Zwitserse bewerking van botschroeven en ankers

Nauwkeurige, complexe functies bereiken voor orthopedische en tandheelkundige toepassingen

In vergelijking met veel andere medische hulpmiddelen hebben botschroeven een ogenschijnlijk eenvoudige structuur:een cilinder met schroefdraad met aan het ene uiteinde een kop en aan het andere uiteinde een punt. Toch kan er verrassend veel complexiteit zijn in het ontwerp van botschroeven (ook wel ankers genoemd).

Dat is de reden waarom precisie CNC-bewerking in Zwitserse stijl een belangrijke rol speelt bij het realiseren van de ontwerpen die botschroeven de juiste eigenschappen en functionaliteit geven voor hun eindgebruik.

Basisstructuur van botschroeven

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

• Het hoofd van de schroef is het bovenste, afgeplatte oppervlak dat helpt bij het inbrengen van de schroef.
• De tip is het andere uiteinde van de schroef, tegenover de kop.
• De lengte van de schacht (of het lichaam) van een schroef wordt gemeten van de kop tot de punt.
• De pitch van een schroef is de afstand die de schroef aflegt bij elke draai van 360º.
• De grote diameter van een schroef is de totale dikte van de schroef van de ene piek van de draad naar de andere piek aan de andere kant.
• De kleine diameter is de dikte van een schroef zonder de schroefdraad. Dit is belangrijk om te weten, omdat het geleidegat waarin een schroef wordt gestoken dezelfde grootte moet hebben als de kleine diameter.

Waarom botschroeven worden gebruikt

De belangrijkste functie van een botschroef is het helpen herstellen van botbreuken. Doorgaans zet de schroef de kracht van botbeweging om in compressie die het bot op zijn plaats houdt, zodat het sneller kan genezen.

Het gebruik van botschroeven dateert uit het begin van de twintigste eeuw. Dat was toen chirurg William O'Neill Sherman pionierde met de fixatie van botbreuken met behulp van platen en conventionele schroeven die hij aanpaste om aan bot te bevestigen.

Tegenwoordig worden botschroeven gebruikt in een breed scala van orthopedische en orthodontische toepassingen. Orthopedische schroeven worden meestal gebruikt voor het fixeren van bot of helpen bij het hechten van zacht weefsel (zoals pezen) aan bot. In de tandheelkunde dienen botschroeven over het algemeen als ankers waarop iets anders, zoals een vervangende tand, wordt bevestigd.

Zoals verwacht zijn moderne botschroeven nauwkeuriger en gespecialiseerder dan de versie van Doc Sherman. Het is niet verwonderlijk dat CNC Swiss-bewerking de methode is die vaak wordt gebruikt om precieze kenmerken te produceren die de fixatiemethode van de schroef of het vermogen om aan bot of ander weefsel te hechten, verbeteren.

Verschillende botten, verschillende schroeven

In een onderzoek waarin de sterkte van vier in de handel verkrijgbare botschroeven met verschillende spoed werd vergeleken, correleerde de houdkracht van de schroeven met de dichtheid van het bot, het ontwerp van de schroefdraden en het aantal schroefdraden dat het bot aangrijpt. Aangezien verschillende soorten botten verschillende dichtheden hebben, is het logisch dat dat bottype invloed heeft op het schroefontwerp.

Corticaal (of compact) bot vormt de harde, dichte buitenste laag botten die het menselijk lichaam een ​​ondersteunende structuur geven en de interne organen helpen beschermen. Deze gladde, witte, solide uitziende botten vormen ongeveer 80% van de lichaamsmassa van een volwassene.

Cancellus bot (ook bekend als sponsachtig bot) vormt het interne weefselnetwerk van menselijke botten en wordt over het algemeen gevonden op de punt van andere botten, in de buurt van gewrichten en in de wervels. Poreus bot is minder dicht, iets zachter en flexibeler dan corticaal bot.

Dienovereenkomstig kan CNC Swiss-bewerking worden gebruikt om schroeven te maken die variëren in schroefdraad, spoed en andere kenmerken op basis van het type bot waarin ze zullen worden gebruikt:

• Corticale schroeven - ook wel cortexschroeven genoemd - zijn ontworpen om stevig vast te houden en maximale stabiliteit te bieden wanneer ze in corticaal bot worden ingebracht. Deze sterke schroeven hebben een kleine spoed, met dicht bij elkaar liggende, ondiepe schroefdraden over de gehele lengte, en hebben meestal een stomp uiteinde. Corticale schroeven zijn meestal verkrijgbaar in lengtes van 0,059” (1,5 mm) tot 0,177” (4,5 mm).

