El aumento de los casos de COVID-19 ha provocado una mayor demanda de equipos médicos, lo que a su vez ha puesto de relieve la importancia de la selección de materiales para los diseñadores y fabricantes de dispositivos médicos. Es fundamental elegir los materiales adecuados para las piezas y equipos médicos para garantizar la usabilidad, la calidad y el cumplimiento de los estándares. Optar por los materiales adecuados puede ofrecer los beneficios de máxima rentabilidad y confiabilidad.
Los biomateriales metálicos o metales médicos se han utilizado ampliamente en la producción de ayudas e instrumentos quirúrgicos, ofreciendo una amplia gama de opciones para elegir. El avance exitoso de materiales como la aleación de cobalto-cromo, el acero inoxidable, el titanio y diversas aleaciones, junto con su amplia utilización en odontología y ortopedia, ha establecido firmemente la importancia de los materiales médicos metálicos en la fabricación de dispositivos médicos.
Al diseñar dispositivos para fines médicos y sanitarios, es de gran importancia que los fabricantes sean cautelosos a la hora de seleccionar las materias primas adecuadas. Además de cumplir con las especificaciones de ingeniería necesarias para la aplicación, los materiales elegidos también deben garantizar la ausencia de riesgos potenciales en contacto con el cuerpo humano o con los diversos productos químicos que se encuentran comúnmente en entornos clínicos. Se debe prestar especial atención tanto a los requisitos funcionales como a la compatibilidad de los materiales con el uso previsto.
En los sectores de la medicina y la asistencia sanitaria, numerosos metales puros y aleaciones metálicas han demostrado su valor. Este artículo analizará los trece tipos más comunes de biomateriales metálicos y metales utilizados en la fabricación de dispositivos médicos.
13 tipos de metales para la fabricación de dispositivos y piezas médicas
Veamos los trece tipos más comunes de metales puros y aleaciones metálicas, sus aplicaciones y sus ventajas y desventajas en la fabricación de dispositivos médicos y sanitarios.
1. Acero inoxidable
Acero inoxidable Es muy adecuado para una amplia gama de aparatos médicos debido a su naturaleza no tóxica, no corrosiva y duradera. Además, se puede pulir hasta obtener un acabado fino que se puede limpiar fácilmente. Como el acero inoxidable está disponible en diferentes variaciones, cada una con propiedades mecánicas y químicas únicas, seleccionar el tipo adecuado es crucial.
El acero inoxidable 316 y 316L son los tipos más utilizados para implantes médicos y perforaciones corporales debido a su excepcional resistencia a la corrosión. Este atributo es esencial para prevenir la corrosión del torrente sanguíneo, que puede provocar infecciones y consecuencias potencialmente fatales. Además, el acero inoxidable contiene variedades con bajo contenido de níquel, por lo que los pacientes rara vez sufren reacciones alérgicas al níquel.
El acero inoxidable 440 se utiliza comúnmente en la producción de herramientas quirúrgicas. Si bien puede ofrecer una menor resistencia a la corrosión en comparación con el 316, su mayor contenido de carbono permite tratamiento térmico, dando lugar a la creación de bordes afilados Adecuado para instrumentos de corte. El acero inoxidable se utiliza ampliamente en ortopedia, como en el reemplazo de articulaciones de la cadera y en la estabilización de huesos fracturados mediante tornillos y placas. Además, se emplea con frecuencia para fabricar herramientas quirúrgicas duraderas y fáciles de limpiar, como hemostatos, pinzas, fórceps y otros equipos que requieren durabilidad y esterilidad.
Dado que el acero inoxidable contiene hierro, que puede provocar corrosión con el tiempo, existe un riesgo para el tejido circundante a medida que el implante se deteriora. En comparación, los metales médicos como el titanio o el cromo cobalto ofrecen una mayor resistencia a la corrosión. Sin embargo, tenga en cuenta que estos metales alternativos pueden ser más costosos.
