Швейцарская обработка костных винтов и анкеров

Достижение точных, сложных функций для ортопедических и стоматологических приложений

По сравнению со многими другими медицинскими изделиями костные винты имеют, казалось бы, простую конструкцию:цилиндр с резьбой с головкой на одном конце и наконечником на другом. Тем не менее, конструкция костных винтов (также называемых анкерами) может быть удивительно сложной.

Вот почему прецизионная обработка в швейцарском стиле с ЧПУ играет важную роль в реализации конструкций, которые придают костным винтам надлежащие характеристики и функциональность для их конечного использования.

Основная структура костных винтов

Как и обычный шуруп для дерева, с которым знакомо большинство людей, структура костного шурупа имеет определенные основные характеристики:

• Голова винта — это верхняя плоская поверхность, облегчающая введение винта.
• Совет — другой конец винта, противоположный головке.
• Длина стержня (или тела) винта измеряется от головки до кончика.
• Подача винта — это расстояние, которое проходит винт при каждом повороте на 360 º.
• Большой диаметр винта – это общая толщина винта от одной вершины резьбы до другой вершины на противоположной стороне.
• Малый диаметр толщина винта без учета резьбы. Это важно знать, потому что направляющее отверстие, в которое будет вставлен винт, должно быть того же размера, что и меньший диаметр.

Для чего используются костные винты

Основная функция костного винта - помочь восстановить переломы костей. Как правило, винт преобразует силу движения кости в сжатие, которое удерживает кость на месте и способствует более быстрому заживлению.

Использование костных винтов восходит к началу двадцатого века. Именно тогда хирург Уильям О’Нил Шерман впервые применил фиксацию переломов костей с помощью пластин и обычных винтов, которые он модифицировал для прикрепления к кости.

Сегодня костные винты используются в широком спектре ортопедических и ортодонтических применений. Ортопедические винты используются в основном для фиксации кости или помогают прикрепить мягкие ткани (например, сухожилия) к кости. В стоматологии костные винты обычно служат в качестве анкеров, поверх которых крепится что-то еще, например сменный зуб.

Как и ожидалось, современные костные винты более точны и специализированы, чем версия Дока Шермана. Неудивительно, что швейцарская обработка с ЧПУ — это метод, часто используемый для создания точных элементов, улучшающих метод фиксации винта или его способность прикрепляться к кости или другим тканям.

Разные кости, разные винты

В исследовании, сравнивающем прочность четырех коммерчески доступных костных винтов с разным шагом, удерживающая способность винтов коррелировала с плотностью кости, конструкцией резьбы и количеством резьб, зацепляющих кость. Поскольку разные типы костей имеют разную плотность, имеет смысл предположить, что тип кости влияет на конструкцию винтов.

Кортикальная (или компактная) кость составляют твердый, плотный внешний слой костей, которые обеспечивают человеческому телу опорную структуру и помогают защитить внутренние органы. Эти гладкие, белые, твердые на вид кости составляют около 80 % массы тела взрослого человека.

губчатая кость (также известная как губчатая кость) образует внутреннюю сеть тканей костей человека и обычно находится на кончиках других костей, вблизи суставов и внутри позвонков. Губчатая кость менее плотная, несколько мягче и более гибкая, чем кортикальная кость.

Соответственно, швейцарская обработка с ЧПУ может использоваться для изготовления винтов с различной резьбой, шагом и другими характеристиками в зависимости от типа кости, в которой они будут использоваться:

• Кортикальные винты — также называемые кортикальными винтами — предназначены для плотного удержания и обеспечения максимальной стабильности при введении в кортикальный слой кости. Эти прочные винты имеют небольшой шаг, с близко расположенными мелкими витками резьбы по всей длине и обычно имеют тупой конец. Кортикальные винты обычно бывают длиной от 0,059 дюйма (1,5 мм) до 0,177 дюйма (4,5 мм).

• Спонжевые винты , которые предназначены для фиксации губчатой ​​кости, длиннее и имеют больший шаг, чем кортикальные винты. Губчатые винтовые нарезы более глубоко нарезаны и широко расставлены, а стержень может иметь полную или частичную резьбу. Винты обычно имеют длину от 0,138 дюйма (3,5 мм) до 0,256 дюйма (6,5 мм).

Другие особенности конструкции костных винтов

Помимо различных вариантов резьбы и шага, костные винты могут иметь отверстия, ступени, прорези и другие элементы, полученные благодаря точным возможностям механической обработки CNC Swiss. Например, различные типы головок костных винтов могут быть созданы для удовлетворения конкретных потребностей:

• Винты для крепления зубов могут иметь коническую головку, на которую можно напрессовать сменный зуб.
• Головка винта с резьбой может использоваться для фиксации костного винта и его приспособления (например, пластины) на месте для большей стабильности.
• Шестигранная головка винта обычно используется, чтобы можно было использовать отвертку для вставки.

Швейцарские костные винты также могут иметь различные конструкции наконечников, которые поддерживают различные техники введения винтов:

• Ненарезающие винты иметь гладкий круглый наконечник, который вставляется путем проделывания направляющего отверстия и нарезания резьбы внутри отверстия.
• Саморезы иметь режущие канавки, чтобы винт нарезал собственную резьбу после того, как он вставлен в направляющее отверстие. Например, поскольку губчатая кость намного менее плотная, чем кортикальная кость, губчатый винт является самонарезающим, то есть он прорезает себе путь в кости при введении винта.
• Саморезы можно вставлять как есть, без направляющего отверстия или другой подготовки. Винт создает собственное направляющее отверстие и также является самонарезающим.

