Швейцарская токарная обработка с ЧПУ: точечное производство костных винтов и анкеров для ортопедии и стоматологии

Достижение точных сложных особенностей для ортопедических и стоматологических применений

По сравнению со многими медприборами, костные винты (bone screws) имеют кажущуюся простую структуру: резьбовый цилиндр с головкой на одном конце и кончиком на другом. Однако дизайн костных винтов (также называемых анкерами) может удивительно сложен.

Именно поэтому точная швейцарская токарная обработка с ЧПУ играет ключевую роль в реализации дизайнов, наделяющих винты нужными функциями для конечного применения.

Базовая структура костных винтов

Как обычный деревянный винт, знакомый большинству, структура костного винта имеет базовые характеристики:

• Головка (head) — верхняя плоская поверхность, облегчающая ввинчивание;
• Кончик (tip) — противоположный конец;
• Длина (length) штока (тела) — измеряется от головки до кончика;
• Шаг (pitch) — расстояние, которое винт проходит за оборот на 360°;
• Большой диаметр (major diameter) — общая толщина винта от вершины резьбы на одной стороне к вершине на противоположной;
• Малый диаметр (minor diameter) — толщина без резьбы. Важно: пилотное отверстие для винта должно соответствовать малому диаметру.

Зачем используются костные винты

Главная функция — помощь в сращении переломов. Винт преобразует силу движения кости в компрессию, удерживающую кость на месте для быстрого заживления.

История костных винтов начинается с начала XX века. Хирург Уильям О'Нил Шерман pioneered фиксацию переломов пластинами и обычными винтами, модифицированными для кости.

Сегодня костные винты применяются широко в ортопедии и ортодонтии. Ортопедические винты — для фиксации костей или прикрепления мягких тканей (сухожилий) к кости. В стоматологии — как анкеры, над которыми крепится заменяющий зуб.

Современные винты точнее и специализируются. Неудивительно, что швейцарская токарная обработка с ЧПУ — основной метод для точных функциональных элементов, улучшающих фиксацию или адгезию к кости/тканям.

Разные кости — разные винты

В исследовании сравнивали прочность четырех коммерческих костных винтов с разным шагом: удерживающая сила коррелировала с плотностью кости, дизайном резьбы и числом зацепленных витков. Разные типы костей имеют разную плотность — тип кости влияет на дизайн винта.

Кортикальная (компактная) кость — твердая плотная внешняя оболочка, дающая опору и защиту органов. ~80% массы тела взрослого.

Спонгиозная (cancellous) кость (спонгозная) — внутренняя тканевая сеть, у кончиков костей, у суставов, внутри позвонков. Менее плотная, мягче, гибче кортикальной.

Следовательно, швейцарская токарная обработка позволяет делать винты с вариациями резьбы, шага и других параметров под тип кости:

• Кортикальные винты (cortical screws) — кортекс-вины — для крепкого удержания и макс. стабильности в кортикальной кости. Малый шаг, близко расположенные мелкие резьбы на всей длине, обычно тупой кончик. Длины 1,5–4,5 мм.
• Спонгиозные винты (cancellous screws) — для фиксации спонгиозной кости. Длиннее, крупнее шаг, резьба глубже и реже, шток может быть полностью или частично резьбован. Длины 3,5–6,5 мм.

Другие переменные в дизайне костных винтов

Помимо резьбы и шага, винты могут иметь отверстия, ступеньки, пазы и др., благодаря точности швейцарской токарной обработки. Разные типы головок под специфические нужды:

• Винты для закрепления зубов могут иметь коническую головку для прессования заменяющего зуба.
• Резьбовая головка для блокировки винта и его крепления (пластины) для большей стабильности.
• Шестигранная головка — стандарт для использования отвертки при ввинчивании.

Швейцарские токарные винты также используют разные дизайны кончиков для разных техник ввинчивания:

• Ненарезающие (non-tapping) — гладкий круглый кончик, ввинчивается через пилотное отверстие с нарезкой резьбы внутрь.
• Самонарезающие (self-tapping) — имеют режущие канавки, нарезают резьбу сами при ввинчивании в пилотное отверстие. Спонгиозные винты — самонарезающие, так как кость менее плотная.
• Самонавертающие (self-drilling) — ввинчиваются без пилотного отверстия или подготовки. Создают пилотное отверстие и нарезают резьбу самостоятельно.

