной легкостью и прочностью, напоминающие по весу и плотности натуральную кость. Более того, магний демонстрирует биобезопасность, поскольку он естественным и безопасным образом биоразлагается с течением времени. Это свойство делает его пригодным для использования в качестве временных стентов или заменителей костных трансплантатов, устраняя необходимость в процедурах вторичного удаления.

Однако магний быстро окисляется, что требуетобработка поверхности . Кроме того, обработка магния может быть сложной задачей, и необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать потенциально летучих реакций с кислородом.

7. Золото

Золото, возможно, один из первых металлов, используемых в медицине, может похвастаться превосходной коррозионной стойкостью и биосовместимостью. Его податливость позволяет легко придавать ему форму, что в прошлом делало его популярным выбором для различных ремонтов зубов. Однако эта практика стала менее распространенной, и теперь золото заменяется золотом.синтетические материалыво многих случаях.

Хотя золото действительно обладает некоторыми биоцидными свойствами, стоит отметить, что его стоимость и редкость ограничивают его использование. Обычно золото используется в виде очень тонких покрытий, а не в виде чистого золота. Позолоченные покрытия обычно встречаются на проводниках, проводах и других микроэлектронных компонентах, используемых в имплантатах электростимуляции идатчики.

8. Платина

Платина, еще один чрезвычайно стабильный и инертный металл, считается отличным вариантом для хирургических устройств и оборудования благодаря своей биосовместимости и исключительной проводимости. Нежные платиновые провода широко используются во внутренних электронных имплантатах, таких как слуховые аппараты и кардиостимуляторы. Кроме того, платина находит применение в лечении неврологических расстройств и мониторинге мозговых волн.

9. Серебро

Подобно меди, серебро обладает присущими ему антимикробными свойствами, что делает его ценным в различных областях применения. Он находит применение в стентах и ​​ненесущих имплантатах и ​​даже включается в цементирующие составы, используемые для гипсования костей. Кроме того, серебро сплавляют с цинком или медью для изготовления зубных пломб.

10. Тантал

Тантал обладает замечательными характеристиками, такими как высокая термостойкость, отличная обрабатываемость, устойчивость к кислотам и коррозии, а также сочетание пластичности и прочности. Будучи высокопористым тугоплавким металлом, он способствует росту и интеграции костей, что делает его пригодным для имплантатов при наличии кости.

Тантал находит применение в различных медицинских инструментах и ​​диагностических маркерных лентах благодаря своей невосприимчивости к биологическим жидкостям и устойчивости к коррозии. Появление3D-печатьпозволило использовать тантал в заменителях костей черепа и стоматологических устройствах, таких как коронки иливинт посты. Однако из-за своей редкости и стоимости тантал часто используется в композиционных материалах, а не в чистом виде.

11. Нитинол

Нитинол — это сплав никеля и титана, известный своей исключительной коррозионной стойкостью и биосовместимостью. Его уникальная кристаллическая структура позволяет ему проявлять сверхэластичность и эффект памяти формы. Эти свойства произвели революцию в индустрии медицинского оборудования, позволив материалу вернуться к своей первоначальной форме после деформации в зависимости от определенной температуры.

В медицинских процедурах, где точность имеет решающее значение, нитинол обеспечивает гибкость при перемещении в ограниченном пространстве, сохраняя при этом долговечность, чтобы выдерживать значительные нагрузки (до 8%). Его легкий вес и отличные характеристики делают его идеальным выбором для производства различных биомедицинских приложений. Примеры включают ортодонтические проволоки, костные анкеры, скобы, спейсеры, инструменты для сердечного клапана, проводники и стенты. Нитинол также можно использовать для создания маркеров и диагностических линий для обнаружения опухолей молочной железы, предлагая менее инвазивные варианты диагностики и лечения рака молочной железы.

12. Ниобий

Ниобий, тугоплавкий специальный металл, находит применение в современном медицинском оборудовании. Он известен своей исключительной инертностью и биосовместимостью. Помимо своих ценных свойств, включая высокую тепло- и электропроводность, ниобий часто используется в производстве небольших компонентов для кардиостимуляторов.

13. Вольфрам

Вольфрам обычно используется в медицинском оборудовании, особенно при производстве трубок для минимально инвазивных процедур, таких как лапароскопия и эндоскопия. Он обеспечивает механическую прочность, а также удовлетворяет требованиям по рентгеноконтрастности, что делает его пригодным для флуоресцентного контроля. Кроме того, плотность вольфрама превосходит плотность свинца, что делает его экологически чистой альтернативой материалам, защищающим от радиации.

Биосовместимые материалы доступны для медицинских устройств

Когда речь идет о биосовместимых материалах, используемых в медицинских учреждениях, они должны соответствовать определенным критериям, которые могут не применяться к другим продуктам.

