Оптимізація металів для виробництва медичних пристроїв

Зростання випадків COVID-19 призвело до підвищення попиту на медичне обладнання, що, у свою чергу, підкреслило важливість вибору матеріалів для розробників і виробників медичних пристроїв. Дуже важливо вибрати відповідні матеріали для медичних частин і обладнання, щоб забезпечити зручність використання, якість і відповідність стандартам. Вибір правильних матеріалів може запропонувати переваги максимальної економічності та надійності.

Металеві біоматеріали або медичні метали широко використовуються у виробництві хірургічних допоміжних засобів та інструментів, пропонуючи широкий спектр варіантів на вибір. Успішний розвиток таких матеріалів, як кобальт-хромовий сплав, нержавіюча сталь, титан і різні сплави, а також їх широке використання в стоматології та ортопедії, твердо встановили важливість металевих медичних матеріалів у виробництві медичних пристроїв.

При розробці пристроїв для медицини та охорони здоров’я виробникам дуже важливо бути обережними у виборі відповідної сировини. Крім відповідності необхідним інженерним специфікаціям для застосування, вибрані матеріали також повинні забезпечувати відсутність будь-яких потенційних ризиків при контакті з тілом людини або різними хімічними речовинами, які зазвичай зустрічаються в клінічних середовищах. Необхідно ретельно враховувати як функціональні вимоги, так і сумісність матеріалів із запланованим використанням.

У секторах медицини та охорони здоров'я численні чисті метали та металеві сплави довели свою цінність. У цій статті буде розглянуто тринадцять найпоширеніших типів металевих біоматеріалів і металів, які використовуються у виробництві медичних пристроїв.

• 13 типів металів для виготовлення медичних деталей і приладів

Давайте подивимося на тринадцять найпоширеніших типів чистих металів і металевих сплавів, їх застосування, плюси і мінуси в медицині та виробництві медичних пристроїв.

1. Нержавіюча сталь

Нержавіюча сталь дуже підходить для широкого спектру медичних приладів завдяки своїй нетоксичній, некорозійній та довговічній природі. Крім того, його можна відполірувати до тонкого покриття, яке можна легко очистити. Оскільки нержавіюча сталь доступна в різних варіаціях, кожна з яких має унікальні механічні та хімічні властивості, вибір відповідного типу має вирішальне значення.

Нержавіюча сталь 316 і 316L найчастіше використовується для медичних імплантатів і пірсингу через їх виняткову стійкість до корозії. Цей атрибут має важливе значення для запобігання корозії кровотоку, яка може призвести до інфекцій і потенційно смертельних наслідків. Крім того, нержавіюча сталь містить різновиди з низьким вмістом нікелю, тому пацієнти рідко страждають від алергічних реакцій на нікель.

Нержавіюча сталь 440 зазвичай використовується у виробництві хірургічних інструментів. Хоча він може мати нижчу стійкість до корозії порівняно з 316, його більш високий вміст вуглецю дозволяє це зробититермічна обробка, в результаті чого створеногострі краї підходить для ріжучих інструментів. Нержавіюча сталь знаходить широке застосування в ортопедії, наприклад, для заміни тазостегнових суглобів і стабілізації зламаних кісток за допомогою гвинтів і пластин. Крім того, він часто використовується для виготовлення міцних хірургічних інструментів, які легко чистяться, таких як кровоостанівки, пінцети, щипці та інше обладнання, що вимагає як довговічності, так і стерильності.

Оскільки нержавіюча сталь містить залізо, яке з часом може призвести до корозії, існує ризик для навколишніх тканин, оскільки імплантат псується. Для порівняння, медичні метали, такі як титан або кобальт-хром, мають більшу стійкість до корозії. Однак зауважте, що ці альтернативні метали можуть бути дорожчими.

2. Мідь

Завдяки своїй відносно слабкій міцності,мідь не використовується широко для виробництва хірургічного обладнання та імплантатів. Однак його помітні антибактеріальні та противірусні властивості роблять його поширеним вибором у хірургії та профілактиці захворювань.

Пряме використання міді для медичних імплантатів є рідкісним через її м’якість і потенційну токсичність для тканини. Однак певні мідні сплави все ще використовуються в зубних імплантатах і для зменшення ризику інфікуванняоперації з трансплантації кісток.

Завдяки своїм винятковим антивірусним і антибактеріальним властивостям мідь справді чудова як медичний метал. Це робить мідь ідеальним матеріалом для поверхонь, до яких часто торкаються, наприклад дверних ручок, поручнів і вимикачів. Мідь відрізняє те, щоFDAсхвалив понад 400 різних мідних сплавів як біоциди, які ефективно запобігають передачі вірусів, таких як SARS-CoV-2.

