L’augmentation des cas de COVID-19 a entraîné une demande plus élevée d’équipements médicaux, ce qui a souligné l’importance de la sélection des matériaux pour les concepteurs et les fabricants de dispositifs médicaux. Il est crucial de choisir les matériaux appropriés pour les pièces et équipements médicaux afin de garantir la facilité d'utilisation, la qualité et le respect des normes. Opter pour les bons matériaux peut offrir les avantages d’une rentabilité et d’une fiabilité maximales.
Les biomatériaux métalliques ou métaux médicaux ont été largement utilisés dans la production d’aides et d’outils chirurgicaux, offrant une gamme diversifiée d’options parmi lesquelles choisir. L'avancement réussi de matériaux tels que l'alliage cobalt-chrome, l'acier inoxydable, le titane et divers alliages, ainsi que leur large utilisation en dentisterie et en orthopédie, ont fermement établi l'importance des matériaux médicaux métalliques dans la fabrication de dispositifs médicaux.
Lors de la conception d'appareils à des fins médicales et de soins de santé, il est extrêmement important que les fabricants soient prudents dans la sélection des matières premières appropriées. En plus de répondre aux spécifications techniques nécessaires à l'application, les matériaux choisis doivent également garantir l'absence de tout risque potentiel au contact du corps humain ou des différents produits chimiques couramment rencontrés en milieu clinique. Une attention particulière doit être accordée aux exigences fonctionnelles et à la compatibilité des matériaux avec l'utilisation prévue.
Dans les secteurs de la médecine et de la santé, de nombreux métaux purs et alliages métalliques ont prouvé leur valeur. Cet article passera en revue les treize types de biomatériaux métalliques et de métaux les plus courants utilisés dans la fabrication de dispositifs médicaux.
13 types de métaux pour la fabrication de pièces et de dispositifs médicaux
Voyons les treize types de métaux purs et d'alliages métalliques les plus courants, leurs applications ainsi que leurs avantages et inconvénients dans la fabrication de médicaments et d'appareils de santé.
1. Acier inoxydable
Acier inoxydable convient parfaitement à une large gamme d’appareils médicaux en raison de sa nature non toxique, non corrosive et durable. De plus, il peut être poli pour obtenir une finition fine qui peut être facilement nettoyée. L’acier inoxydable étant disponible en différentes variantes, chacune possédant des propriétés mécaniques et chimiques uniques, il est crucial de sélectionner le type approprié.
Les aciers inoxydables 316 et 316L sont les types les plus fréquemment utilisés pour les implants médicaux et les perçages corporels en raison de leur résistance exceptionnelle à la corrosion. Cet attribut est essentiel pour prévenir la corrosion du sang, qui peut entraîner des infections et des conséquences potentiellement mortelles. De plus, l’acier inoxydable contient des variétés à faible teneur en nickel, de sorte que les patients souffrent rarement de réactions allergiques au nickel.
L'acier inoxydable 440 est couramment utilisé dans la production d'outils chirurgicaux. Bien qu'il puisse offrir une résistance à la corrosion inférieure à celle du 316, sa teneur en carbone plus élevée permet traitement thermique, aboutissant à la création de bouts pointus adapté aux instruments de coupe. L'acier inoxydable est largement utilisé en orthopédie, notamment pour le remplacement des articulations de la hanche et la stabilisation des os fracturés à l'aide de vis et de plaques. De plus, il est fréquemment utilisé pour fabriquer des outils chirurgicaux durables et faciles à nettoyer, tels que des pinces hémostatiques, des pinces, des pinces et d'autres équipements nécessitant à la fois durabilité et stérilité.
Étant donné que l’acier inoxydable contient du fer, qui peut entraîner une corrosion au fil du temps, il existe un risque pour les tissus environnants à mesure que l’implant se détériore. En comparaison, les métaux médicaux comme le titane ou le chrome-cobalt offrent une plus grande résistance à la corrosion. Notez cependant que ces métaux alternatifs peuvent être plus coûteux.