Например, они должны быть нетоксичными при контакте с тканями человека или жидкостями организма. Кроме того, они должны обладать устойчивостью к химическим веществам, используемым для стерилизации, таким как чистящие и дезинфицирующие средства. В случае медицинских металлов, используемых для имплантатов, они должны быть нетоксичными, некоррозионными и немагнитными. Исследования постоянно исследуют новые металлические сплавы, а также другие материалы, такие какпластикикерамический , чтобы оценить их пригодность в качестве биосовместимых материалов. Более того, некоторые материалы могут быть безопасны для кратковременного контакта, но непригодны для постоянных имплантатов.

Из-за множества переменных регулирующие органы, такие как FDA в США, наряду с другими глобальными агентствами, не сертифицируют сырье для медицинских устройств как таковое. Вместо этого классификация присваивается конечному продукту, а не составляющему его материалу. Тем не менее, выбор биосовместимого материала остается первым и решающим шагом на пути к достижению желаемой классификации.

Почему металлы являются предпочтительным материалом для компонентов медицинского оборудования?

В ситуациях, когда требуется исключительная прочность и жесткость, металлы, особенно небольшого сечения, часто являются предпочтительным выбором. Они хорошо подходят для компонентов, которым необходимо придать сложную форму или обработать ее на станке, например:зонды , лезвия и наконечники. Кроме того, металлы превосходны в механических деталях, которые взаимодействуют с другими металлическими компонентами, такими как рычаги,шестерни , слайды и триггеры. Они также подходят для компонентов, которые подвергаются высокотемпературной стерилизации или требуют превосходных механических и физических свойств по сравнению с материалами на основе полимеров.

Металлы обычно имеют прочную и блестящую поверхность, что облегчает очистку и стерилизацию. Титан, титановые сплавы, нержавеющая сталь и никелевые сплавы пользуются большим спросом в медицинском оборудовании благодаря их способности соответствовать строгим требованиям очистки в здравоохранении. И наоборот, металлы, склонные к неконтролируемому и разрушительному поверхностному окислению, такие как сталь, алюминий или медь, исключаются из таких применений. Эти высокопроизводительные металлы обладают уникальными свойствами, некоторыми ограничениями и исключительной универсальностью. Работа с этими материалами требует инновационных подходов к проектированию, которые могут отличаться от тех, которые обычно используются со стандартными металлами или пластиками, что открывает множество возможностей для инженеров-технологов.

Предпочтительные формы некоторых металлов, используемых в медицинских устройствах

Существует несколько форм титановых сплавов, нержавеющей стали и закаливаемых сплавов, которые обычно используются в медицинской промышленности, включая пластины, стержни, фольгу, полосы, листы, прутки и проволоку. Эти различные формы необходимы для удовлетворения конкретных требований к компонентам медицинских устройств, которые часто являются небольшими и сложными по своей природе.

Для изготовления этих форм используются автоматическиештамповочные прессы обычно трудоустроены. Полосы и проволока являются наиболее часто используемыми исходными материалами для этого типа обработки. Эти прокатные формы бывают разных размеров: толщина полосы варьируется от ультратонкой фольги от 0,001 до 0,125 дюйма, а плоская проволока доступна толщиной от 0,010 до 0,100 дюйма и шириной от 0,150 до 0,750 дюйма. .

Рекомендации по использованию металлов в производстве медицинского оборудования

В этом секторе мы рассмотрим четыре основных фактора при использовании металлов для производства медицинского оборудования, а именно: механическая обработка, формуемость, контроль твердости ичистота поверхности.

1. Обработка

Механические свойства сплава 6-4 очень похожи на свойства аустенитных нержавеющих сталей: оба материала содержат около 22% стали AISI B-1112. Однако следует отметить, что титан вступает в реакцию с твердосплавным инструментом, и эта реакция усиливается при нагревании. Поэтому при обработке титана рекомендуется использовать сильное заполнение смазочно-охлаждающей жидкостью.

Важно избегать использования жидкостей, содержащих галогены, поскольку они могут представлять опасность возникновения коррозии под напряжением, если их тщательно не удалить после операций механической обработки.

2. Формируемость

Штамповщики обычно предпочитают материалы, которые легко поддаются холодной формовке. Однако стоит отметить, что формуемость обратно пропорциональна конкретным свойствам, которые покупатели ищут при выборе этих сплавов, например превосходной твердости и прочности.

Например, хирургические скобы должны обладать максимальной прочностью, чтобы предотвратить разделение, даже при очень тонком поперечном сечении. В то же время они должны быть чрезвычайно пластичными, чтобы хирурги могли плотно закрыть их, не прибегая к использованию инвазивных скобочных инструментов.

