Optimera metaller för tillverkning av medicinsk utrustning

Ökningen av covid-19-fall har lett till en högre efterfrågan på medicinsk utrustning, vilket i sin tur har betonat vikten av materialval för designers och tillverkare av medicintekniska produkter. Det är avgörande att välja rätt material för medicinska delar och utrustning för att säkerställa användbarhet, kvalitet och överensstämmelse med standarder. Att välja rätt material kan erbjuda fördelarna med maximal kostnadseffektivitet och tillförlitlighet.

Metalliska biomaterial eller medicinska metaller har använts i stor utsträckning i produktionen av kirurgiska hjälpmedel och verktyg, och erbjuder en mängd olika alternativ att välja mellan. Den framgångsrika utvecklingen av material som kobolt-kromlegering, rostfritt stål, titan och olika legeringar, tillsammans med deras breda användning inom tandvård och ortopedi, har tydligt fastställt betydelsen av metalliska medicinska material vid tillverkning av medicintekniska produkter.

När man designar apparater för medicinska och hälsovårdsändamål är det av stor vikt för tillverkare att vara försiktiga med att välja lämpliga råvaror. Förutom att uppfylla de nödvändiga tekniska specifikationerna för applikationen, måste de valda materialen också säkerställa frånvaron av potentiella risker vid kontakt med människokroppen eller de olika kemikalier som vanligtvis förekommer i kliniska miljöer. Noggrann hänsyn måste tas till både funktionskrav och materialens förenlighet med den avsedda användningen.

Inom medicin- och hälsovårdssektorn har många rena metaller och metallegeringar bevisat sitt värde. Den här artikeln kommer att gå igenom de tretton vanligaste typerna av metalliska biomaterial och metaller som används vid tillverkning av medicintekniska produkter.

• 13 typer av metaller för tillverkning av medicinska delar och apparater

Låt oss se de tretton vanligaste typerna av rena metaller och metallegeringar, deras tillämpningar och deras för- och nackdelar inom medicin och sjukvårdsutrustningstillverkning.

1. Rostfritt stål

Rostfritt stål är mycket lämplig för ett brett utbud av medicinska apparater på grund av dess giftfria, icke-frätande och hållbara natur. Dessutom kan den poleras till en fin finish som lätt kan rengöras. Eftersom rostfritt stål finns i olika varianter, var och en med unika mekaniska och kemiska egenskaper, är valet av lämplig typ avgörande.

316 och 316L rostfritt stål är de mest använda typerna för medicinska implantat och kroppspiercingar på grund av deras exceptionella korrosionsbeständighet. Denna egenskap är väsentlig för att förhindra korrosion av blodomloppet, vilket kan leda till infektioner och potentiellt dödliga konsekvenser. Dessutom innehåller rostfritt stål varianter med låg nickelhalt så patienter drabbas sällan av allergiska reaktioner mot nickel.

440 rostfritt stål används vanligtvis vid tillverkning av kirurgiska verktyg. Även om det kan erbjuda lägre korrosionsbeständighet jämfört med 316, tillåter dess högre kolinnehållvärmebehandling, vilket resulterar i skapandet avvassa kanter lämplig för skärinstrument. Rostfritt stål har en utbredd användning inom ortopedi, till exempel vid ersättning av höftleder och stabilisering av frakturerade ben med skruvar och plattor. Dessutom används den ofta för att tillverka hållbara och lättrengörbara kirurgiska verktyg som hemostater, pincett, pincett och annan utrustning som kräver både hållbarhet och sterilitet.

Eftersom rostfritt stål innehåller järn, vilket kan leda till korrosion med tiden, finns det en risk för omgivande vävnad då implantatet försämras. I jämförelse erbjuder medicinska metaller som titan eller koboltkrom större korrosionsbeständighet. Observera dock att dessa alternativa metaller kan vara dyrare.

2. Koppar

På grund av dess relativt svagare styrka,koppar används inte i stor utsträckning för att producera kirurgisk utrustning och implantat. Men dess anmärkningsvärda antibakteriella och antivirala egenskaper gör det till ett utbrett val inom området kirurgi och sjukdomsförebyggande.

Direkt användning av koppar för medicinska implantat är ovanligt på grund av dess mjukhet och potentiella toxicitet i vävnaden. Vissa kopparlegeringar används dock fortfarande i tandimplantat och för att mildra infektionsrisker ibentransplantationsoperationer.