2. Cobre
Debido a su fuerza relativamente más débil, cobre no se utiliza ampliamente para producir equipos e implantes quirúrgicos. Sin embargo, sus notables propiedades antibacterianas y antivirales lo convierten en una opción frecuente en el campo de la cirugía y la prevención de enfermedades.
El uso directo de cobre para implantes médicos es poco común debido a su suavidad y su potencial toxicidad dentro del tejido. Sin embargo, ciertas aleaciones de cobre todavía se emplean en implantes dentales y para mitigar los riesgos de infección en cirugías de trasplante de huesos.
El cobre realmente sobresale como metal médico debido a sus excepcionales propiedades antivirales y antibacterianas. Esto hace que el cobre sea un material ideal para superficies que se tocan con frecuencia, como manijas de puertas, barandillas de camas e interruptores. Lo que distingue al cobre es que el FDA ha aprobado más de 400 aleaciones de cobre diferentes como biocidas, previniendo eficazmente la transmisión de virus como el SARS-CoV-2.
Cuando se expone al medio ambiente, el cobre puro se oxida fácilmente, lo que da como resultado un color verdoso. A pesar de ello, mantiene sus propiedades antimicrobianas. Sin embargo, algunas personas pueden percibir la decoloración como poco atractiva. Para abordar esto, comúnmente se emplean aleaciones que ofrecen diferentes niveles de efectividad contra los microbios. Otra opción es aplicar recubrimientos de película fina para evitar la oxidación y preservar al mismo tiempo las propiedades antibacterianas del cobre.
3. Titanio
Titanio Es muy preferido entre los metales comúnmente utilizados en la producción de dispositivos médicos. Además de los equipos médicos internos, también se emplea en la fabricación de dispositivos externos como instrumentos quirúrgicos, equipos dentales y equipos ortopédicos. El titanio puro, conocido por ser extremadamente inerte, es la opción más costosa que a menudo se reserva para componentes de confiabilidad ultra alta o aquellos destinados a un uso prolongado dentro del cuerpo de un paciente después de una cirugía.
Hoy en día, el titanio se emplea frecuentemente como sustituto del acero inoxidable, especialmente en la producción de soportes y sustitutos óseos. El titanio posee una resistencia y durabilidad comparables al acero inoxidable y, al mismo tiempo, es más liviano. Además, presenta excelentes propiedades de biocompatibilidad.
Las aleaciones de titanio también son muy adecuadas para implantes dentales. Esto se atribuye al hecho de que el titanio se puede utilizar en impresión 3D de metales para fabricar componentes totalmente personalizados basados en las exploraciones y radiografías de un paciente. Esto permite un ajuste impecable y una solución personalizada.
El titanio destaca por su carácter ligero y robusto, superando al acero inoxidable en cuanto a resistencia a la corrosión. Sin embargo, existen ciertas limitaciones a considerar. Las aleaciones de titanio pueden presentar una resistencia insuficiente a la fatiga por flexión bajo cargas dinámicas continuas. Además, cuando se emplea en articulaciones de reemplazo, el titanio no es tan resistente a la fricción y al desgaste.
4. Cromo cobalto
Compuesto de cromo y cobalto, cromo cobalto es una aleación que ofrece varias ventajas para los instrumentos quirúrgicos. Su idoneidad para Impresión 3d y Mecanizado CNC permite dar forma conveniente a las formas deseadas. Además, electropulido Se implementa para garantizar una superficie lisa, minimizando el riesgo de contaminación. Con excelentes atributos como resistencia, resistencia al desgaste y resistencia a altas temperaturas, el cromo cobalto se encuentra entre las mejores opciones para las aleaciones metálicas. Su biocompatibilidad lo hace ideal para prótesis ortopédicas, reemplazos de articulaciones e implantes dentales.