Уникальные дизайнерские преимущества

Медицинские компании могут разрабатывать проприетарные вариации винтов для конкурентных преимуществ. Патетоспособный дизайн создает возможности и вызовы для швейцарской токарной обработки сложных форм. Например, сложные формы — идеальный кейс для сегментации в швейцарской обработке, позволяющей продвинутым цехам удовлетворять сложные запросы.

Принцип односборных устройств (one-piece construction) часто усложняет деталь с точки зрения обработки. Швейцарская токарная обработка позволяет достигать односборных дизайнов, минимизируя риск отказа из-за поломки одной из множественных частей.

Разные поверхностные модификации (см. ниже) можно добавить пост-обработке для стимуляции роста кости и адгезии, дополнительно выделяя дизайн среди конкурентов.

Специфические материаловые соображения для костных винтов

Костные винты и анкеры для ортопедии и стоматологии делаются из металлических сплавов более века. Накоплен опыт: какие материалы дают правильный микс высокой прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости.

Сегодня производители выбирают имплантационные материалы по ASTM или ISO. Швейцарская токарная обработка должна работать с широким спектром материалов, каждый с уникальными характеристиками.

Нержавейка популярна, но последние десятилетия — рост титана и спецметаллов за уникальные преимущества.

• Титан (чистый и сплавы) — для легкого веса и высокой прочности или когда устройство должно стыковаться с титановым компонентом. Часто при переломах нижней челюсти.
• Ti-6Al-4V ELI (титан-6алюминий-4ванадий extra low interstitials) — легкий, коррозионностойкий, прочный, биосовместимый. Жесткий контроль плавления дает добавленную дуктилность и прочность — популярный долговечный выбор.
• Нитинол (NiTi) — для способности выдерживать высокие напряжения без деформации. Применяется, где винт/устройство должно растягиваться и слегка меняться без остаточной деформации.
• Другие высокопрочные биосовместимые материалы, часто взаимозаменяемые: MP35N®, 35N LT® (low titanium — плавиленый MP35N без микропримеси титана, лучше усталостная жизнь), L605, 316LVM, Elgiloy®, Conichrome® и другие сплавы по ASTM F1058 и ISO 5832-7.

Поверхностная обработка для продвижения оссеоинтеграции

Поверхностная чистота — важная тема у Metal Cutting. Для костных винтов и швейцарской токарной обработки поверхностная обработка — уникальная тема.

Некоторые винты временные и удаляются, но большинство остаются навсегда. Оказывается, шероховатость поверхности विनта сильно влияет на рост кости, чтобы винт прочно вживился и кость выросла вокруг него.

Ученые работают над спецпокрытиями для оссеоинтеграции (прочитайте пример), но производители нашли: более шероховатые финиши и другие типы поверхностей стимулируют рост кости.

Изобретение прямой лазерной спекания (3D металлопечать) позволяет достичь ранее недоступной пористости, выходя за рамки шероховатости и продвигая оссеоинтеграцию. 3D-производство может стать будущим костных винтов и многих медприборов.

Однако большинство материалов для ортопедических винтов и стоматологических анкеров не термообрабатываемы. Они получают прочность от холодной деформации (cold working), чего нельзя сделать в 3D металлопечати.

Значит, все равно нужно начинать со швейцарски обработанного прутка или проволоки перед лазерной спекцией!

Швейцарская токарная обработка vs 3D лазерная печать для костных винтов?

Пока 3D-принтеры утверждают, что могут всё, холодная деформация — среди вызовов, которые нужно преодолеть, прежде чем все применения для костных винтов смогут быть 3D-напечатаны. Пока швейцарская токарная обработка имеет преимущество: старт с холоднодеформированного базового материала.

Магия 3D-печати — как аддитивный процесс — в создании пустот (voids), что для легкости и пористости — преимущество, недоступное швейцарской обработке. Но для резьбы, отверстий, ступенек и других функционально критичных элементов аддитивные и субтрактивные процессы дают одинаковый размерный результат.

Чтобы узнать об атрибутах и преимуществах швейцарской токарной обработки с ЧПУ для ваших медприборов или других применений, скачайте бесплатное руководство Swiss Machine FAQs.