מתכות מיוחדות מאפשרות מכשירים רפואיים שאין שני להם

ממתכות מסורתיות, כגון טיטניום ונחושת ועד סגסוגות מודרניות יותר כמו ניטינול, תעשיית המתכות ממשיכה לענות על הצרכים לקידום תעשיית המכשור הרפואי.

ברחבי העולם, אנשים חיים יותר עם אורח חיים פעיל יותר הודות להתקדמות מתמשכת בטכנולוגיה רפואית. התפתחות זו בטכנולוגיה נובעת מפיתוח של מתכות וסגסוגות מתוחכמות אשר מוצאות שימושים חדשים ביישומים רפואיים פנימיים וחיצוניים. משיפורים בחוטי הדרכה אבחנתיים ועד סגסוגות חדשות להשתלות קבועות בגוף, מתכות ממשיכות למצוא שימושים חדשים.

טיטניום היה מבצע עקבי במשך מספר שנים, טנטלום מתעורר, ונחושת מתעוררת מחדש, בעוד התקדמות הטכנולוגיה יוצרת ביקוש עולמי למגוון מתכות אחרות יחד עם גרסאות חדשות של סטנדרטים ותיקים. Niobium ו- Nitinol הם אידיאליים לשימוש ביישומים רפואיים פנימיים וחיצוניים כאחד. לתעשיית המתכות יש היסטוריה ארוכה של חדשנות, פיתוח ועיבוד מתכות וסגסוגות, במקביל לפיתוח מכשור רפואי – מברגים זעירים עבור השתלים הקטנים ביותר ועד לכלים כירורגיים מורכבים המופעלים בצורה רובוטית. פלח גדול בשוק המתכות הרפואיות הוא ייצור חומרים למחטים היפודרמיות. יצרני מחטים היפודרמיות משתמשים בתהליכי ייצור שונים, אך רוב המחטים מיוצרות ממוצר רצועה שטוחה או נייר כסף שטוח, אשר נוצרו בגלילים, מרותכים לצינור ומשרטטים מחדש לקטרים שונים של מחטים.

מגוון רחב של מתכות ושימושים

טיטניום היא מתכת סוס העבודה המוכרת המשמשת ביישומים רפואיים, במיוחד ביישומים פנימיים. הוא מתנגד לקורוזיה ומתחבר לעצם האדם כאשר הוא מטופל כראוי, עם פחות תגובות שליליות מאשר מתכות אחרות. Osseointegration היא תופעה ייחודית שבה העצם והרקמות הטבעיות של הגוף נקשרות לשתל הטיטניום, המעגן היטב את השתל במקומו. טיטניום הוא גם מרכיב יסוד בתחום הרפואי לשימושים כגון מגנים למכשירים מושתלים השולטים בתפקוד הלב; מוצרים המחלקים תרופות ומבצעים גירוי עצבי שונים; ומוטות, סיכות וצלחות אורטופדיים.

לטיטניום טהור יש צפיפות נמוכה, חוזק גבוה ועמידות בפני קורוזיה גבוהה. טיטניום הוא חומר מועמד טוב בעת עיבוד או יצירת תת-מכלולים או רכיבים מוגמרים. זה נחשב אינרטי מבחינה פיזיולוגית. סגסוגות טיטניום Ti-6Al-4V ו-Ti-6Al-4V ELI אינן מגיבות במיוחד עם נוזלים בגוף האדם, ונעשה בהן שימוש נפוץ במכשירים רפואיים בשל הסיכון הנמוך לדחייה [1].

גוף האדם מקבל טיטניום הרבה יותר בקלות מאשר מתכות אחרות, כולל נירוסטה. חלק מהשימושים הנפוצים ביותר לטיטניום הם בניתוחים אורטופדיים (במיוחד ניתוחי גב), וכן כהחלפות מפרק ירך, ברך וכתף ומרפק. צורות מסוימות של שסתומי לב חלופיים משתמשות בבתי טיטניום או בטבעות תמיכה בחומר. יתדות טיטניום משמשות לחיבור עיניים ואוזניים תותבות כתוצאה מההתקדמות הרפואית האחרונה. לדוגמה, מערכת ה-P-KTM Sleeved Peg משמשת לחיבור השתל האורביטלי של ביו-עין הידרוקסיאפטיט (HA) (סימן מסחרי רשום של Integrated Orbital Implants, סן דייגו, קליפורניה) לעין המלאכותית ליצירת תותבת תנועתיות משולבת במלואה. טיטניום הוא חומר מגן סטנדרטי במכשירים רפואיים מושתלים כמו מארזי קוצבי לב וצנטריפוגות בשל עמידותו בפני התקפה של נוזלי גוף, חוזק גבוה ומודולוס נמוך [2].