Las aleaciones de cobalto-cromo son metales médicos de gran prestigio que se utilizan para reemplazos de cavidades de cadera y hombro. Sin embargo, ha habido preocupaciones con respecto a la posible liberación de iones de cobalto, cromo y níquel en el torrente sanguíneo a medida que estas aleaciones se desgastan gradualmente con el tiempo.
5. Aluminio
Rara vez en contacto directo con el cuerpo, aluminio Sigue siendo ampliamente utilizado en la producción de diversos equipos de soporte que requieren propiedades livianas, robustas y resistentes a la corrosión. Los ejemplos incluyen stents intravenosos, bastones, armazones de camas, sillas de ruedas y stents ortopédicos. Debido a su tendencia a oxidarse, los componentes de aluminio generalmente requieren procesos de pintura o anodizado para mejorar su durabilidad y vida útil.
6. magnesio
Las aleaciones de magnesio son metales médicos conocidos por su excepcional ligereza y resistencia, asemejándose al peso y la densidad del hueso natural. Además, el magnesio demuestra bioseguridad ya que se biodegrada de forma natural y segura con el tiempo. Esta propiedad lo hace adecuado para reemplazos de stents temporales o injertos óseos, eliminando la necesidad de procedimientos de extracción secundarios.
Sin embargo, el magnesio se oxida rápidamente, lo que requiere tratamiento de superficies. Además, mecanizar magnesio puede ser un desafío y se deben tomar precauciones para evitar reacciones potencialmente volátiles con el oxígeno.
7. oro
El oro, posiblemente uno de los primeros metales médicos utilizados, cuenta con una excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Su maleabilidad permite darle forma fácilmente, lo que lo convierte en una opción popular en el pasado para diversas reparaciones dentales. Sin embargo, esta práctica se ha vuelto menos frecuente y ahora el oro se sustituye por materiales sintéticos en muchos casos.
Si bien el oro posee algunas propiedades biocidas, vale la pena señalar que su costo y rareza limitan su uso. Normalmente, el oro se emplea en revestimientos muy finos en lugar de oro macizo. Los chapados en oro se encuentran comúnmente en conductores, cables y otros componentes microelectrónicos utilizados en implantes de electroestimulación y sensores.
8. Platino
El platino, otro metal profundamente estable e inerte, se considera una excelente opción para dispositivos y equipos quirúrgicos debido a su biocompatibilidad y conductividad excepcional. Los delicados cables de platino se utilizan ampliamente en implantes electrónicos internos, como audífonos y marcapasos. Además, el platino encuentra aplicaciones relacionadas con los trastornos neurológicos y el seguimiento de las ondas cerebrales.
9. Plata
Al igual que el cobre, la plata posee propiedades antimicrobianas inherentes, lo que la hace valiosa en diversas aplicaciones. Encuentra utilidad en stents e implantes que no soportan carga, e incluso se incorpora en compuestos cementosos utilizados para yeso óseo. Además, la plata se alea con zinc o cobre para producir empastes dentales.
10. tantalio
El tantalio exhibe características notables como alta resistencia al calor, excelente trabajabilidad, resistencia a los ácidos y a la corrosión, así como una combinación de ductilidad y resistencia. Al ser un metal refractario muy poroso, facilita el crecimiento y la integración ósea, lo que lo hace adecuado para implantes en presencia de hueso.
El tantalio encuentra aplicación en diversos instrumentos médicos y cintas marcadoras de diagnóstico debido a su inmunidad a los fluidos corporales y su resistencia a la corrosión. El advenimiento de Impresión 3d ha permitido que el tantalio se utilice en reemplazos de huesos craneales y dispositivos dentales como coronas o tornillo publicaciones. Sin embargo, debido a su rareza y costo, el tantalio se utiliza a menudo en materiales compuestos en lugar de en su forma pura.
11. Nitinol
El nitinol es una aleación compuesta de níquel y titanio, conocida por su excepcional resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Su estructura cristalina única le permite exhibir superelasticidad y efecto de memoria conformada. Estas propiedades han revolucionado la industria de dispositivos médicos al permitir que el material vuelva a su forma original después de la deformación, en función de una temperatura específica.