2. Cuivre
En raison de sa force relativement plus faible, cuivre n'est pas largement utilisé pour produire du matériel chirurgical et des implants. Cependant, ses propriétés antibactériennes et antivirales notables en font un choix répandu dans le domaine de la chirurgie et de la prévention des maladies.
L’utilisation directe du cuivre pour les implants médicaux est rare en raison de sa douceur et de sa toxicité potentielle au sein des tissus. Cependant, certains alliages de cuivre sont encore utilisés dans les implants dentaires et pour atténuer les risques d'infection dans chirurgies de transplantation osseuse.
Le cuivre excelle véritablement en tant que métal médical en raison de ses propriétés antivirales et antibactériennes exceptionnelles. Cela fait du cuivre un matériau idéal pour les surfaces fréquemment touchées, telles que les poignées de porte, les barrières de lit et les interrupteurs. Ce qui distingue le cuivre, c'est que FDA a approuvé plus de 400 alliages de cuivre différents comme biocides, empêchant efficacement la transmission de virus comme le SRAS-CoV-2.
Lorsqu’il est exposé à l’environnement, le cuivre pur subit facilement une oxydation, ce qui lui donne une couleur verdâtre. Malgré cela, il conserve ses propriétés antimicrobiennes. Cependant, certaines personnes peuvent percevoir la décoloration comme peu attrayante. Pour résoudre ce problème, des alliages sont couramment utilisés, offrant différents niveaux d’efficacité contre les microbes. Une autre option consiste à appliquer des revêtements en couche mince pour empêcher l’oxydation tout en préservant les propriétés antibactériennes du cuivre.
3. Titane
Titane est très apprécié parmi les métaux couramment utilisés dans la production de dispositifs médicaux. Outre les équipements médicaux internes, il est également utilisé dans la fabrication de dispositifs externes tels que des instruments chirurgicaux, des équipements dentaires et des équipements orthopédiques. Le titane pur, connu pour être extrêmement inerte, est l'option la plus coûteuse, souvent réservée aux composants à très haute fiabilité ou à ceux destinés à une utilisation à long terme dans le corps d'un patient après une intervention chirurgicale.
De nos jours, le titane est fréquemment utilisé comme substitut à l’acier inoxydable, notamment dans la production de supports et substituts osseux. Le titane possède une résistance et une durabilité comparables à l’acier inoxydable tout en étant plus léger. De plus, il présente d’excellentes propriétés de biocompatibilité.
Les alliages de titane conviennent également parfaitement aux implants dentaires. Cela est dû au fait que le titane peut être utilisé dans impression 3D métal pour fabriquer des composants entièrement personnalisés basés sur les scans et les radiographies d'un patient. Cela permet un ajustement impeccable et une solution personnalisée.
Le titane se distingue par sa légèreté et sa robustesse, surpassant l'acier inoxydable en termes de résistance à la corrosion. Néanmoins, certaines limites doivent être prises en compte. Les alliages de titane peuvent présenter une résistance insuffisante à la fatigue par flexion sous des charges dynamiques continues. De plus, lorsqu’il est utilisé dans les joints de remplacement, le titane n’est pas aussi résistant au frottement et à l’usure.
4. Chrome-cobalt
Composé de chrome et de cobalt, chrome-cobalt est un alliage qui offre plusieurs avantages pour les instruments chirurgicaux. Son aptitude à impression en 3D et Usinage CNC permet une mise en forme pratique des formes souhaitées. En outre, électropolissage est mis en œuvre pour garantir une surface lisse, minimisant le risque de contamination. Avec d'excellents attributs tels que la solidité, la résistance à l'usure et l'endurance à haute température, le chrome-cobalt fait partie des meilleurs choix pour les alliages métalliques. Sa biocompatibilité le rend idéal pour les prothèses orthopédiques, les arthroplasties et les implants dentaires.
Les alliages de chrome-cobalt sont des métaux médicaux très appréciés, utilisés pour le remplacement des articulations de la hanche et de l'épaule. Cependant, des inquiétudes ont été exprimées concernant la libération potentielle d'ions cobalt, chrome et nickel dans la circulation sanguine, à mesure que ces alliages s'usent progressivement avec le temps.