• Cancellous schroeven , die zijn ontworpen voor fixatie van poreus bot, zijn langer en hebben een grotere spoed dan corticale schroeven. De poreuze schroefdraad is dieper gesneden en verder uit elkaar geplaatst, en de schacht kan volledig of slechts gedeeltelijk worden geschroefd. De schroeven zijn over het algemeen verkrijgbaar in lengtes van 0,138” (3,5 mm) tot 0,256” (6,5 mm).

Andere variabelen in het ontwerp van botschroeven

Naast variaties in schroefdraad en spoed, kunnen botschroeven gaten, trappen, sleuven en andere kenmerken hebben die worden geproduceerd dankzij de precisiemogelijkheden van CNC-Zwitserse bewerking. Er kunnen bijvoorbeeld verschillende soorten botschroefkoppen worden gemaakt om aan specifieke behoeften te voldoen:

• Schroeven voor het verankeren van tanden kunnen een taps toelopende kop hebben waarop een vervangende tand kan worden gedrukt.
• Een schroefkop met schroefdraad kan worden gebruikt om de botschroef en de bevestiging (zoals een plaat) op zijn plaats te vergrendelen, voor meer stabiliteit.
• Een zeshoekige schroefkop wordt vaak gebruikt om het gebruik van een schroevendraaier voor het inbrengen mogelijk te maken.

Zwitsers bewerkte botschroeven kunnen ook profiteren van verschillende tipontwerpen die verschillende technieken voor het inbrengen van schroeven ondersteunen:

• Niet-tappende schroeven hebben een gladde, ronde punt die wordt ingebracht door een geleidegat te maken en schroefdraad in het gat te tikken.
• Zelftappende schroeven hebben snijgroeven zodat de schroef zijn eigen schroefdraad tapt zodra deze in een geleidegat is gestoken. Omdat poreus bot bijvoorbeeld veel minder dicht is dan corticaal bot, is een spongieuze schroef zelftappend - dat wil zeggen, hij snijdt zijn pad in het bot wanneer de schroef wordt ingebracht.
• Zelfborende schroeven kan worden ingevoegd zoals het is, zonder geleidegat of andere voorbereiding. De schroef creëert zijn eigen geleidegat en is ook zelftappend.

Unieke voordelen van schroefontwerp

Bedrijven in medische hulpmiddelen kunnen ook hun eigen ontwerpvariaties voor botschroeven bedenken om iets unieks te creëren dat hen onderscheidt en een concurrentievoordeel oplevert.

Behalve dat het een voordeel is voor de ankerfabrikant, creëert een gepatenteerd, gepatenteerd ontwerp kansen - en uitdagingen - voor CNC-bewerking in Zwitserse stijl om een ​​mogelijk zeer complex ontwerp te maken. Meer gecompliceerde vormen zijn bijvoorbeeld een perfect voorbeeld van waar de techniek van segmentatie bij Zwitserse bewerkingen de meer geavanceerde machinewerkplaats in staat stelt te voldoen aan de complexe ontwerpbehoeften van de klant.

Een ander leidend principe - het ontwerpen van medische apparaten met een constructie uit één stuk - kan een onderdeel vaak complexer maken vanuit het oogpunt van bewerking. Om deze uitdaging aan te gaan, kan Zwitserse verspaning fabrikanten helpen om ontwerpen met één component te realiseren die het risico minimaliseren dat een apparaat uit elkaar valt of dat er iets misgaat als gevolg van het falen van een van meerdere onderdelen.

Daarnaast kunnen verschillende oppervlaktemodificaties (zie hieronder) worden toegevoegd aan botschroeven, na machinale bewerking, om een ​​positief effect te hebben op botgroei en hechting, waardoor een bepaald ankerontwerp zich verder onderscheidt van de opties van andere fabrikanten

Specifieke materiaaloverwegingen voor botschroeven

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

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

Hoewel roestvrij staal populair is in medische hulpmiddelen en kan worden gebruikt voor botschroeven, is de laatste decennia het gebruik van titanium en een reeks speciale metalen gekozen vanwege hun unieke kenmerken en voordelen.

