Swiss-CNC bewerking: Precisieproductie van botschroeven & ankers voor orthopedie & tandheelkunde

Precieze, complexe functies bereiken voor orthopedische en tandheelkundige toepassingen

Vergeleken met veel andere medische apparaten, hebben botschroeven een schijnbaar simpele structuur: een geverwde cylinder met een kop aan de ene kant en een punt aan de andere. Toch kan er een verrassende hoeveelheid complexiteit zitten in het ontwerp van botschroeven (ook wel ankers genoemd).

Daarom speelt precisie CNC Zweedse-stijl bewerking een belangrijke rol in het realiseren van de ontwerpen die botschroeven de juiste functies en functionaliteit voor hun eindgebruik geven.

Basisstructuur van botschroeven

Net als de gewone houtschroef die de meeste mensen kennen, heeft de structuur van een botschroef bepaalde basiskenmerken:

• De kop van de schroef is het bovenste, afgeplatte oppervlak dat helpt bij de invoeging van de schroef.
• De punt is het andere uiteinde van de schroef, tegenover de kop.
• De lengte van de schacht (of lichaam) van een schroef wordt gemeten van de kop tot de punt.
• De steek van een schroef is de afstand die de schroef aflegt bij elke 360º-draai.
• De buitendiameter van een schroef is de totale dikte van de schroef van de ene piek van de draad tot de andere piek aan de overkant.
• De binnendiameter is de dikte van een schroef exclusief de draad. Dit is belangrijk om te weten omdat het boorgat waarin een schroef wordt ingevoegd dezelfde grootte moet hebben als de binnendiameter.

Waarom botschroeven worden gebruikt

De hoofdfunctie van een botschroef is om botbreuken te helpen herstellen. Typisch converteert de schroef de kracht van botbeweging in compressie die het bot op zijn plek houdt zodat het sneller kan genezen.

Het gebruik van botschroeven dateert uit de vroege twintigste eeuw. Dat was toen chirurg William O'Neill Sherman de fixatie van botbreuken met platen en conventionele schroeven die hij aanpas om aan bot te hechten, pionierte.

Vandaag worden botschroeven gebruikt in een breed scala aan orthopedische en orthodontische toepassingen. Orthopedische schroeven worden meestal gebruikt voor fixatie van bot of om zacht weefsel (zoals pezen) aan bot te hechten. In de tandheelkunde dienen botschroeven over het algemeen als ankers waarover iets anders — zoals een vervangende tand — wordt bevestigd.

Zoals verwacht, zijn moderne botschroeven preciezer en gespecialiseerder dan die van Dokter Sherman. Onverwachts is CNC Zweedse bewerking de methode die vaak gebruikt wordt om precieze functies te produceren die de fixatiemethode van de schroef of de capaciteit om aan bot of ander weefsel te hechten, verbeteren.

Verschillende botten, verschillende schroeven

In een studie die de sterkte van vier commercieel beschikbare botschroeven met verschillende steken vergelijk, correleerde de houdkracht van de schroeven met de dichtheid van het bot, het ontwerp van de draden, en het aantal draden dat het bot engageerde. Aangezien verschillende typen botten verschillende dichtheden hebben, is het logisch dat bottype een impact heeft op schroefontwerp.

Corticale (of compacte) bot vormt de harde, dichte buitenlaag van botten die het menselijke lichaam een ondersteunende structuur geven en helpen de interne organen te beschermen. Deze gladde, witte, massief ogende botten vormen ongeveer 80% van de lichamelijk massa van een volwassene.

Cancelleus bot (ook wel spongieuze bot genoemd) vormt het interne weefselnetwerk van menselijke botten en wordt over het algemeen gevonden aan de punt van andere botten, in de buurt van gewrichten, en binnenin wervels. Cancelleus bot is minder dicht, iets zachter, en flexibeler dan corticale bot.

Dienovereenkomstig kan CNC Zweedse bewerking gebruikt worden om schroeven te maken die variëren in draad, steek, en andere functies gebaseerd op het type bot waarin ze gebruikt zullen worden:

• Corticale schroeven — ook wel cortexschroeven genoemd — zijn ontworpen om stevig te houden en maximale stabiliteit te bieden wanneer ze in corticale bot worden ingevoegd. Deze sterke schroeven hebben een kleine steek, met dichtbij elkaar gelegen, ondiepe draden over de hele lengte, en hebben meestal een stomme punt. Corticale schroeven komen typisch in lengtes van 0,059" (1,5 mm) tot 0,177" (4,5 mm).