Під впливом зовнішнього середовища чиста мідь легко окислюється, в результаті чого набуває зеленуватого кольору. Незважаючи на це, він зберігає свої антимікробні властивості. Однак деякі люди можуть сприймати зміну кольору як непривабливу. Щоб вирішити цю проблему, зазвичай використовуються сплави, які пропонують різні рівні ефективності проти мікробів. Іншим варіантом є нанесення тонкоплівкових покриттів для запобігання окисленню, зберігаючи при цьому антибактеріальні властивості міді.

3. Титан

Титан має високу перевагу серед металів, які зазвичай використовуються у виробництві медичних приладів. Окрім внутрішнього медичного обладнання, він також використовується у виробництві зовнішніх пристроїв, таких як хірургічні інструменти, стоматологічне обладнання та ортопедичне обладнання. Чистий титан, відомий своєю надзвичайною інертністю, є найдорожчим варіантом, який часто резервують для компонентів надвисокої надійності або тих, які призначені для тривалого використання в тілі пацієнта після операції.

В даний час титан часто використовується як заміна нержавіючої сталі, особливо у виробництві кісткових опор і замінників. Титан має порівнянну міцність і довговічність з нержавіючої сталлю, але має меншу вагу. Крім того, він демонструє відмінні властивості біосумісності.

Титанові сплави також добре підходять для імплантації зубів. Це пояснюється тим фактом, що титан можна використовувати вметалевий 3D друк виготовляти повністю індивідуальні компоненти на основі сканів і рентгенівських знімків пацієнта. Це забезпечує бездоганну посадку та індивідуальне рішення.

Титан виділяється своєю легкою та міцною природою, перевершуючи нержавіючу сталь з точки зору стійкості до корозії. Тим не менш, є певні обмеження, які слід враховувати. Титанові сплави можуть виявляти недостатню стійкість до втоми на вигин при безперервних динамічних навантаженнях. Крім того, при використанні в замінних суглобах титан не такий стійкий до тертя та зносу.

4. Кобальт Хром

Складається з хрому і кобальту,кобальт хром це сплав, який має ряд переваг для хірургічних інструментів. Його придатність для3D друкіОбробка з ЧПУ дозволяє зручно формувати потрібні форми. Крім того,електрополірування реалізовано для забезпечення гладкої поверхні, мінімізуючи ризик забруднення. Завдяки чудовим характеристикам, таким як міцність, зносостійкість і стійкість до високих температур, кобальтовий хром є одним з найкращих варіантів для металевих сплавів. Його біосумісність робить його ідеальним для ортопедичного протезування, протезування суглобів та імплантації зубів.

Сплави кобальтового хрому є високо цінованими медичними металами, які використовуються для заміни стегна та плеча. Однак існує занепокоєння щодо потенційного вивільнення іонів кобальту, хрому та нікелю в кров, оскільки ці сплави з часом поступово зношуються.

5. Алюміній

Рідко в прямому контакті з тілом,алюміній залишається широко використовуваним у виробництві різного допоміжного обладнання, яке потребує легких, міцних і стійких до корозії властивостей. Приклади включають внутрішньовенні стенти, палиці, каркаси ліжок, інвалідні візки та ортопедичні стенти. Через схильність до іржавіння або окислення алюмінієві компоненти зазвичай вимагають фарбування або анодування, щоб збільшити їх міцність і термін служби.

6. Магній

Магнієві сплави - це медичні метали, відомі своєю винятковою легкістю та міцністю, що нагадує вагу та щільність природної кістки. Крім того, магній демонструє біобезпеку, оскільки з часом природним і безпечним чином розкладається. Ця властивість робить його придатним для тимчасових стентів або заміни кісткового трансплантата, усуваючи потребу у повторних процедурах видалення.

Однак магній швидко окислюється, що викликає необхідністьобробка поверхонь . Крім того, механічна обробка магнію може бути складною, тому необхідно вжити заходів, щоб уникнути потенційно летких реакцій з киснем.

7. Золото

Золото, можливо, один із найперших металів, що використовувалися в медицині, має чудову корозійну стійкість і біосумісність. Його пластичність дозволяє легко надавати форму, що робить його популярним вибором у минулому для різноманітних ремонтів зубів. Однак ця практика стала менш поширеною, тепер її замінюють золотомсинтетичні матеріалиу багатьох випадках.

