W ostatnich latach światowy przemysł wyrobów medycznych utrzymywał szybki i stabilny wzrost, ze średnim tempem wzrostu wynoszącym około 4%, czyli wyższym niż krajowe tempo wzrostu gospodarczego w tym samym okresie. Stany Zjednoczone, Europa i Japonia wspólnie zajmują główną pozycję na światowym rynku wyrobów medycznych. Stany Zjednoczone są największym na świecie producentem i konsumentem wyrobów medycznych, a ich konsumpcja zajmuje czołową pozycję w branży. Wśród największych światowych gigantów urządzeń medycznych Stany Zjednoczone mają największą liczbę firm produkujących urządzenia medyczne i ich największy odsetek.
W artykule przedstawiono głównie powszechnie stosowane tworzywa konstrukcyjne do zastosowań medycznych, które składają się z materiałów o łatwych w obróbce kształtach. Te tworzywa sztuczne wydają się być stosunkowo drogie w stosunku do wagi, ponieważ większość materiałów jest tracona z powodu gruzu podczas przetwarzania.
Wprowadzenie do powszechnie stosowanych tworzyw konstrukcyjnych w medycynie
Akrylonitryl-butadien-styren (ABS)
Terpolimer składa się z SAN (styren-akrylonitryl) i syntetycznego kauczuku butadienowego. Ze swojej struktury, główny łańcuch ABS może być BS, AB, AS, a odpowiadający mu łańcuch odgałęzienia może być AS, S, AB i innymi komponentami.
ABS to polimer, w którym faza kauczukowa jest zdyspergowana w ciągłej fazie żywicy. Dlatego nie jest to po prostu kopolimer lub mieszanina tych trzech monomerów, SAN (styren-akrylonitryl), który zapewnia twardość ABS i wykończenie powierzchni, ale butadien zapewnia jego wytrzymałość, stosunek tych trzech składników można regulować w razie potrzeby. Tworzywa sztuczne są zwykle używane do produkcji płyt o grubości 4 cali i prętów o średnicy 6 cali, które można łatwo łączyć i laminować w celu uzyskania grubszych płyt i komponentów. Ze względu na rozsądny koszt i łatwość obróbki jest popularnym materiałem do produkcji prototypów komputerowych sterowanych numerycznie (CNC).
ABS jest często używany do tworzenia pęcherzy na skorupach sprzętu medycznego na dużą skalę. W ostatnich latach ABS wypełniony włóknem szklanym znalazł zastosowanie w wielu miejscach.
Żywica akrylowa (PMMA)
Żywica akrylowa jest właściwie jednym z najwcześniejszych tworzyw sztucznych stosowanych w urządzeniach medycznych i nadal jest powszechnie stosowana w formowaniu uzupełnień anaplastycznych. * Akryl to zasadniczo polimetakrylan metylu (PMMA).
Żywica akrylowa jest mocna, przezroczysta, przetwarzalna i podatna na sklejanie. Jedną z powszechnych metod łączenia akrylu jest wiązanie rozpuszczalnikowe chlorkiem metylu. Akryl ma prawie nieograniczone rodzaje prętów, kształtów arkuszy i płyt oraz różne kolory. Żywice akrylowe są szczególnie odpowiednie do światłowodów i zastosowań optycznych.
Żywica akrylowa do oznakowania i wyświetlania może być używana do testów porównawczych i prototypów; jednakże należy dołożyć starań, aby określić wersję klasy medycznej przed użyciem jej w jakichkolwiek badaniach klinicznych. Żywice akrylowe klasy handlowej mogą zawierać odporność na promieniowanie UV, środki zmniejszające palność, modyfikatory udarności i inne chemikalia, przez co nie nadają się do użytku klinicznego.
Polichlorek winylu (PVC)
PVC ma dwie formy, sztywną i elastyczną, w zależności od tego, czy dodaje się plastyfikatory, czy nie. PVC jest zwykle używany do rur wodociągowych. Głównymi wadami PVC są słaba odporność na warunki atmosferyczne, stosunkowo niewielka udarność oraz dość duża waga arkusza termoplastycznego (ciężar właściwy 1,35). Jest łatwo zarysowany lub uszkodzony i ma stosunkowo niski punkt deformacji termicznej (160).
Nieplastyfikowany PVC jest produkowany w dwóch głównych składach: Typ I (odporność na korozję) i Typ II (odporność na uderzenia). PVC typu I jest najczęściej stosowanym PVC, ale w zastosowaniach wymagających wyższej udarności niż typ I, typ II ma lepszą odporność na uderzenia i nieznacznie zmniejszoną odporność na korozję. W zastosowaniach wymagających formulacji wysokotemperaturowych, polifluorek winylidenu (PVDF) do zastosowań o wysokiej czystości może być używany w temperaturze około 280 ° F.