En procedimientos médicos donde la precisión es crucial, el nitinol ofrece flexibilidad para navegar en espacios reducidos mientras mantiene la durabilidad para soportar una tensión sustancial (hasta 8%). Su naturaleza liviana y su excelente rendimiento lo convierten en una opción ideal para la fabricación de diversas aplicaciones biomédicas. Los ejemplos incluyen alambres de ortodoncia, anclajes óseos, grapas, dispositivos espaciadores, herramientas para válvulas cardíacas, alambres guía y stents. El nitinol también se puede utilizar para crear marcadores y líneas de diagnóstico para localizar tumores de mama, ofreciendo opciones menos invasivas para el diagnóstico y tratamiento del cáncer de mama.
12. niobio
El niobio, un metal especial refractario, encuentra aplicación en equipos médicos modernos. Es reconocido por su excepcional inercia y biocompatibilidad. Además de sus valiosos atributos, incluida una alta conductividad térmica y eléctrica, el niobio se utiliza frecuentemente en la producción de pequeños componentes para marcapasos.
13. tungsteno
El tungsteno se utiliza comúnmente en equipos médicos, particularmente en la producción de tubos para procedimientos mínimamente invasivos como laparoscopia y endoscopia. Ofrece resistencia mecánica y también puede satisfacer la necesidad de radiopacidad, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de inspección por fluorescencia. Además, la densidad del tungsteno supera a la del plomo, lo que lo convierte en una alternativa respetuosa con el medio ambiente como material de protección contra la radiación.
Materiales biocompatibles disponibles para dispositivos médicos
Cuando se trata de materiales biocompatibles utilizados en entornos sanitarios, deben cumplir criterios específicos que pueden no aplicarse a otros productos.
Por ejemplo, no deben ser tóxicos cuando entren en contacto con tejidos o fluidos corporales humanos. Además, deben poseer resistencia a los productos químicos utilizados para la esterilización, como limpiadores y desinfectantes. En el caso de los metales médicos utilizados para implantes, estos no deben ser tóxicos, corrosivos ni magnéticos. La investigación explora continuamente nuevas aleaciones metálicas, así como otros materiales como el plastico y cerámico, para evaluar su idoneidad como materiales biocompatibles. Además, algunos materiales pueden ser seguros para el contacto a corto plazo pero no apropiados para implantes permanentes.
Debido a las numerosas variables involucradas, los organismos reguladores como la FDA en los Estados Unidos, junto con otras agencias globales, no certifican las materias primas para dispositivos médicos per se. En cambio, la clasificación se asigna al producto final y no a su material constituyente. Sin embargo, seleccionar un material biocompatible sigue siendo el paso inicial y crucial para lograr la clasificación deseada.
¿Por qué los metales son el material preferido para los componentes de dispositivos médicos?
En situaciones donde se requiere resistencia y rigidez excepcionales, los metales, particularmente en secciones transversales pequeñas, suelen ser la opción preferida. Son muy adecuados para componentes que necesitan ser moldeados o mecanizados en formas complejas, como sondas, cuchillas y puntas. Además, los metales destacan en piezas mecánicas que interactúan con otros componentes metálicos como palancas, engranajes, diapositivas y disparadores. También son adecuados para componentes que se someten a esterilización a altas temperaturas o que requieren propiedades físicas y mecánicas superiores en comparación con los materiales a base de polímeros.
Los metales suelen ofrecer una superficie duradera y brillante que facilita la limpieza y esterilización. El titanio, las aleaciones de titanio, el acero inoxidable y las aleaciones de níquel se prefieren mucho en los equipos médicos debido a su capacidad para cumplir con estrictos requisitos de limpieza en aplicaciones sanitarias. Por el contrario, los metales propensos a una oxidación superficial incontrolada y destructiva, como el acero, el aluminio o el cobre, quedan excluidos de dichas aplicaciones. Estos metales de alto rendimiento cuentan con propiedades únicas, algunas limitaciones y una versatilidad excepcional. Trabajar con estos materiales requiere enfoques de diseño innovadores, que pueden diferir de los empleados típicamente con metales o plásticos estándar, ofreciendo una multitud de posibilidades para los ingenieros de productos.