Хоча золото має деякі біоцидні властивості, варто зазначити, що його вартість і рідкість обмежують його використання. Як правило, золото використовується у вигляді дуже тонких покриттів, а не як суцільне золото. Золоте покриття зазвичай зустрічається на провідниках, проводах та інших мікроелектронних компонентах, які використовуються в імплантатах для електростимуляції тадатчики.

8. Платина

Платина, ще один глибоко стабільний та інертний метал, вважається чудовим варіантом для хірургічних пристроїв та обладнання завдяки своїй біосумісності та винятковій провідності. Тонкі платинові дроти знаходять широке застосування у внутрішніх електронних імплантатах, таких як слухові апарати та кардіостимулятори. Крім того, платина знаходить своє застосування, пов'язане з неврологічними розладами та моніторингом мозкових хвиль.

9. Срібло

Подібно до міді, срібло має властиві антимікробні властивості, що робить його цінним у різних сферах застосування. Він знаходить застосування в стентах і імплантатах, що не несуть навантаження, і навіть входить до складу цементних сумішей, які використовуються для гіпсування кісток. Крім того, срібло легують цинком або міддю для виготовлення зубних пломб.

10. Тантал

Тантал демонструє чудові характеристики, такі як висока термостійкість, відмінна оброблюваність, стійкість до кислот і корозії, а також поєднання пластичності та міцності. Будучи високопористим тугоплавким металом, він сприяє зростанню та інтеграції кісток, що робить його придатним для імплантатів за наявності кістки.

Тантал знаходить застосування в різних медичних інструментах і діагностичних маркерних стрічках завдяки своїй несприйнятливості до рідин організму і стійкості до корозії. Поява3D друкдозволив використовувати тантал для заміни черепної кістки та стоматологічних пристроїв, таких як коронки абогвинт пости. Однак через рідкість і вартість тантал часто використовується в композиційних матеріалах, а не в чистому вигляді.

11. Нітинол

Нітинол — це сплав нікелю та титану, відомий своєю винятковою стійкістю до корозії та біосумісністю. Його унікальна кристалічна структура дозволяє йому демонструвати надпружність і ефект пам'яті форми. Ці властивості зробили революцію в індустрії медичних пристроїв, дозволивши матеріалу повернутися до своєї початкової форми після деформації в залежності від певної температури.

У медичних процедурах, де точність має вирішальне значення, нітінол пропонує гнучкість для навігації у вузьких просторах, зберігаючи міцність, щоб витримувати значні навантаження (до 8%). Його легкість і чудова продуктивність роблять його ідеальним вибором для виробництва різноманітних біомедичних програм. Приклади включають ортодонтичні дроти, кісткові анкери, скоби, розпірні пристрої, інструменти для серцевих клапанів, провідники та стенти. Нітинол також можна використовувати для створення маркерів і діагностичних ліній для локалізації пухлин молочної залози, пропонуючи менш інвазивні варіанти діагностики та лікування раку молочної залози.

12. Ніобій

Ніобій, тугоплавкий спеціальний метал, знаходить застосування в сучасному медичному обладнанні. Він відомий своєю винятковою інертністю та біосумісністю. Окрім його цінних властивостей, включаючи високу тепло- та електропровідність, ніобій часто використовується у виробництві невеликих компонентів для кардіостимуляторів.

13. Вольфрам

Вольфрам широко використовується в медичному обладнанні, зокрема у виробництві трубок для мінімально інвазивних процедур, таких як лапароскопія та ендоскопія. Він забезпечує механічну міцність, а також може задовольнити потребу в рентгеноконтрастності, що робить його придатним для флуоресцентного контролю. Крім того, щільність вольфраму перевищує густину свинцю, що робить його екологічно чистою альтернативою матеріалам для захисту від радіації.

Для медичних пристроїв доступні біосумісні матеріали

Що стосується біосумісних матеріалів, які використовуються в медичних закладах, вони повинні відповідати певним критеріям, які можуть не застосовуватися до інших продуктів.

Наприклад, вони повинні бути нетоксичними при контакті з тканинами або рідинами організму людини. Крім того, вони повинні мати стійкість до хімічних речовин, що використовуються для стерилізації, таких як чистячі та дезінфікуючі засоби. У випадку медичних металів, які використовуються для імплантатів, вони мають бути нетоксичними, не корозійними та немагнітними. Дослідження постійно досліджують нові металеві сплави, а також інші матеріали, якпластикікерамічний , щоб оцінити їх придатність як біосумісних матеріалів. Крім того, деякі матеріали можуть бути безпечними для короткочасного контакту, але не підходять для постійних імплантатів.