Wyroby medyczne wykonane z plastyfikowanego polichlorku winylu (plastyfikowany pcv) były pierwotnie używane do zastępowania naturalnej gumy i szkła w sprzęcie medycznym. Powód zastąpienia jest następujący: plastyfikowane materiały z polichlorku winylu są łatwiejsze do sterylizacji, bardziej przezroczyste i mają lepszą stabilność chemiczną i efektywność ekonomiczną. Plastyfikowane produkty z polichlorku winylu są łatwe w użyciu, a ze względu na swoją miękkość i elastyczność mogą uniknąć uszkodzenia wrażliwych tkanek pacjenta i nie powodować dyskomfortu.
Poliwęglan (PC)
Poliwęglan (PC) jest najtwardszym przezroczystym tworzywem sztucznym i jest bardzo przydatny w prototypowych urządzeniach medycznych, zwłaszcza jeśli ma być zastosowane wiązanie utwardzane promieniami UV. PC ma kilka form pręta, blachy i blachy, jest łatwy w łączeniu.
Chociaż można używać osobno lub w połączeniu z kilkunastu charakterystyk wydajności komputera, najczęściej polega na siedmiu. PC ma wysoką udarność, przezroczystość wody, dobrą odporność na pełzanie, szeroki zakres temperatur pracy, stabilność wymiarową, odporność na zużycie, twardość i sztywność, pomimo swojej plastyczności.
PC można łatwo odbarwić przez sterylizację radiacyjną, ale dostępne są stopnie odporności na promieniowanie.
Polipropylen (PP)
PP to lekkie, niedrogie tworzywo poliolefinowe o niskiej temperaturze topnienia, dzięki czemu doskonale nadaje się do termoformowania i pakowania żywności. PP jest łatwopalny, więc jeśli potrzebujesz ognioodporności, poszukaj gatunków zmniejszających palność (FR). PP jest odporny na zginanie, potocznie nazywany „klejem stukrotnym”. Do zastosowań wymagających gięcia można użyć PP.
Polietylen (PE)
Polietylen (PE) jest powszechnie stosowanym materiałem do pakowania i przetwarzania żywności. Polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE) ma wysoką odporność na zużycie, niski współczynnik tarcia, samosmarność, nieadhezyjność powierzchni i doskonałą odporność na zmęczenie chemiczne. Zachowuje również wysoką wydajność w ekstremalnie niskich temperaturach (na przykład ciekły azot, -259 ° C). UHMWPE zaczyna mięknąć około 185 ° F i traci swoją odporność na ścieranie.
Ponieważ UHMWPE ma stosunkowo wysoki współczynnik rozszerzania i kurczenia się przy zmianach temperatury, nie jest zalecany do zastosowań o wąskiej tolerancji w takich środowiskach.
Ze względu na wysoką energię powierzchniową, nieprzylepną powierzchnię, PE może być trudny do sklejenia. Komponenty najłatwiej dopasować razem za pomocą łączników, wcięć lub zatrzasków. Loctite produkuje kleje cyjanoakrylowe (CYA) (LoctitePrism niewrażliwe na powierzchnię CYA i podkład) do klejenia tego typu tworzyw sztucznych.
UHMWPE jest z powodzeniem stosowany również w implantach ortopedycznych. Jest to najczęściej stosowany materiał w panewce podczas całkowitej alloplastyki stawu biodrowego i najczęstszy materiał w części piszczelowej plateau podczas całkowitej alloplastyki stawu kolanowego. Nadaje się do wysoko wypolerowanego stopu kobaltowo-chromowego. * Należy pamiętać, że materiały odpowiednie dla implantów ortopedycznych to materiały specjalne, a nie wersje przemysłowe. UHMWPE klasy medycznej jest sprzedawany pod nazwą handlową Lennite przez Westlake Plastics (Lenni, PA).
Polioksymetylen (POM)
Delrin firmy DuPont jest jednym z najbardziej znanych POM i większość projektantów używa tej nazwy w odniesieniu do tego tworzywa sztucznego. POM jest syntetyzowany z formaldehydu. POM został pierwotnie opracowany we wczesnych latach pięćdziesiątych XX wieku jako twardy, odporny na ciepło zamiennik metali nieżelaznych, powszechnie znany jako „Saigang”. Jest to twardy plastik o niskim współczynniku tarcia i dużej wytrzymałości.