Koppar utmärker sig verkligen som en medicinsk metall på grund av dess exceptionella antivirala och antibakteriella egenskaper. Detta gör koppar till ett idealiskt material för ytor som ofta berörs, såsom dörrhandtag, sängräcken och strömbrytare. Det som skiljer koppar åt är attFDAhar godkänt över 400 olika kopparlegeringar som biocider, vilket effektivt förhindrar överföring av virus som SARS-CoV-2.

När den utsätts för miljön, genomgår ren koppar lätt oxidation, vilket resulterar i en grönaktig färg. Trots detta behåller den sina antimikrobiella egenskaper. Vissa individer kan dock uppfatta missfärgningen som oattraktiv. För att komma till rätta med detta används vanligtvis legeringar, som erbjuder olika nivåer av effektivitet mot mikrober. Ett annat alternativ är att applicera tunnfilmsbeläggningar för att förhindra oxidation samtidigt som kopparns antibakteriella egenskaper bevaras.

3. Titan

Titan är mycket gynnad bland de metaller som vanligtvis används vid tillverkning av medicinsk utrustning. Bortsett från intern medicinsk utrustning används den också vid tillverkning av externa enheter som kirurgiska instrument, tandutrustning och ortopedisk utrustning. Rent titan, känt för att vara extremt inert, är det mest kostsamma alternativet som ofta reserverats för komponenter med ultrahög tillförlitlighet eller de som är avsedda för långvarig användning i en patients kropp efter operation.

Nuförtiden används titan ofta som ersättning för rostfritt stål, särskilt vid tillverkning av benstöd och ersättningar. Titan har jämförbar styrka och hållbarhet som rostfritt stål samtidigt som det är lättare i vikt. Dessutom visar den utmärkta biokompatibilitetsegenskaper.

Titanlegeringar är också mycket lämpliga för tandimplantat. Detta tillskrivs det faktum att titan kan användas i3D-utskrift av metall att tillverka helt anpassade komponenter baserat på en patients skanningar och röntgenbilder. Detta möjliggör en oklanderlig passform och personlig lösning.

Titan utmärker sig för sin lätta och robusta natur och överträffar rostfritt stål när det gäller korrosionsbeständighet. Ändå finns det vissa begränsningar att ta hänsyn till. Titanlegeringar kan uppvisa otillräckligt motstånd mot böjutmattning under kontinuerliga dynamiska belastningar. Dessutom, när det används i ersättningsleder, är titan inte lika motståndskraftigt mot friktion och slitage.

4. Koboltkrom

Består av krom och kobolt,kobolt krom är en legering som erbjuder flera fördelar för kirurgiska instrument. Dess lämplighet för3d-utskrivningochCNC-bearbetning möjliggör bekväm formning av önskade former. Dessutom,elektropolering implementeras för att säkerställa en slät yta, vilket minimerar risken för kontaminering. Med utmärkta egenskaper som styrka, slitstyrka och uthållighet vid höga temperaturer är koboltkrom bland de bästa valen för metallegeringar. Dess biokompatibilitet gör den idealisk för ortopediska proteser, ledproteser och tandimplantat.

Koboltkromlegeringar är högt ansedda medicinska metaller som används för ersättning av höft- och axelskålar. Det har dock funnits oro angående den potentiella frisättningen av kobolt-, krom- och nickeljoner i blodomloppet eftersom dessa legeringar gradvis slits ut med tiden.

5. Aluminium

Sällan i direkt kontakt med kroppen,aluminium används fortfarande i stor utsträckning vid produktion av olika stödutrustning som kräver lätta, robusta och korrosionsbeständiga egenskaper. Exempel inkluderar intravenösa stentar, promenadkäppar, sängramar, rullstolar och ortopediska stentar. På grund av dess tendens att rosta eller oxidera, kräver aluminiumkomponenter vanligtvis målnings- eller anodiseringsprocesser för att förbättra deras hållbarhet och livslängd.

6. Magnesium

Magnesiumlegeringar är medicinska metaller kända för sin exceptionella lätthet och styrka, som liknar vikten och densiteten hos naturligt ben. Dessutom visar magnesium biosäkerhet eftersom det naturligt och säkert bryts ned biologiskt över tiden. Denna egenskap gör den lämplig för tillfälliga stentar eller bentransplantatersättningar, vilket eliminerar behovet av sekundära borttagningsprocedurer.

Men magnesium oxiderar snabbt, vilket gör det nödvändigtytbehandling . Dessutom kan bearbetning av magnesium vara utmanande och försiktighetsåtgärder måste vidtas för att undvika potentiellt flyktiga reaktioner med syre.

7. Guld

Guld, möjligen en av de tidigaste medicinska metallerna som används, har utmärkt korrosionsbeständighet och biokompatibilitet. Dess formbarhet möjliggör enkel formning, vilket gör den till ett populärt val tidigare för olika tandreparationer. Men denna praxis har blivit mindre utbredd, med guld som nu ersätts avsyntetiska materiali många fall.