У зв’язку з численними задіяними змінними регуляторні органи, такі як FDA у Сполучених Штатах, а також інші міжнародні агентства не сертифікують сировину для медичних пристроїв як таку. Натомість класифікація присвоюється кінцевому продукту, а не матеріалу, з якого він складається. Тим не менш, вибір біосумісного матеріалу залишається початковим і вирішальним кроком до досягнення бажаної класифікації.

Чому метали є кращим матеріалом для компонентів медичних пристроїв?

У ситуаціях, коли потрібна виняткова міцність і жорсткість, метали, особливо в малих поперечних перерізах, часто є кращим вибором. Вони добре підходять для компонентів, яким потрібно надати форму або виготовити складні форми, наприкладзонди , леза та точки. Крім того, метали перевершують механічні частини, які взаємодіють з іншими металевими компонентами, такими як важелі,шестерні , слайди та тригери. Вони також підходять для компонентів, які піддаються високотемпературній стерилізації або вимагають кращих механічних і фізичних властивостей порівняно з матеріалами на основі полімерів.

Метали зазвичай мають міцну та глянсову поверхню, що полегшує очищення та стерилізацію. Титан, титанові сплави, нержавіюча сталь і нікелеві сплави користуються великою перевагою в медичному обладнанні завдяки своїй здатності відповідати суворим вимогам щодо очищення в медичних установах. І навпаки, метали, схильні до неконтрольованого та руйнівного окислення поверхні, такі як сталь, алюміній або мідь, виключені з таких застосувань. Ці високоякісні метали мають унікальні властивості, деякі обмеження та виняткову універсальність. Робота з цими матеріалами вимагає інноваційних підходів до проектування, які можуть відрізнятися від підходів, які зазвичай використовуються зі стандартними металами чи пластиками, пропонуючи безліч можливостей для розробників.

Переважні форми певного металу, що використовується для медичних пристроїв

Існує кілька форм титанових сплавів, нержавіючої сталі та сплавів, що піддаються гартуванню, які зазвичай використовуються в медичній промисловості, включаючи пластини, прутки, фольгу, стрічки, листи, прутки та дріт. Ці різні форми необхідні для задоволення конкретних вимог до компонентів медичного пристрою, які часто є невеликими та складними за своєю природою.

Для виготовлення цих форм використовується автоматпреси для штампування зазвичай працюють. Смуги та дріт є найбільш часто використовуваними вихідними матеріалами для цього виду обробки. Ці форми для млинів бувають різних розмірів, із товщиною стрічки від ультратонкої фольги від 0,001 до 0,125 дюйма та плоского дроту товщиною від 0,010 до 0,100 дюйма та шириною від 0,150 до 0,750 дюйма. .

Міркування щодо використання металів у виробництві медичних приладів

У цьому секторі ми розглянемо чотири основні чинники використання металів для виробництва медичних пристроїв, а саме механічну обробку, формування, контроль твердості таобробка поверхні.

1. Механічна обробка

Властивості обробки сплаву 6-4 дуже схожі на властивості аустенітної нержавіючої сталі, причому обидва матеріали становлять близько 22% сталі AISI B-1112. Однак слід зазначити, що титан реагує з твердосплавним інструментом, і ця реакція посилюється під дією тепла. Тому при обробці титану рекомендується використовувати сильне заливання СОЖ.

Важливо уникати використання рідин, які містять галоген, оскільки вони можуть становити ризик спричинити корозію під напругою, якщо їх ретельно не видалити після операцій обробки.

2. Формованість

Штампувальники зазвичай віддають перевагу матеріалам, які легко піддаються холодному формуванню. Однак варто зазначити, що формувальність обернено пов’язана зі специфічними властивостями, які шукають покупці, вибираючи ці сплави, такими як відмінна твердість і міцність.

Наприклад, хірургічні скоби повинні мати максимальну міцність, щоб запобігти розриву, навіть з дуже тонким поперечним перерізом. У той же час, вони повинні бути дуже гнучкими, щоб дозволити хірургам щільно закрити їх, не вимагаючи інвазивних скоб.

Досягнення балансу між міцністю та здатністю до формування може бути ефективно досягнуто під час етапу перекочування. Завдяки обережному прокату смуги до потрібного розміру та застосуванню відпалу між проходами для протидії наслідкам робочого зміцнення досягається оптимальний рівень формування.