Delrin i podobny POM są trudne do sklejenia, a montaż mechaniczny jest najlepszy. Delrin jest powszechnie stosowany w prototypach obrabianych maszyn medycznych i zamkniętych oprawach. Jest wysoce przetwarzalny, dzięki czemu doskonale nadaje się do prototypów urządzeń do obróbki skrawaniem, które wymagają wytrzymałości, odporności chemicznej i materiałów spełniających normy FDA.
Wadą Delrinu jest jego wrażliwość na sterylizację radiacyjną, która powoduje kruchość POM. W przypadku sterylizacji radiacyjnej, zatrzaskowe, plastikowy mechanizm sprężynowy i cienki odcinek pod obciążeniem mogą pęknąć. Jeśli chcesz sterylizować części z B-POM, rozważ użycie EtO, Steris lub autoklawów, w zależności od tego, czy urządzenie zawiera wrażliwe elementy, takie jak urządzenia elektroniczne.
Nylon (PA)
Nylon jest dostępny w formułach 6/6 i 6/12. Nylon jest wytrzymały i odporny na ciepło. Identyfikatory 6/6 i 6/12 odnoszą się do liczby atomów węgla w łańcuchu polimeru, a 6/12 to nylon o długim łańcuchu o wyższej odporności na ciepło. Nylon nie jest tak przetwarzalny jak ABS lub Delrin (POM), ponieważ ma tendencję do pozostawiania lepkich wiórów na krawędziach części, które mogą wymagać gratowania.
Nylon 6, najczęściej stosowany jest nylon odlewany, który został opracowany przez firmę DuPont przed II wojną światową. Jednak dopiero w 1956 r., Kiedy odkryto związki (kokatalizatory i przyspieszacze), nylon odlewany stał się komercyjnie opłacalny. Dzięki tej nowej technologii prędkość polimeryzacji jest znacznie zwiększona, a kroki wymagane do osiągnięcia polimeryzacji są zmniejszone.
Ze względu na mniej ograniczeń przetwórczych, odlewany nylon 6 zapewnia jeden z największych rozmiarów matryc i niestandardowych kształtów spośród wszystkich tworzyw termoplastycznych. Odlewy obejmują pręty, rury, rury i płyty. Ich rozmiar waha się od 1 funta do 400 funtów.
Materiały nylonowe mają wytrzymałość mechaniczną i są przyjazne dla skóry, których nie mają zwykłe materiały. Jednak ortezę na opadającą stopę w sprzęcie medycznym, wózki inwalidzkie rehabilitacyjne i medyczne łóżka do karmienia zwykle wymagają części o określonej nośności, dlatego zazwyczaj wybiera się PA66 + 15% GF.
Fluorowany etylenopropylen (FEP)
Fluorowany etylenopropylen (FEP) ma wszystkie pożądane właściwości tetrafluoroetylenu (TFE) (politetrafluoroetylenu [PTFE]), ale ma niższą temperaturę przeżycia 200 ° C (392 ° F). W przeciwieństwie do PTFE, FEP może być formowany wtryskowo i wytłaczany w postaci prętów, rur i specjalnych profili konwencjonalnymi metodami. Staje się to zaletą konstrukcji i przetwarzania w porównaniu z PTFE. Dostępne są pręty do 4,5 cala i płyty do 2 cali. Wydajność FEP podczas sterylizacji radiacyjnej jest nieco lepsza niż PTFE.
Wysokowydajne konstrukcyjne tworzywa sztuczne
Polieteroimid (PEI)
Ultem 1000 to termoplastyczny polieteroimidowy polimer wysokotemperaturowy, zaprojektowany przez General Electric Company do formowania wtryskowego. Poprzez rozwój nowej technologii wytłaczania, producenci tacy jak AL Hyde, Gehr i Ensinger wytwarzają różne modele i rozmiary Ultem 1000. Ultem 1000 łączy w sobie doskonałą przetwarzalność i zapewnia oszczędność kosztów w porównaniu z PES, PEEK i Kapton w zastosowaniach wymagających wysokiej temperatury (praca ciągła do 340 ° F). Ultem można sterylizować w autoklawie.
Polieteroeteroketon (PEEK)
Polieteroeteroketon (PEEK) jest znakiem towarowym firmy Victrex plc (Wielka Brytania), krystalicznego tworzywa termoplastycznego o wysokiej temperaturze, o doskonałej odporności na ciepło i chemikalia, a także doskonałej odporności na zużycie i zmęczenie dynamiczne. Jest zalecany do elementów elektrycznych, które wymagają wysokiej ciągłej temperatury pracy (480 ° F) oraz wyjątkowo niskiej emisji dymu i toksycznych oparów narażonych na działanie ognia.