Bijvoorbeeld titanium - die verkrijgbaar is in pure en gelegeerde versies - wordt vaak gebruikt wanneer het doel licht en sterk is of wanneer een apparaat moet passen met of verbinding moet maken met een ander titaniumcomponent. Titanium schroeven worden vaak gebruikt bij de behandeling van mandibulaire fracturen.

De titaniumlegering Ti-6Al-4V ELI (titanium-6aluminium-4vanadium extra low interstitials) is lichtgewicht, corrosiebestendig, sterk en biocompatibel. Strakke controles tijdens het smeltproces resulteren in een materiaal met extra taaiheid en sterkte, waardoor titanium ELI een populaire en duurzame keuze is voor botschroeven en andere medische hulpmiddelen.

Nitinol (NiTi) wordt soms gekozen vanwege zijn vermogen om een ​​grote hoeveelheid spanning te weerstaan ​​zonder te vervormen. Dat betekent dat het kan worden gebruikt voor toepassingen waarbij de botschroef of een ander apparaat iets moet worden uitgerekt en veranderd zonder een permanente set te nemen.

Andere zeer sterke en biocompatibele materialen die vaak door elkaar worden gebruikt bij de Zwitserse bewerking van botschroeven en -ankers zijn:

• MP35N ^® en de vergelijkbare 35N LT ^® (laag titanium), een smelt van MP35N waarbij de sporen van titanium zijn verwijderd, waardoor het een betere levensduur heeft
• L605
• 316LVM
• Elgiloy ^® , Conichrome ^® , en andere legeringen gespecificeerd door ASTM F1058 en ISO 5832-7

Oppervlaktebehandeling om osseo-integratie te bevorderen

Oppervlakteafwerking is een zeer belangrijk onderwerp hier bij Metal Cutting. Voor bottenschroeven en Zwitserse verspaning is oppervlaktebehandeling een uniek onderwerp.

Hoewel sommige botschroeven tijdelijk zijn en dus uiteindelijk worden verwijderd, worden de meeste op hun plaats 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 wordt ingebed en het bot eromheen groeit.

Terwijl wetenschappers blijven werken aan de ontwikkeling van speciale coatings die kunnen worden aangebracht om osseo-integratie te bevorderen (lees over een voorbeeld), hebben schroeffabrikanten ontdekt dat ruwere afwerkingen en andere verschillende soorten oppervlakken kunnen helpen om botgroei te bevorderen.

De uitvinding van direct lasersinteren (ook bekend als 3D-metaalprinten) maakt het mogelijk om voorheen onbereikbare porositeitsniveaus te bereiken, die verder gaan dan alleen een ruwe oppervlakteafwerking en osseo-integratie bevorderen. Daarom is 3D-productie misschien wel de toekomst van botschroeven en vele andere toepassingen voor medische hulpmiddelen.

De meeste materialen die worden gebruikt om orthopedische botschroeven en tandankers te maken, zijn echter niet warmtebehandelbaar. In plaats daarvan halen ze hun kracht uit koud werken, iets wat je niet kunt doen met 3D-metaalprinten.

Dat betekent dat je nog moeten beginnen met een Zwitsers bewerkte staaf of draad voorafgaand aan het lasersinteren!

Zwitserse bewerking versus 3D-laserprinten voor botschroeven?

Hoewel 3D-metaalprinters zullen zeggen dat ze alles kunnen, is het koude werken een van de uitdagingen die ze moeten overwinnen voordat alle toepassingen voor botschroeven 3D-geprint kunnen worden. Tot die tijd heeft machinale bewerking in Zwitserse stijl het voordeel om te beginnen met koud werkmateriaal als stafmateriaal.

De magie van 3D-printen is dat het, als additief proces, holtes kan produceren - iets dat omwille van het lichte gewicht en de porositeit een voordeel is dat Zwitserse bewerking niet kan evenaren. Voor schroefdraad, gaten, trappen en andere kenmerken die cruciaal kunnen zijn voor de functie van een schroef, leveren additieve en subtractieve processen beide hetzelfde dimensionale eindresultaat op.

Voor meer informatie over de kenmerken en voordelen van CNC-draaien in Zwitserse stijl voor uw medische apparaten of andere toepassingen, download onze gratis gids Swiss Machine FAQs .