Även om guld har vissa biocida egenskaper, är det värt att notera att dess kostnad och sällsynthet begränsar dess användning. Vanligtvis används guld i mycket tunna pläteringar snarare än som massivt guld. Guldplätering finns vanligtvis på ledare, ledningar och andra mikroelektroniska komponenter som används i elektrostimuleringsimplantat ochsensorer.

8. Platina

Platina, en annan djupt stabil och inert metall, anses vara ett utmärkt alternativ för kirurgiska enheter och utrustning på grund av dess biokompatibilitet och exceptionella ledningsförmåga. Ömtåliga platinatrådar används ofta i interna elektroniska implantat som hörapparater och pacemakers. Dessutom finner platina dess tillämpningar relaterade till neurologiska störningar och övervakning av hjärnvågor.

9. Silver

I likhet med koppar har silver inneboende antimikrobiella egenskaper, vilket gör det värdefullt i olika applikationer. Det kan användas i stentar och icke-bärande implantat, och är till och med inkorporerat i cementbaserade föreningar som används för bengips. Dessutom legeras silver med zink eller koppar för att producera tandfyllningar.

10. Tantal

Tantal uppvisar anmärkningsvärda egenskaper som hög värmebeständighet, utmärkt bearbetbarhet, motståndskraft mot syror och korrosion, samt en kombination av duktilitet och styrka. Som en mycket porös eldfast metall underlättar den bentillväxt och integrering, vilket gör den lämplig för implantat i närvaro av ben.

Tantal finner användning i olika medicinska instrument och diagnostiska markörtejper på grund av dess immunitet mot kroppsvätskor och korrosionsbeständighet. Tillkomsten av3d-utskrivninghar gjort det möjligt att använda tantal i kranialbensersättningar och tandanordningar som kronor ellerskruva inlägg. Men på grund av dess sällsynthet och kostnad, används tantal ofta i kompositmaterial snarare än i sin rena form.

11. Nitinol

Nitinol är en legering som består av nickel och titan, känd för sin exceptionella korrosionsbeständighet och biokompatibilitet. Dess unika kristallina struktur gör att den kan uppvisa superelasticitet och formade minneseffekter. Dessa egenskaper har revolutionerat den medicintekniska industrin genom att låta materialet återgå till sin ursprungliga form efter deformation, baserat på en specifik temperatur.

I medicinska procedurer där precision är avgörande, erbjuder nitinol flexibilitet för att navigera i trånga utrymmen samtidigt som hållbarheten bibehålls för att motstå betydande påfrestningar (upp till 8%). Dess lätta karaktär och utmärkta prestanda gör den till ett idealiskt val för tillverkning av olika biomedicinska applikationer. Exempel inkluderar ortodontiska trådar, benankare, häftklamrar, distansanordningar, hjärtklaffverktyg, styrtrådar och stentar. Nitinol kan också användas för att skapa markörer och diagnostiska linjer för att lokalisera brösttumörer, vilket erbjuder mindre invasiva alternativ för diagnos och behandling av bröstcancer.

12. Niob

Niob, en eldfast specialmetall, finner användning i modern medicinsk utrustning. Det är känt för sin exceptionella tröghet och biokompatibilitet. Vid sidan av dess värdefulla egenskaper inklusive hög termisk och elektrisk ledningsförmåga, används niob ofta i produktionen av små komponenter till pacemakers.

13. Volfram

Volfram används ofta i medicinsk utrustning, särskilt vid tillverkning av rör för minimalt invasiva procedurer som laparoskopi och endoskopi. Den erbjuder mekanisk styrka och kan även uppfylla behovet av radiopacitet, vilket gör den lämplig för fluorescensinspektionstillämpningar. Dessutom överträffar volframdensiteten den hos bly, vilket gör det till ett miljövänligt alternativ för strålskyddsmaterial.

Biokompatibla material tillgängliga för medicinsk utrustning

När det gäller biokompatibla material som används i hälsovårdsmiljöer måste de följa specifika kriterier som kanske inte gäller för andra produkter.

Till exempel måste de vara giftfria när de kommer i kontakt med mänsklig vävnad eller kroppsvätskor. Dessutom bör de ha motståndskraft mot kemikalier som används för sterilisering, såsom rengöringsmedel och desinfektionsmedel. När det gäller medicinska metaller som används för implantat måste de vara giftfria, icke-frätande och icke-magnetiska. Forskning utforskar ständigt nya metallegeringar, såväl som andra material somplastochkeramisk , för att bedöma deras lämplighet som biokompatibla material. Dessutom kan vissa material vara säkra för kortvarig kontakt men inte lämpliga för permanenta implantat.