Достижение баланса между прочностью и формуемостью может быть эффективно достигнуто на этапе переката. Оптимальный уровень формуемости достигается за счет тщательной прокатки полосы до желаемой толщины и применения отжига между проходами для противодействия эффекту наклепа.

Рероллеры используют процесс попеременной термообработки ихолодная прокаткаполучить формуемый материал, который хорошо подходит для формовки, волочения и штамповки с использованием обычного многоползунового и многоштамповочного оборудования.

Хотя пластичность титана и его сплавов может быть ниже, чем у других обычно используемых конструкционных металлов, полосовые изделия все же можно легко формовать при комнатной температуре, хотя и с меньшей скоростью, чем нержавеющая сталь.

После холодной штамповки титан демонстрирует возвратную пружину из-за его низкого модуля упругости, который примерно вдвое меньше, чем у стали. Стоит отметить, что степень упругости увеличивается с увеличением прочности металла.

Когда усилия при комнатной температуре недостаточны, операции формовки можно проводить при повышенных температурах, поскольку пластичность титана увеличивается с температурой. Обычно нелегированные титановые ленты и листы подвергаются холодной штамповке.

Однако есть исключение дляальфа-сплавы , которые иногда нагреваются до температуры от 600°F до 1200°F, чтобы предотвратить пружинение. Стоит отметить, что при температуре выше 1100°F окисление титановых поверхностей становится проблемой, поэтому может потребоваться операция по удалению накипи.

Поскольку свойства титана при холодной сварке выше, чем у нержавеющей стали, правильная смазка имеет решающее значение при проведении любой операции с титаном, который вступает в контакт сметаллические штампыили формовочное оборудование.

3. Контроль твердости

Использование процесса прокатки и отжига для достижения баланса между формуемостью и прочностью сплавов. За счет отжига между каждым проходом устраняются эффекты наклепа, в результате чего получается желаемый отпуск, который сохраняет прочность материала, обеспечивая при этом необходимую формуемость.

Чтобы соответствовать строгим спецификациям и минимизировать затраты, эксперты компанииХУАЙИ ГРУППА может помочь в выборе сплава и предложить комплексные решения для обработки медицинских металлов. Это гарантирует, что сплавы обладают желаемой комбинацией свойств, соответствующих конкретным требованиям и ограничениям.

4. Отделка поверхности

На этапе переката определяется качество поверхности полосовых изделий из титана и нержавеющей стали. У дизайнеров есть множество вариантов на выбор, включая яркую и отражающую поверхность, матовую поверхность, облегчающую перенос смазки, или другие специализированные поверхности, необходимые для склеивания, пайки или сварки.

Поверхностная обработка создается за счет контакта между рабочими валками и материалом в прокатном стане. Например, использование тщательно отполированных твердосплавных валков дает зеркально-яркую и отражающую поверхность, а стальные валки, подвергнутые дробеструйной обработке, дают матовую поверхность с шероховатостью 20–40 микродюймов. среднеквадратичное значение. Твердосплавные валки, прошедшие дробеструйную обработку, обеспечивают матовую поверхность толщиной 18–20 микродюймов. Среднеквадратическая шероховатость.

Этот процесс позволяет получить поверхность с шероховатостью до 60 микродюймов. RMS, что представляет собой относительно высокий уровеньшероховатость поверхности.

Обычно используемые металлы и сплавы для медицинских целей

Нержавеющая сталь, титан и сплавы на основе никеля воспринимаются как более совершенные материалы по сравнению с традиционными. Однако они также предоставляют более широкий спектр возможностей. Эти материалы обладают способностью изменять свои механические характеристики посредством таких процессов, как нагрев, охлаждение и закалка. Более того, в процессе обработки они могут подвергаться дальнейшим модификациям по мере необходимости. Например, прокатка металлов до более тонких листов может повысить их твердость, а отжиг может восстановить их свойства до точного состояния, что позволяет обеспечить экономически эффективную обработку.

Эти металлы хорошо себя зарекомендовалимедицинское применение . Они демонстрируют исключительную коррозионную стойкость, обладают высокими механическими характеристиками, предлагают широкий спектр вариантов обработки поверхности и обеспечивают превосходную универсальность производства, как только дизайнеры ознакомятся с их сложностью.

Заключение

При производстве медицинского оборудования очень важно тщательно выбирать подходящие металлы. Обычно для этой цели используются такие металлы, как нержавеющая сталь, титан, кобальт, хром, медь, тантал и платина. Эти металлы предпочтительны из-за их превосходной биосовместимости и долговечности. Хотя палладий также получает признание, его использование относительно ограничено из-за более высокой стоимости. Мы надеемся, что это руководство поможет вам найти подходящий металл, который подойдет для ваших медицинских проектов или применений.