PEEK spełnia wymagania Underwriters Laboratories (UL) 94 V-0, 0,080 cala. Produkt odznacza się wyjątkowo dużą odpornością na promieniowanie gamma, przewyższającą nawet polistyren. Jedynym powszechnym rozpuszczalnikiem, który może atakować PEEK, jest stężony kwas siarkowy. PEEK ma doskonałą odporność na hydrolizę i może działać w parze do 500 ° F.
Politetrafluoroetylen (PTFE)
TFE lub PTFE (politetrafluoroetylen), zwykle nazywany teflonem, jest jedną z trzech żywic fluorowęglowodorowych z grupy fluorowęglowodorów, która składa się w całości z fluoru i węgla. Inne żywice z tej grupy, znane również jako teflon, to perfluoroalkoksy fluorowęglowodór (PFA) i FEP.
Siły, które wiążą ze sobą fluor i węgiel, zapewniają jedno z najsilniejszych znanych wiązań chemicznych między blisko symetrycznie ułożonymi atomami. Wynikiem tej siły wiązania i konfiguracji łańcucha jest stosunkowo gęsty, chemicznie obojętny i stabilny termicznie polimer.
TFE jest odporny na ciepło i prawie wszystkie substancje chemiczne. Z wyjątkiem kilku obcych gatunków jest nierozpuszczalny w całej materii organicznej. Jego parametry elektryczne są bardzo dobre. Chociaż ma wysoką udarność, w porównaniu z innymi konstrukcyjnymi tworzywami termoplastycznymi, jego odporność na zużycie, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na pełzanie są niskie.
TFE ma najniższą stałą dielektryczną i najniższy współczynnik rozpraszania ze wszystkich materiałów stałych. Ze względu na swoje silne połączenie chemiczne TFE jest prawie nieatrakcyjny dla różnych cząsteczek. Daje to współczynnik tarcia tak niski, jak 0,05. Chociaż PTFE ma niski współczynnik tarcia, nie nadaje się do zastosowań ortopedycznych do przenoszenia obciążeń ze względu na jego niską odporność na pełzanie i niskie właściwości ścierne. Sir John Charnley odkrył ten problem w swojej pionierskiej pracy nad całkowitą wymianą stawu biodrowego w późnych latach pięćdziesiątych.
Polisulfon
Polisulfon został pierwotnie opracowany przez BP Amoco i jest obecnie produkowany przez Solvay pod nazwą handlową Udel, a polifenylosulfon jest sprzedawany pod nazwą handlową Radel.
Polisulfon jest wytrzymałym, sztywnym, przezroczystym (jasnobursztynowym) tworzywem termoplastycznym o wysokiej wytrzymałości, który może zachować swoje właściwości w szerokim zakresie temperatur od -150 ° F do 300 ° F. Zaprojektowany dla sprzętu zatwierdzonego przez FDA, przeszedł również wszystkie (biologiczne) testy USP Class VI. Spełnia standardy wody pitnej National Sanitation Foundation, do 180 ° F. Polisulfon ma bardzo wysoką stabilność wymiarową. Po wystawieniu na działanie wrzącej wody lub powietrza o temperaturze 300 ° F liniowa zmiana wymiarów wynosi zwykle jedną dziesiątą 1% lub mniej. Polisulfon ma wysoką odporność na kwasy nieorganiczne, zasady i roztwory soli; nawet w wysokich temperaturach przy umiarkowanym obciążeniu ma dobrą odporność na detergenty i oleje węglowodorowe. Polisulfon nie jest odporny na polarne rozpuszczalniki organiczne, takie jak ketony, węglowodory chlorowane i węglowodory aromatyczne.
Radel jest stosowany do tac na instrumenty, które wymagają wysokiej odporności na ciepło i udarności, a także do zastosowań w szpitalnych tacach autoklawów. Żywica konstrukcyjna polisulfonowa łączy w sobie wysoką wytrzymałość i długotrwałą odporność na wielokrotną sterylizację parą. Te polimery okazały się alternatywą dla stali nierdzewnej i szkła. Polisulfon klasy medycznej jest biologicznie obojętny, ma wyjątkową długą żywotność w procesie sterylizacji, może być przezroczysty lub nieprzezroczysty oraz jest odporny na większość powszechnie stosowanych szpitalnych chemikaliów.