5. Aluminium
Rarement en contact direct avec le corps, aluminium reste largement utilisé dans la production de divers équipements de support nécessitant des propriétés légères, robustes et résistantes à la corrosion. Les exemples incluent les stents intraveineux, les cannes, les cadres de lit, les fauteuils roulants et les stents orthopédiques. En raison de leur tendance à rouiller ou à s'oxyder, les composants en aluminium nécessitent généralement des processus de peinture ou d'anodisation pour améliorer leur durabilité et leur durée de vie.
6. Magnésium
Les alliages de magnésium sont des métaux médicaux connus pour leur légèreté et leur résistance exceptionnelles, ressemblant au poids et à la densité des os naturels. De plus, le magnésium démontre une biosécurité car il se biodégrade naturellement et en toute sécurité au fil du temps. Cette propriété le rend adapté aux stents temporaires ou aux remplacements de greffes osseuses, éliminant ainsi le besoin de procédures de retrait secondaires.
Cependant, le magnésium s'oxyde rapidement, ce qui nécessite traitement de surface. De plus, l’usinage du magnésium peut s’avérer difficile et des précautions doivent être prises pour éviter des réactions potentiellement volatiles avec l’oxygène.
7. Or
L'or, probablement l'un des premiers métaux médicaux utilisés, possède une excellente résistance à la corrosion et une excellente biocompatibilité. Sa malléabilité permet une mise en forme facile, ce qui en fait un choix populaire dans le passé pour diverses réparations dentaires. Cependant, cette pratique est devenue moins répandue, l'or étant désormais remplacé par matériaux synthétiques dans de nombreux cas.
Si l’or possède certaines propriétés biocides, il convient de noter que son coût et sa rareté limitent son utilisation. En règle générale, l’or est utilisé sous forme de placages très minces plutôt que sous forme d’or massif. Les placages d'or se trouvent couramment sur les conducteurs, les fils et autres composants microélectroniques utilisés dans les implants d'électrostimulation et capteurs.
8. Platine
Le platine, un autre métal profondément stable et inerte, est considéré comme une excellente option pour les dispositifs et équipements chirurgicaux en raison de sa biocompatibilité et de sa conductivité exceptionnelle. Les fils de platine délicats sont largement utilisés dans les implants électroniques internes comme les aides auditives et les stimulateurs cardiaques. De plus, le platine trouve ses applications liées aux troubles neurologiques et à la surveillance des ondes cérébrales.
9. Argent
Semblable au cuivre, l’argent possède des propriétés antimicrobiennes inhérentes, ce qui le rend précieux dans diverses applications. Il trouve une utilité dans les stents et les implants non porteurs, et est même incorporé dans des composés cimentaires utilisés pour le plâtrage osseux. De plus, l’argent est allié au zinc ou au cuivre pour produire des obturations dentaires.
10. Tantale
Le tantale présente des caractéristiques remarquables telles qu'une résistance élevée à la chaleur, une excellente ouvrabilité, une résistance aux acides et à la corrosion, ainsi qu'une combinaison de ductilité et de résistance. En tant que métal réfractaire hautement poreux, il facilite la croissance et l’intégration osseuses, ce qui le rend adapté aux implants en présence d’os.
Le tantale trouve une application dans divers instruments médicaux et rubans marqueurs de diagnostic en raison de son immunité aux fluides corporels et de sa résistance à la corrosion. L'avènement de impression en 3D a permis au tantale d'être utilisé dans les remplacements d'os crâniens et les dispositifs dentaires comme les couronnes ou vis des postes. Cependant, en raison de sa rareté et de son coût, le tantale est souvent utilisé dans les matériaux composites plutôt que sous sa forme pure.
11. Nitinol
Le nitinol est un alliage composé de nickel et de titane, connu pour sa résistance à la corrosion et sa biocompatibilité exceptionnelles. Sa structure cristalline unique lui permet de présenter une superélasticité et un effet de mémoire de forme. Ces propriétés ont révolutionné l’industrie des dispositifs médicaux en permettant au matériau de retrouver sa forme originale après déformation, en fonction d’une température spécifique.