Перекатники використовують процес почергової термічної обробки тахолодна прокаткащоб отримати формований матеріал, який добре підходить для формування, витягування та штампування з використанням звичайного обладнання для штампування з кількома ковзаннями та штампами.

Хоча пластичність титану та його сплавів може бути нижчою, ніж пластичність інших широко використовуваних конструкційних металів, стрічкові вироби все одно можна легко формувати при кімнатній температурі, хоча й повільніше, ніж нержавіюча сталь.

Після холодного формування титан пружно повертається завдяки низькому модулю пружності, який приблизно вдвічі менший, ніж у сталі. Варто відзначити, що ступінь пружності збільшується разом із міцністю металу.

Якщо зусиль при кімнатній температурі недостатньо, операції формування можна проводити при підвищених температурах, оскільки пластичність титану зростає з температурою. Як правило, смуги та листи нелегованого титану формуються холодним способом.

Однак є виняток дляальфа-сплави , які іноді нагрівають до температур від 600°F до 1200°F, щоб запобігти відскакуванню. Варто зазначити, що вище 1100°F окислення титанових поверхонь стає проблемою, тому може знадобитися операція видалення накипу.

Оскільки характеристики холодного зварювання титану вищі, ніж властивості нержавіючої сталі, правильне змащування має вирішальне значення під час виконання будь-яких операцій із титаном, який контактує зметалеві плашкиабо обладнання для формування.

3. Контроль твердості

Використання процесу прокатки та відпалу для досягнення балансу між пластичністю та міцністю сплавів. Завдяки відпалу між кожним проходом прокатки усуваються наслідки зміцнення, в результаті чого досягається бажаний відпуск, який зберігає міцність матеріалу, одночасно забезпечуючи необхідну пластичність.

Щоб відповідати суворим вимогам і мінімізувати витрати, експерти atГРУПА ХУАЙІ може допомогти у виборі сплаву та запропонувати комплексні рішення для обробки ваших медичних металів. Це гарантує, що сплави володіють бажаною комбінацією властивостей, що відповідає конкретним вимогам і обмеженням.

4. Оздоблення поверхні

Під час повторного прокатування визначається якість поверхні смугових виробів на основі титану та нержавіючої сталі. У дизайнерів є різноманітні варіанти на вибір, включаючи яскраве і відбиваюче покриття, матову поверхню, яка полегшує перенесення мастила, або інші спеціальні поверхні, необхідні для склеювання, пайки або зварювання.

Оздоблення поверхні створюється контактом між робочими валками та матеріалом у прокатному стані. Наприклад, використання високополірованих твердосплавних валків забезпечує дзеркально-яскраве і відбиваюче покриття, тоді як дробеструйні сталеві валки дають матове покриття з шорсткістю 20-40 мкдюймів. RMS. Твердосплавні рулони з дробеструйною обробкою забезпечують тьмяне покриття з товщиною 18-20 мкдюймів. Середньоквадратична шорсткість.

Цей процес здатний створювати поверхню з шорсткістю до 60 мкдюймів. RMS, що представляє відносно високий рівеньшорсткість поверхні.

Зазвичай використовувані метали та сплави для медичних застосувань

Нержавіюча сталь, титан і сплави на основі нікелю сприймаються як більш досконалі матеріали в порівнянні зі звичайними. Однак вони також пропонують ширший спектр можливостей. Ці матеріали мають здатність змінювати свої механічні характеристики за допомогою таких процесів, як нагрівання, охолодження та загартування. Крім того, під час обробки вони можуть піддаватися подальшим модифікаціям за потреби. Наприклад, прокатка металів у більш тонкі розміри може збільшити їхню твердість, тоді як відпал може відновити їхні властивості до точного стану, дозволяючи економічно ефективне формування.

Ці метали добре працюють вмедичні програми . Вони демонструють виняткову стійкість до корозії, мають високі механічні властивості, пропонують широкий спектр варіантів обробки поверхні та забезпечують чудову універсальність виробництва, коли дизайнери ознайомляться з їхньою складністю.

Висновок

При виготовленні медичного обладнання важливо ретельно вибирати відповідні метали. Зазвичай для цієї мети використовують нержавіючу сталь, титан, кобальт, хром, мідь, тантал і платину. Цим металам віддається перевага через їх відмінну біосумісність і довговічність. Хоча паладій також отримує визнання, його використання відносно обмежене через високу вартість. Ми сподіваємося, що цей посібник допоможе вам знайти відповідний метал, який задовольнить ваші медичні проекти чи застосування.