På grund av de många variablerna som är involverade certifierar inte tillsynsorgan som FDA i USA, tillsammans med andra globala myndigheter, råvaror för medicinsk utrustning i sig. Istället tilldelas klassificeringen slutprodukten snarare än dess ingående material. Ändå förblir valet av ett biokompatibelt material det första och avgörande steget mot att uppnå den önskade klassificeringen.

Varför är metaller det föredragna materialet för komponenter i medicintekniska produkter?

I situationer där exceptionell styrka och styvhet krävs är metaller, särskilt i små tvärsnitt, ofta det föredragna valet. De är väl lämpade för komponenter som behöver formas eller bearbetas till invecklade former, som t.exsonder , blad och spetsar. Dessutom utmärker metaller sig i mekaniska delar som samverkar med andra metallkomponenter som spakar,växlar , diabilder och triggers. De är också lämpliga för komponenter som genomgår hög värmesterilisering eller som kräver överlägsna mekaniska och fysikaliska egenskaper jämfört med polymerbaserade material.

Metaller erbjuder vanligtvis en hållbar och glansig yta som underlättar rengöring och sterilisering. Titan, titanlegeringar, rostfritt stål och nickellegeringar är mycket gynnade i medicinsk utrustning på grund av deras förmåga att uppfylla stränga rengöringskrav i vårdapplikationer. Omvänt är metaller som är utsatta för okontrollerad och destruktiv ytoxidation, såsom stål, aluminium eller koppar, uteslutna från sådana tillämpningar. Dessa högpresterande metaller har unika egenskaper, vissa begränsningar och exceptionell mångsidighet. Att arbeta med dessa material kräver innovativa designmetoder, som kan skilja sig från de som vanligtvis används med standardmetaller eller plaster, vilket erbjuder en mängd möjligheter för produktingenjörer.

Föredragna former av viss metall som används för medicinsk utrustning

Det finns flera former av titanlegeringar, rostfritt stål och härdbara legeringar som vanligtvis används inom den medicinska industrin, inklusive plåt, stång, folie, remsa, plåt, stång och tråd. Dessa olika former är nödvändiga för att uppfylla de specifika kraven på komponenter till medicintekniska produkter, som ofta är små och komplexa till sin natur.

För att tillverka dessa former, automatiskstämplingspressar är vanligtvis anställda. Remsor och tråd är de vanligaste utgångsmaterialen för denna typ av bearbetning. Dessa kvarnformer finns i olika storlekar, med remstjocklek som sträcker sig från ultratunn folie vid 0,001 tum till 0,125 tum, och platt tråd tillgänglig i tjocklekar på 0,010 tum till 0,100 tum och bredder på 0,150 tum till 0,750 tum .

Överväganden för att använda metaller vid tillverkning av medicinsk utrustning

Inom denna sektor kommer vi att gå igenom fyra huvudfaktorer när vi använder metaller för tillverkning av medicintekniska produkter, det vill säga bearbetning, formbarhet, hårdhetskontroll ochytfinish.

1. Bearbetning

Bearbetningsegenskaperna hos 6-4-legeringen liknar dem hos austenitiska rostfria stål, med båda materialen som uppskattar cirka 22 % av AISI B-1112-stål. Det bör dock noteras att titan reagerar med karbidverktyg och denna reaktion intensifieras av värme. Därför rekommenderas det att använda kraftig översvämning med skärvätska vid bearbetning av titan.

Det är viktigt att undvika att använda vätskor som innehåller halogen, eftersom de kan utgöra en risk att orsaka spänningskorrosion om de inte tas bort ordentligt efter bearbetning.

2. Formbarhet

Stampers föredrar vanligtvis material som är lätta att kalla form. Det är dock värt att notera att formbarheten är omvänt relaterad till de specifika egenskaper som köpare söker när de väljer dessa legeringar, såsom utmärkt hårdhet och styrka.

Till exempel måste kirurgiska häftklamrar ha maximal styrka för att förhindra separation, även med ett mycket smalt tvärsnitt. Samtidigt måste de vara extremt formbara för att tillåta kirurger att stänga dem ordentligt utan att kräva invasiva häftverktyg.

Att uppnå en balans mellan styrka och formbarhet kan effektivt uppnås under omrullningsstadiet. Genom att försiktigt rulla bandet till önskad tjocklek och använda glödgning mellan passagerna för att motverka effekterna av arbetshärdning, uppnås en optimal nivå av formbarhet.