בנוסף לשימוש שלו בתוך הגוף, טיטניום הוא בחירה אידיאלית עבור מכשירים כירורגיים, כגון מקדחות, מלקחיים, מכבשים, מספריים, מחזיקי מחטים וציוד לניתוח עיניים של לאסיק. המתכת אינה מפריעה לבדיקות רפואיות הדורשות בדיקות MRI או CT.

ניוביום: יש עניין גובר בניוביום ובסגסוגות שלו לשימוש במכשירים רפואיים. זה נמצא לעתים קרובות במכשירים כגון קוצבי לב מכיוון שהמתכת אינרטית מבחינה פיזיולוגית. ניוביום המטופל בנתרן הידרוקסיד יוצר שכבה נקבוביה המסייעת לאוסאואינטגרציה, מה שהופך אותה גם לאלטרנטיבה אטרקטיבית ליישומים רפואיים פנימיים.

טנטלום היא מתכת נוספת שהולכת ופופולרית שהיא עמידה בפני קורוזיה ומשמשת במכשירים רפואיים פשוטים כמו רצועות סמנים אבחנתיות במשך יותר מ-50 שנה. טנטלום שימושי במיוחד ביישומי חוט מעוצב, ועמידותו בפני קורוזיה הופכת אותו לאטרקטיבי עבור שתלים.

טנטלום טהור אידיאלי לשימוש בהשתלות עצם קבועות ושימושים אחרים לרבות קליפס כלי דם, סטנטים גמישים למניעת קריסת עורקים ובתיקון שברים בעצמות. הוא אינו פרומגנטי, ולכן הוא תואם MRI.

Nitinol הוא סגסוגת זיכרון בצורת ניקל-טיטניום (כ-51% Ni) עם תכונות סופר-אלסטיות – תגובה הפיכה ללחץ מופעל. זיכרון צורות מתייחס ליכולתו של ניטינול לעבור דפורמציה בטמפרטורה אחת, ולאחר מכן לשחזר את צורתו המקורית עם חימום מעל טמפרטורת השינוי שלו. היכולת יוצאת הדופן של Nitinol להכיל זנים גדולים, יחד עם התאימות הפיזיולוגית והכימית שלו לגוף האדם, הפכו אותו לחומר מבוקש לעתים קרובות בהנדסה ועיצוב של מכשור רפואי.

בטמפרטורות גבוהות יותר, Nitinol מניח מבנה גביש מעוקב המכונה אוסטניט (הידוע גם כפאזה האב). בטמפרטורות נמוכות יותר, הוא הופך באופן ספונטני למבנה גבישי "מונוקליני" מסובך יותר המכונה מרטנזיט. הטמפרטורה שבה אוסטניט הופך למרטנסיט מכונה בדרך כלל טמפרטורת הטרנספורמציה – ליתר דיוק, מרטנזיט מתחיל להיווצר בטמפרטורת Ms שנקראת, והטמפרטורה שבה הוא מושלם נקראת טמפרטורת Mf. שני היבטים אלה של המבנה שלו – זיכרון צורות ותכונות סופר-אלסטיות – מאפשרים לניטינול להפגין תגובה הפיכה ללחץ מופעל שבעצמו נגרם על ידי טרנספורמציה של פאזה בין השלב האוסטניטי והמרטנזיטי של גביש.

חיוניים לתכונותיו של Nitinol הם שני היבטים מרכזיים של טרנספורמציה בשלב זה. ראשית, הטרנספורמציה היא 'הפיכה', כלומר חימום מעל טמפרטורת הטרנספורמציה יחזיר את מבנה הגביש לשלב האוסטניט הפשוט יותר. נקודת המפתח השנייה היא שהטרנספורמציה בשני הכיוונים היא מיידית.