• Cancelleus schroeven, die ontworpen zijn voor fixatie van cancelleus bot, zijn langer en hebben een grotere steek dan corticale schroeven. Cancelleus schroefdraden zijn dieper gesneden en wijd gespacieerd, en de schacht kan volledig geverwd of slechts gedeeltelijk geverwd zijn. De schroeven komen over het algemeen in lengtes van 0,138" (3,5 mm) tot 0,256" (6,5 mm).

Overige variabelen in het ontwerp van botschroeven

Naast variaties in draad en steek, kunnen botschroeven gaten, trappen, sleuven, en andere functies hebben geproduceerd dankzij de precisiecapaciteiten van CNC Zweedse bewerking. Bijvoorbeeld, verschillende typen botschroefkoppen kunnen gecreëerd worden om specifieke behoeften te vervullen:

• Schroeven voor het verankeren van tanden kunnen een getapte kop hebben waarop een vervangende tand kan worden geperst.
• Een geverwde schroefkop kan gebruikt worden om de botschroef en haar bevestiging (zoals een plaat) op zijn plek te vergrendelen, voor grotere stabiliteit.
• Een zeshoekige schroefkop wordt veelvuldig gebruikt om het gebruik van een schroevendraaier voor invoeging toe te staan.

Zweeds gefreesde botschroeven kunnen ook profiteren van verschillende puntontwerpen die verschillende schroefinvoegingstechnieken ondersteunen:

• Niet-zelfsnijnde schroeven hebben een gladde, ronde punt die wordt ingevoegd door een boorgat te maken en draden in het gat te snijden.
• Zelfsnijnde schroeven hebben snijfluiten zodat de schroef zijn eigen draden snijdt zodra het in een boorgat wordt ingevoegd. Bijvoorbeeld, aangezien cancelleus bot veel minder dicht is dan corticale bot, is een cancelleus schroef zelfsnijgend — dat wil zeggen, het snijdt zijn pad in het bot terwijl de schroef wordt ingevoegd.
• Zelfboorende schroeven kunnen zoals ze zijn worden ingevoegd, zonder boorgat of andere voorbereiding. De schroef creëert zijn eigen boorgat en is ook zelfsnijgend.

Unieke schroefontwerpvoordelen

Medische apparaatbedrijven kunnen ook hun eigen botschroefontwerpvariaties bedenken om iets unieks te creëren dat ze onderscheidt en een competitief voordeel biedt.

Naast een voordeel voor de ankersfabrikant, creëert een octrooibaar, proprietair ontwerp kansen — en uitdagingen — voor CNC Zweedse-stijl bewerking om wat een heel complex ontwerp kan zijn te maken. Bijvoorbeeld, meer ingewikkelde vormen zijn een perfect voorbeeld van waar de techniek van segmentatie in Zweedse bewerking de meer gespecialiseerde machineshop in staat stelt om aan de complexe ontwerpbehoeftes van de klant te voldoen.

Een ander leidend principe — het ontwerpen van medische apparaten met eenstukconstructie — kan een onderdeel vaak complexer maken vanuit een bewerkingsstandpunt. De uitdaging aanvaardend, kan Zweedse bewerking fabrikanten helpen eendelige ontwerpen te bereiken die het risico minimaliseren dat een apparaat uiteenvalt of er iets misgaat door het falen van een van de meerdere onderdelen.

Daarnaast kunnen verschillende oppervlaktebehandelingen (zie hieronder) na bewerking aan botschroeven worden toegevoegd om een positieve impact te hebben op botgroei en heching, wat een specifiek ankerontwerp verder onderscheidt van andere fabricantenopties.

Specifieke materiaaloverwegingen voor botschroeven

Botschroeven en ankers voor orthopedisch en tandheelkundig gebruik zijn al meer dan een eeuw gemaakt van metalen legeringen. Dat betekent dat er veel tijd is geweest om te leren welke materialen de juiste mix van hoge sterkte, corrosieweerstand, en biocompatibiliteit leveren.

Vandaag de dag kiezen fabrikanten over het algemeen implanteerbare materialen die voldoen aan American Society for Testing and Materials (ASTM) of ISO-specificaties. Dienovereenkomstig vereist het maken van botschroeven met de juiste functies en functionaliteit de mogelijkheid om een breed scala aan verschillende materialen te Zweeds te frezen, waarbij elk materiaal zijn eigen unieke kenmerken heeft.