Dans les procédures médicales où la précision est cruciale, le nitinol offre la flexibilité nécessaire pour naviguer dans des espaces restreints tout en conservant une durabilité permettant de résister à des contraintes importantes (jusqu'à 8%). Sa légèreté et ses excellentes performances en font un choix idéal pour la fabrication de diverses applications biomédicales. Les exemples incluent les fils orthodontiques, les ancrages osseux, les agrafes, les dispositifs d'espacement, les outils pour valvules cardiaques, les fils guides et les stents. Le nitinol peut également être utilisé pour créer des marqueurs et des lignes de diagnostic permettant de localiser les tumeurs du sein, offrant ainsi des options moins invasives pour le diagnostic et le traitement du cancer du sein.
12. Niobium
Le niobium, un métal spécial réfractaire, trouve une application dans les équipements médicaux modernes. Il est reconnu pour son inertie et sa biocompatibilité exceptionnelles. Outre ses précieux attributs, notamment une conductivité thermique et électrique élevée, le niobium est fréquemment utilisé dans la production de petits composants pour stimulateurs cardiaques.
13. Tungstène
Le tungstène est couramment utilisé dans les équipements médicaux, en particulier dans la production de tubes pour les procédures mini-invasives comme la laparoscopie et l'endoscopie. Il offre une résistance mécanique et peut également répondre aux besoins de radio-opacité, ce qui le rend adapté aux applications d'inspection par fluorescence. De plus, la densité du tungstène dépasse celle du plomb, ce qui en fait une alternative écologique aux matériaux de protection contre les rayonnements.
Matériaux biocompatibles disponibles pour les dispositifs médicaux
Lorsqu’il s’agit de matériaux biocompatibles utilisés en milieu de soins, ils doivent respecter des critères spécifiques qui peuvent ne pas s’appliquer à d’autres produits.
Par exemple, ils doivent être non toxiques lorsqu’ils entrent en contact avec des tissus humains ou des fluides corporels. De plus, ils doivent résister aux produits chimiques utilisés pour la stérilisation, tels que les nettoyants et les désinfectants. Dans le cas des métaux médicaux utilisés pour les implants, ils doivent être non toxiques, non corrosifs et non magnétiques. La recherche explore continuellement de nouveaux alliages métalliques, ainsi que d'autres matériaux comme Plastique et céramique, pour évaluer leur aptitude en tant que matériaux biocompatibles. De plus, certains matériaux peuvent être sans danger pour un contact à court terme mais ne pas convenir aux implants permanents.
En raison des nombreuses variables impliquées, les organismes de réglementation comme la FDA aux États-Unis, ainsi que d’autres agences mondiales, ne certifient pas les matières premières pour les dispositifs médicaux en soi. Au lieu de cela, la classification est attribuée au produit final plutôt qu'à son matériau constitutif. Néanmoins, la sélection d’un matériau biocompatible reste l’étape initiale et cruciale vers l’obtention de la classification souhaitée.
Pourquoi les métaux sont-ils le matériau préféré pour les composants de dispositifs médicaux ?
Dans les situations où une résistance et une rigidité exceptionnelles sont requises, les métaux, en particulier dans les petites sections transversales, sont souvent le choix préféré. Ils conviennent parfaitement aux composants qui doivent être façonnés ou usinés pour obtenir des formes complexes, tels que sondes, lames et pointes. De plus, les métaux excellent dans les pièces mécaniques qui interagissent avec d'autres composants métalliques comme les leviers, engrenages, diapositives et déclencheurs. Ils conviennent également aux composants soumis à une stérilisation à haute température ou nécessitant des propriétés mécaniques et physiques supérieures à celles des matériaux à base de polymères.