Преимущества уникальной конструкции шнека

Компании-производители медицинского оборудования также могут придумывать собственные варианты дизайна костных винтов, чтобы создать что-то уникальное, что отличает их от других и обеспечивает конкурентное преимущество.

Помимо того, что это преимущество для производителя анкеров, запатентованная запатентованная конструкция создает возможности — и проблемы — для обработки на станках с ЧПУ в швейцарском стиле, что может быть очень сложной конструкцией. Например, более сложные формы являются прекрасным примером того, как метод сегментации в швейцарской обработке позволяет более сложному механическому цеху удовлетворять сложные потребности клиентов в дизайне.

Другой руководящий принцип — проектирование медицинских устройств с цельной конструкцией — часто может сделать деталь более сложной с точки зрения обработки. Решая эту задачу, швейцарская обработка может помочь производителям создавать однокомпонентные конструкции, которые сводят к минимуму риск поломки устройства или возникновения неполадок из-за выхода из строя одной из нескольких частей.

Кроме того, различные модификации поверхности (см. ниже) могут быть добавлены к костным винтам после обработки, чтобы оказать положительное влияние на рост кости и адгезию, что еще больше отличает конкретную конструкцию анкера от вариантов других производителей

Конкретные материалы для костных винтов

Костные винты и анкеры для ортопедии и стоматологии изготавливаются из металлических сплавов уже более века. Это означает, что ушло много времени на то, чтобы узнать, какие материалы обеспечивают правильное сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости.

Современные производители обычно выбирают материалы для имплантатов, соответствующие спецификациям Американского общества испытаний и материалов (ASTM) или ISO. Соответственно, для изготовления костных винтов с правильными характеристиками и функциональностью требуется способность Swiss обрабатывать широкий спектр различных материалов, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики.

В то время как нержавеющая сталь популярна в медицинских устройствах и может использоваться для костных винтов, в последние несколько десятилетий наблюдается рост использования титана и множества специальных металлов, выбранных из-за их уникальных характеристик и преимуществ.

Например, титан — который доступен в чистом и легированном вариантах — часто используется, когда целью является легкий вес и высокая прочность или когда устройство должно стыковаться с другим титановым компонентом или соединяться с ним. Титановые винты часто используются при лечении переломов нижней челюсти.

Титановый сплав Ti-6Al-4V ELI (титан-6алюминий-4ванадий со сверхнизкими междоузлиями) легкий, устойчивый к коррозии, прочный и биосовместимый. Строгий контроль во время процесса плавления приводит к получению материала с повышенной пластичностью и прочностью, что делает титан ELI популярным и долговечным выбором для костных винтов и других медицинских устройств.

Нитинол (NiTi) иногда выбирают из-за его способности выдерживать большие нагрузки без деформации. Это означает, что его можно использовать в тех случаях, когда костный винт или другое устройство необходимо немного растянуть и изменить без постоянной фиксации.

Другие высокопрочные и биосовместимые материалы, которые часто взаимозаменяемо используются при швейцарской обработке костных винтов и анкеров, включают:

• MP35N ^® и аналогичный 35N LT ^® (с низким содержанием титана), который представляет собой расплав MP35N с удаленным следовым количеством титана, что повышает усталостную долговечность
• L605
• 316LVM
• Элгилой ^® , Конихром ^® , и другие сплавы, указанные в ASTM F1058 и ISO 5832-7

Обработка поверхности для содействия остеоинтеграции

Отделка поверхности является очень важной темой здесь, в Metal Cutting. Для костных винтов и швейцарской обработки обработка поверхности является уникальной темой.

В то время как некоторые костные винты являются временными и, таким образом, в конечном итоге удаляются, большинство из них вставляются навсегда. Оказывается, обработка поверхности винта во многом способствует росту кости, так что винт прочно закрепится, а кость срастется вокруг него.

В то время как ученые продолжают работать над созданием специальных покрытий, которые можно наносить для ускорения остеоинтеграции (прочитайте об одном примере), производители винтов обнаружили, что более грубая отделка и другие типы поверхностей могут способствовать росту кости.

Изобретение прямого лазерного спекания (также известного как 3D-печать металлом) позволяет достичь ранее недостижимого уровня пористости, выйдя за рамки простой шероховатой поверхности и способствуя остеоинтеграции. Вот почему 3D-производство вполне может стать будущим костных винтов и многих других медицинских устройств.

Однако большинство материалов, используемых для изготовления ортопедических костных винтов и зубных анкеров, не поддаются термообработке. Вместо этого они набирают силу в результате холодной обработки, чего нельзя сделать с помощью 3D-печати металлом.

Это означает, что вы по-прежнему Перед лазерным спеканием необходимо использовать стержень или проволоку, обработанную швейцарским способом!

Swiss Machining или 3D-лазерная печать для костных винтов?

В то время как 3D-принтеры по металлу говорят, что они могут делать все, холодная обработка является одной из проблем, которые им необходимо преодолеть, прежде чем все приложения для костных винтов могут быть напечатаны в 3D. До тех пор обработка в швейцарском стиле имеет то преимущество, что она начинается с материала холодной обработки в качестве пруткового материала.

Магия 3D-печати заключается в том, что в качестве аддитивного процесса она может создавать пустоты — то, что ради легкости и пористости является преимуществом, с которым швейцарская обработка не может сравниться. Однако для резьбы, отверстий, ступеней и других элементов, которые могут иметь решающее значение для функции винта, аддитивные и вычитательные процессы дают одинаковый конечный результат по размерам.

Чтобы узнать больше об атрибутах и ​​преимуществах токарной обработки с ЧПУ в швейцарском стиле для вашей медицинских устройств или других приложений, загрузите наше бесплатное руководство Часто задаваемые вопросы о Swiss Machine .