Terwijl roestvrij staal populair is in medische apparaten en gebruikt kan worden voor botschroeven, hebben de laatste decennia een stijging gezien in het gebruik van titanium en een reeks specialiteitsmetalen gekozen voor hun unieke kenmerken en voordelen.

Bijvoorbeeld, titanium — beschikbaar in zuivere en gelegeerde versies — wordt vaak gebruikt wanneer het doel lichtgewicht en hoge sterkte is of wanneer een apparaat moet meten of verbinden met een ander titanium-component. Titaniumschroeven worden vaak gebruikt bij het behandelen van mandibulaire fracturen.

De titaniumlegering Ti-6Al-4V ELI (titanium-6aluminium-4vanadium extra lage interstitiëlen) is lichtgewicht, corrosieweerstand, sterk, en biocompatibel. Strikte controles tijdens het smeltproces resulteren in een materiaal met toegevoegde duktiliteit en sterkte, wat titanium ELI een populaire en duurzame keuze maakt voor botschroeven en andere medische apparaten.

Nitinol (NiTi) wordt soms gekozen voor zijn vermogen om een hoge hoeveelheid spanning te weerstaan zonder te vervormen. Dat betekent dat het gebruikt kan worden voor toepassingen waar de botschroef of ander apparaat moet rekken en lichtelijk veranderen zonder een permanente set te nemen.

Andere hoge sterkte en biocompatibele materialen die vaak onderling verwisselbaar worden gebruikt in de Zweedse bewerking van botschroeven en ankers omvatten:

• MP35N® en de vergelijkbare 35N LT® (laag titanium), wat een smelt is van MP35N met de sporaanwezige hoeveelheid titanium verwijderd, wat het een betere vermoeidingslevensduur geeft
• L605
• 316LVM
• Elgiloy®, Conichrome®, en andere legeringen gespecificeerd door ASTM F1058 en ISO 5832-7

Oppervlaktebehandeling om osseointegratie te bevorderen

Oppervlakteafwerking is een heel belangrijk onderwerp hier bij Metal Cutting. Voor botschroeven en Zweedse bewerking is oppervlaktebehandeling een uniek onderwerp.

Terwijl sommige botschroeven tijdelijk zijn en dus uiteindelijk verwijderd worden, worden de meeste op hun plek gezet om te blijven. Het blijkt dat de oppervlakteafwerking van een schroef veel te maken heeft met het bevorderen van botgroei, zodat de schroef stevig ingebed raakt en het bot eromheen groeit.

Terwijl wetenschappers doorgaan met het ontwikkelen van speciale coatings die kunnen worden toegepast om osseointegratie te bevorderen (lees over een voorbeeld), hebben schroeffabrikanten ontdekt dat roughere afwerkingen en andere typen oppervlakken kunnen helpen botgroei te bevorderen.

De uitvinding van direct laser sinteren (anderzijds bekend als 3D-metalprinten) stelt onvoorheen onbereikbare porousiteitsniveaus in, wat verder gaat dan alleen een ruwe oppervlakteafwerking en osseointegratie bevordert. Daarom kan 3D-fabricage heel goed de toekomst zijn van botschroeven en veel andere medische toepassingen.

Echter, de meeste materialen die gebruikt worden om orthopedische botschroeven en tandheelkundige ankers te maken, zijn niet warmtebehandelbaar. In plaats daarvan verkrijgen ze hun sterkte door koudvervorming, wat u niet kunt doen met 3D-metalprinten.

Dat betekent dat u nog steeds moet beginnen met een Zweeds gefreesde staaf of draad voordat u laser sinteren toepast!

Zweedse bewerking vs. 3D-laserdrukken voor botschroeven?

Terwijl 3D-metalprinters zullen zeggen dat ze alles kunnen, is de koudvervorming een van de uitdagingen die ze moeten overwinnen voordat alle toepassingen voor botschroeven 3D-geprint kunnen worden. Tot die tijd heeft Zweedse-stijl bewerking het voordeel van te beginnen met koudvervormd materiaal als staafmateriaal.

De magie van 3D-printen is dat, als een additief proces, het gaten kan produceren — wat, ten behoeve van lichtgewicht en porositeit, een voordeel is dat Zweedse bewerking niet kan evenaren. Echter, voor draden, gaten, trappen, en andere functies die cruciaal kunnen zijn voor de functie van een schroef, leveren zowel additieve als subtractieve processen hetzelfde dimensionale eindresultaat op.

Om meer te leren over de attributen en voordelen van CNC Zweedse-stijl draaien voor uw medische apparaten of andere toepassingen, download onze gratis gids Swiss Machine FAQs.