Les métaux offrent généralement une surface durable et brillante qui facilite le nettoyage et la stérilisation. Le titane, les alliages de titane, l'acier inoxydable et les alliages de nickel sont très appréciés dans les équipements médicaux en raison de leur capacité à répondre aux exigences strictes de nettoyage dans les applications de soins de santé. À l’inverse, les métaux sujets à une oxydation superficielle incontrôlée et destructrice, tels que l’acier, l’aluminium ou le cuivre, sont exclus de ces applications. Ces métaux hautes performances possèdent des propriétés uniques, certaines limites et une polyvalence exceptionnelle. Travailler avec ces matériaux nécessite des approches de conception innovantes, qui peuvent différer de celles généralement utilisées avec des métaux ou des plastiques standards, offrant ainsi une multitude de possibilités aux ingénieurs produits.
Formes préférées de certains métaux utilisés pour les dispositifs médicaux
Il existe plusieurs formes d'alliages de titane, d'acier inoxydable et d'alliages durcissables qui sont couramment utilisés dans l'industrie médicale, notamment les plaques, les tiges, les feuilles, les bandes, les feuilles, les barres et les fils. Ces différentes formes sont nécessaires pour répondre aux exigences spécifiques des composants des dispositifs médicaux, qui sont souvent de petite taille et complexes.
Pour fabriquer ces formes, automatique presses à estamper sont généralement employés. Les bandes et les fils sont les matières premières les plus couramment utilisées pour ce type de traitement. Ces formes de broyeur sont disponibles en différentes tailles, avec une épaisseur de bande allant d'une feuille ultra-mince de 0,001 po à 0,125 po, et du fil plat disponible en épaisseurs de 0,010 po à 0,100 po et en largeurs de 0,150 po à 0,750 po. .
Considérations relatives à l'utilisation de métaux dans la fabrication de dispositifs médicaux
Dans ce secteur, nous passerons en revue quatre facteurs principaux lors de l'utilisation de métaux pour la fabrication de dispositifs médicaux, à savoir l'usinage, la formabilité, le contrôle de la dureté et finition de surface.
1. Usinage
Les propriétés d'usinage de l'alliage 6-4 ressemblent beaucoup à celles des aciers inoxydables austénitiques, les deux matériaux étant évalués autour de 22% pour l'acier AISI B-1112. Cependant, il convient de noter que le titane réagit avec les outils en carbure et que cette réaction est intensifiée par la chaleur. Par conséquent, il est recommandé d’injecter fortement du liquide de coupe lors de l’usinage du titane.
Il est important d'éviter d'utiliser des fluides contenant des halogènes, car ils peuvent présenter un risque de corrosion sous contrainte s'ils ne sont pas soigneusement éliminés après les opérations d'usinage.
2. Formabilité
Les estampeurs préfèrent généralement les matériaux faciles à former à froid. Cependant, il convient de noter que la formabilité est inversement liée aux propriétés spécifiques recherchées par les acheteurs lors de la sélection de ces alliages, telles qu'une excellente dureté et résistance.
Par exemple, les agrafes chirurgicales doivent posséder une résistance maximale pour empêcher la séparation, même avec une section transversale très fine. Dans le même temps, ils doivent être extrêmement malléables pour permettre aux chirurgiens de les fermer hermétiquement sans nécessiter d'outils d'agrafes invasifs.
Atteindre un équilibre entre résistance et formabilité peut être réalisé efficacement pendant la phase de relance. En laminant soigneusement la bande jusqu'à l'épaisseur souhaitée et en utilisant un recuit entre les passes pour contrer les effets de l'écrouissage, un niveau optimal de formabilité est obtenu.
Les rerollers utilisent un processus de traitement thermique alterné et laminage à froid fournir un matériau formable bien adapté au formage, à l'étirage et au poinçonnage à l'aide d'un équipement d'estampage multi-lames et multi-matrices conventionnel.
Même si la ductilité du titane et de ses alliages peut être inférieure à celle d'autres métaux de construction couramment utilisés, les produits en bandes peuvent toujours être facilement formés à température ambiante, bien qu'à un rythme plus lent que celui de l'acier inoxydable.
Après formage à froid, le titane présente un retour élastique en raison de son faible module d'élasticité, qui est environ la moitié de celui de l'acier. Il convient de noter que le degré de retour élastique augmente avec la résistance du métal.