Formas preferidas de ciertos metales utilizados para dispositivos médicos
Existen varias formas de aleaciones de titanio, acero inoxidable y aleaciones endurecibles que se utilizan comúnmente en la industria médica, incluidas placas, varillas, láminas, tiras, láminas, barras y alambres. Estas diferentes formas son necesarias para cumplir con los requisitos específicos de los componentes de los dispositivos médicos, que a menudo son de naturaleza pequeña y compleja.
Para fabricar estas formas, automático prensas de estampado normalmente se emplean. Las tiras y el alambre son los materiales de partida más utilizados para este tipo de procesamiento. Estas formas de laminado vienen en varios tamaños, con espesores de tira que van desde láminas ultrafinas de 0,001 pulgadas a 0,125 pulgadas, y alambre plano disponible en espesores de 0,010 pulgadas a 0,100 pulgadas y anchos de 0,150 pulgadas a 0,750 pulgadas. .
Consideraciones para el uso de metales en la fabricación de dispositivos médicos
En este sector, analizaremos cuatro factores principales al utilizar metales para la fabricación de dispositivos médicos, es decir, mecanizado, conformabilidad, control de dureza y acabado de la superficie.
1. Mecanizado
Las propiedades de mecanizado de la aleación 6-4 se parecen mucho a las de los aceros inoxidables austeníticos, y ambos materiales tienen una clasificación de alrededor de 22% de acero AISI B-1112. Sin embargo, cabe tener en cuenta que el titanio reacciona con las herramientas de carburo y esta reacción se intensifica con el calor. Por lo tanto, se recomienda utilizar abundante líquido de corte al mecanizar titanio.
Es importante evitar el uso de fluidos que contengan halógenos, ya que pueden representar un riesgo de causar corrosión por tensión si no se eliminan completamente después de las operaciones de mecanizado.
2. Formabilidad
Los estampadores suelen preferir materiales que sean fáciles de moldear en frío. Sin embargo, vale la pena señalar que la formabilidad está inversamente relacionada con las propiedades específicas que los compradores buscan al seleccionar estas aleaciones, como una excelente dureza y resistencia.
Por ejemplo, las grapas quirúrgicas deben poseer la máxima resistencia para evitar la separación, incluso con una sección transversal muy delgada. Al mismo tiempo, deben ser extremadamente moldeables para permitir a los cirujanos cerrarlos herméticamente sin necesidad de grapas invasivas.
Lograr un equilibrio entre resistencia y formabilidad se puede lograr de manera efectiva durante la etapa de repetición. Al enrollar cuidadosamente la tira hasta el calibre deseado y emplear recocido entre pasadas para contrarrestar los efectos del endurecimiento por trabajo, se logra un nivel óptimo de conformabilidad.
Los Rerollers emplean un proceso de tratamiento térmico alternativo y laminación en frío para proporcionar un material conformable que sea adecuado para conformar, embutir y punzonar utilizando equipos de estampado multideslizadores y matrices múltiples convencionales.
Si bien la ductilidad del titanio y sus aleaciones puede ser menor que la de otros metales estructurales comúnmente utilizados, los productos en tiras aún se pueden formar fácilmente a temperatura ambiente, aunque a un ritmo más lento que el acero inoxidable.
Después del conformado en frío, el titanio presenta recuperación elástica debido a su bajo módulo de elasticidad, que es aproximadamente la mitad que el del acero. Vale la pena señalar que el grado de recuperación elástica aumenta con la resistencia del metal.