Rerollers använder en process med alternerande värmebehandling ochkallvalsningför att tillhandahålla ett formbart material som är väl lämpat för formning, ritning och stansning med användning av konventionell multislide och multidie-stämplingsutrustning.

Även om duktiliteten hos titan och dess legeringar kan vara lägre än för andra vanliga strukturella metaller, kan bandprodukter fortfarande lätt formas vid rumstemperatur, om än i en långsammare takt än rostfritt stål.

Efter kallformning uppvisar titan fjädring tillbaka på grund av sin låga elasticitetsmodul, som är ungefär hälften av stål. Det är värt att notera att graden av återfjädring ökar med metallens styrka.

När rumstemperaturansträngningar inte är tillräckliga kan formningsoperationer utföras vid förhöjda temperaturer eftersom titanets formbarhet ökar med temperaturen. I allmänhet är olegerade titanremsor och ark kallformade.

Det finns dock ett undantag föralfalegeringar , som ibland värms upp till temperaturer mellan 600°F till 1200°F för att förhindra återfjädring. Det är värt att notera att över 1100°F blir oxidation av titanium ett problem, så en avkalkningsoperation kan vara nödvändig.

Eftersom kallsvetsningsegenskaperna hos titan är högre än hos rostfritt stål, är korrekt smörjning avgörande när man utför alla operationer som involverar titan som kommer i kontakt medmatris av metalleller formningsutrustning.

3. Hårdhetskontroll

Använder en valsnings- och glödgningsprocess för att uppnå en balans mellan formbarhet och styrka i legeringar. Genom glödgning mellan varje valsningspass elimineras effekterna av arbetshärdning, vilket resulterar i det önskade temperamentet som bibehåller materialets styrka samtidigt som det ger den nödvändiga formbarheten.

För att möta stränga specifikationer och minimera kostnaderna, experter påHUAYI-GRUPPEN kan hjälpa till med val av legeringar och erbjuda heltäckande lösningar för din medicinska metallbearbetning. Detta säkerställer att legeringarna har den önskade kombinationen av egenskaper, i linje med de specifika kraven och begränsningarna.

4. Ytfinish

Under omrullningsstadiet bestäms ytfinishen på titanbaserade och rostfria bandprodukter. Designers har en mängd olika alternativ att välja mellan, inklusive en ljus och reflekterande finish, en matt yta som underlättar smörjöverföring eller andra specialiserade ytor som är nödvändiga för limning, hårdlödning eller svetsändamål.

Ytfinishen skapas av kontakten mellan arbetsvalsarna och materialet i valsverket. Till exempel, att använda högpolerade hårdmetallvalsar ger en spegelblank och reflekterande finish, medan kulblästrade stålvalsar ger en matt finish med en grovhet på 20-40 µin. RMS. Kulblästrade hårdmetallvalsar ger en matt finish med 18-20 µin. RMS grovhet.

Denna process kan producera en yta med en grovhet på upp till 60 µin. RMS, vilket representerar en relativt hög nivå påytsträvhet.

Vanligt använda metaller och legeringar för medicinska tillämpningar

Rostfritt stål, titan och nickelbaserade legeringar upplevs som mer avancerade material jämfört med konventionella. Men de ger också ett bredare utbud av möjligheter till bordet. Dessa material har förmågan att modifiera sina mekaniska egenskaper genom processer som uppvärmning, kylning och kylning. Dessutom kan de under bearbetningen genomgå ytterligare modifieringar efter behov. Till exempel kan rullning av metaller till tunnare mätare öka deras hårdhet, medan glödgning kan återställa deras egenskaper till en exakt temperering, vilket möjliggör kostnadseffektiv formning.

Dessa metaller fungerar bra imedicinska tillämpningar . De uppvisar exceptionell korrosionsbeständighet, har höga mekaniska egenskaper, erbjuder ett brett utbud av ytbehandlingsalternativ och ger utmärkt mångsidighet i produktionen när designers väl har blivit bekanta med deras komplexitet.

Slutsats

Vid tillverkning av medicinsk utrustning är det viktigt att noggrant välja lämpliga metaller. Vanligt använda metaller för detta ändamål inkluderar rostfritt stål, titan, koboltkrom, koppar, tantal och platina. Dessa metaller är att föredra på grund av deras utmärkta biokompatibilitet och hållbarhet. Även om palladium också vinner erkännande, är dess användning relativt begränsad på grund av dess högre kostnader. Vi hoppas att den här guiden hjälper dig att hitta den lämpliga metallen som uppfyller dina medicinska projekt eller applikationer.