Lorsque les efforts à température ambiante ne suffisent pas, les opérations de formage peuvent être réalisées à des températures élevées puisque la ductilité du titane augmente avec la température. Généralement, les bandes et feuilles de titane non alliées sont formées à froid.
Il existe cependant une exception pour alliages alpha, qui sont occasionnellement chauffés à des températures comprises entre 600 °F et 1 200 °F pour éviter tout retour élastique. Il est à noter qu'au-delà de 1 100°F, l'oxydation des surfaces en titane devient préoccupante, une opération de détartrage peut donc être nécessaire.
Étant donné que les propriétés de soudage à froid du titane sont supérieures à celles de l'acier inoxydable, une lubrification appropriée est cruciale lors de toute opération impliquant du titane entrant en contact avec du titane. matrices en métal ou équipement de formage.
3. Contrôle de la dureté
Utilisation d'un processus de laminage et de recuit pour atteindre un équilibre entre formabilité et résistance dans les alliages. En recuit entre chaque passe de laminage, les effets de l'écrouissage sont éliminés, ce qui permet d'obtenir l'état souhaité qui maintient la résistance du matériau tout en offrant la formabilité nécessaire.
Pour répondre à des spécifications strictes et minimiser les coûts, les experts de Précision Runsom peut vous aider dans la sélection des alliages et proposer des solutions complètes pour votre usinage de métaux médicaux. Cela garantit que les alliages possèdent la combinaison souhaitée de propriétés, en adéquation avec les exigences et contraintes spécifiques.
4. Finition de surface
Au cours de l’étape de relaminage, la finition de surface des produits en bandes à base de titane et en acier inoxydable est déterminée. Les concepteurs ont le choix entre une variété d'options, notamment une finition brillante et réfléchissante, une surface mate qui facilite le transfert de lubrification ou d'autres surfaces spécialisées nécessaires au collage, au brasage ou au soudage.
Les finitions de surface sont créées par le contact entre les cylindres de travail et le matériau dans le laminoir. Par exemple, l'utilisation de rouleaux en carbure hautement polis donne une finition brillante et réfléchissante, tandis que les rouleaux en acier grenaillé produisent une finition mate avec une rugosité de 20 à 40 µin. RMS. Les rouleaux en carbure grenaillé offrent une finition mate avec une épaisseur de 18 à 20 µin. Rugosité RMS.
Ce processus est capable de produire une surface avec une rugosité allant jusqu'à 60 µin. RMS, qui représente un niveau de rugosité de surface.
Métaux et alliages couramment utilisés pour les applications médicales
L’acier inoxydable, le titane et les alliages à base de nickel sont perçus comme des matériaux plus avancés que les alliages conventionnels. Cependant, ils apportent également un plus large éventail de capacités. Ces matériaux ont la capacité de modifier leurs caractéristiques mécaniques grâce à des processus tels que le chauffage, le refroidissement et la trempe. De plus, au cours du traitement, ils peuvent subir d'autres modifications si nécessaire. Par exemple, le laminage des métaux en épaisseurs plus fines peut augmenter leur dureté, tandis que le recuit peut restaurer leurs propriétés à un état précis, permettant ainsi une mise en forme rentable.
Ces métaux fonctionnent bien dans applications médicales. Ils présentent une résistance exceptionnelle à la corrosion, possèdent des capacités mécaniques élevées, offrent une large gamme d'options de traitement de surface et offrent une excellente polyvalence de production une fois que les concepteurs se sont familiarisés avec leur complexité.
Conclusion
Lors de la fabrication d’équipements médicaux, il est crucial de choisir avec soin les métaux appropriés. Les métaux couramment utilisés à cette fin comprennent l'acier inoxydable, le titane, le cobalt-chrome, le cuivre, le tantale et le platine. Ces métaux sont préférés en raison de leur excellente biocompatibilité et durabilité. Bien que le palladium soit également de plus en plus reconnu, son utilisation est relativement limitée en raison de ses coûts plus élevés. Nous espérons que ce guide vous aidera à trouver le métal approprié qui répondra à vos projets ou applications médicales.
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