Cuando los esfuerzos a temperatura ambiente no son suficientes, las operaciones de conformado se pueden llevar a cabo a temperaturas elevadas ya que la ductilidad del titanio aumenta con la temperatura. Generalmente, las tiras y láminas de titanio sin alear se conforman en frío.
Sin embargo, hay una excepción para aleaciones alfa, que ocasionalmente se calientan a temperaturas entre 600°F y 1200°F para evitar que regresen. Vale la pena señalar que más allá de los 1100 °F, la oxidación de las superficies de titanio se vuelve preocupante, por lo que puede ser necesaria una operación de descalcificación.
Dado que el atributo de soldadura en frío del titanio es mayor que el del acero inoxidable, la lubricación adecuada es crucial cuando se realiza cualquier operación que involucre titanio que entre en contacto con troqueles de metal o equipo de conformado.
3. Control de dureza
Utilizar un proceso de laminación y recocido para lograr un equilibrio entre conformabilidad y resistencia en aleaciones. Al recocer entre cada pasada de laminado, se eliminan los efectos del endurecimiento por trabajo, lo que da como resultado el temple deseado que mantiene la resistencia del material y al mismo tiempo proporciona la conformabilidad necesaria.
Para cumplir con especificaciones estrictas y minimizar costos, los expertos de Precisión Runsom puede ayudarle en la selección de aleaciones y ofrecer soluciones integrales para su mecanizado de metales médicos. Esto garantiza que las aleaciones posean la combinación deseada de propiedades, alineándose con los requisitos y limitaciones específicos.
4. Acabado superficial
Durante la etapa de nuevo laminado, se determina el acabado superficial de los productos de tiras de acero inoxidable y a base de titanio. Los diseñadores tienen una variedad de opciones para elegir, incluido un acabado brillante y reflectante, una superficie mate que facilita la transferencia de lubricación u otras superficies especializadas necesarias para unir, soldar o soldar.
Los acabados superficiales se crean mediante el contacto entre los rodillos de trabajo y el material en el laminador. Por ejemplo, el uso de rodillos de carburo altamente pulido da como resultado un acabado reflectante y brillante como un espejo, mientras que los rodillos de acero granallado producen un acabado mate con una rugosidad de 20 a 40 µpulg. RMS. Los rodillos de carburo granallados proporcionan un acabado mate con 18-20 µin. Rugosidad RMS.
Este proceso es capaz de producir una superficie con una rugosidad de hasta 60 µin. RMS, que representa un nivel relativamente alto de rugosidad de la superficie.
Metales y aleaciones de uso común para aplicaciones médicas
El acero inoxidable, el titanio y las aleaciones a base de níquel se perciben como materiales más avanzados en comparación con los convencionales. Sin embargo, también aportan una gama más amplia de capacidades. Estos materiales tienen la capacidad de modificar sus características mecánicas mediante procesos como calentamiento, enfriamiento y enfriamiento. Además, durante el procesamiento, pueden sufrir modificaciones adicionales según sea necesario. Por ejemplo, laminar metales en calibres más delgados puede aumentar su dureza, mientras que el recocido puede restaurar sus propiedades a un temple preciso, lo que permite una conformación rentable.
Estos metales se comportan bien en Aplicaciones médicas. Exhiben una resistencia a la corrosión excepcional, poseen altas capacidades mecánicas, ofrecen una amplia gama de opciones de tratamiento de superficies y brindan una excelente versatilidad de producción una vez que los diseñadores se familiarizan con su complejidad.
Conclusión
Al fabricar equipos médicos, es fundamental elegir cuidadosamente los metales adecuados. Los metales comúnmente utilizados para este propósito incluyen acero inoxidable, titanio, cromo cobalto, cobre, tantalio y platino. Estos metales son los preferidos debido a su excelente biocompatibilidad y durabilidad. Aunque el paladio también está ganando reconocimiento, su utilización es relativamente limitada debido a sus mayores costes. Esperamos que esta guía le ayude a encontrar el metal adecuado que satisfaga sus proyectos o aplicaciones médicas.
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