למבנה הגבישי של מרטנסיט יש את היכולת הייחודית לעבור דפורמציה מוגבלת באופן מהותי מבלי לשבור קשרים אטומיים. סוג זה של דפורמציה ידוע בשם תאום, המורכב מסידור מחדש של מישורים אטומיים מבלי לגרום לעיוות קבוע. הוא מסוגל לעבור מאמץ של כ-6-8% באופן זה [3].

כאשר מרטנזיט מוחזר לאוסטניט על ידי חימום, המבנה האוסטניטי המקורי מוחזר, ללא קשר לשאלה אם שלב המרטנסיט היה מעוות. לפיכך, השם 'זיכרון צורה' מתייחס לעובדה שצורתו של שלב האוסטניט בטמפרטורה גבוהה 'נזכרת', למרות שהסגסוגת מעוותת קשות בטמפרטורה נמוכה יותר.

עם זאת, ניטינול טיפול בחום הוא עדין – וקריטי בכוונון עדין של טמפרטורת השינוי. זמן ההזדקנות והטמפרטורה שולטים במשקעים של שלבים עשירים בניקל שונים, וכך שולטים בכמה ניקל שוכן על רשת הניקל והטיטניום; על ידי ריקון המטריצה של ניקל, ההזדקנות מגבירה את טמפרטורת הטרנספורמציה. השילוב של טיפול בחום ועבודה קרה חיוני בשליטה בתכונות הניטינול.

ניתן לייצר מכשירי Nitinol – כגון סטנטים – בטמפרטורה אחת, לעוות או לקפל אותם בטמפרטורה אחרת, ואז להחדיר לעורק שבו הגוף מחמם את החומר מעל טמפרטורת השינוי שלו, שם הוא חוזר לגודלו המקורי. טרנספורמציה של שלב מאפשרת גם למכשיר להתאושש במלואו לאחר כיפוף לקצב מתח גבוה (עד 7%) [4].

אפקט 'סופר-אלסטי' זה מאפשר שימוש במכשירי ניטינול שכופפו או עוצבו כדי לאפשר החדרה או שימוש בתוך הגוף. כלים כגון מכשירי אחיזה קטנים וביופסיה יכולים להתרחב מצינור ולהתרחב לשטח גדול בהרבה ממכשירים העשויים מסגסוגות סטנדרטיות.

משקלו הקל של Nitinol ותכונותיו הייחודיות הופכים אותו לאטרקטיבי במיוחד לשימוש ביישומים ביו-רפואיים, לרבות כלי שסתומי לב, סטנטים, סיכות, עוגני עצם, התקני פגם מחיצה מתוחכמים ומגוון שתלים. השימושים הרפואיים שלו כוללים מכשירים לחיבור מעיים מחדש לאחר ניתוח, כמו תפירה, סטנטים הניתנים להשתלה, חוטי הדרכה אבחנתיים וסמני חוטים הניתנים למקומם לאיתור גידולי שד להליכים פחות פולשניים של כריתת גוש בטיפול בסרטן השד [5].

נחושת: לאחרונה, התעשייה הרפואית החלה להתעניין בנחושת, שבעבר הייתה אסורה לרוב המטרות הרפואיות, במיוחד לכל מכשיר פנימי. בלב העניין הזה היא העובדה שניתן להשתמש ביעילות בנחושת ממוגנת כהלכה כדי לשאת אותות לשתלים קטנים ולכלי אבחון. יצרנים ומעבדים מובילים של נחושת למכשירים רפואיים מייצרים בדרך כלל את חוט המתכת או הרצועות הממוגנים על הציוד הייעודי שלהם כדי לשמור על 100% בקרת איכות ולהימנע מזיהום חיצוני.

הנחושת היא רקיעה עם מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה מאוד. נחושת טהורה היא רכה יחסית וניתנת לגימור. הוא עובד בקלות, והקלות שבה ניתן למשוך אותו לתוך חוט בנוסף לתכונות החשמליות המצוינות שלו הופכת אותו לשימושי עבור מכשירים חשמליים רפואיים כאשר הוא מוגן כראוי. בשל המוליכות הגבוהה שלו, ניתן להטמיע חוטי נחושת קטנים יותר לתוך מכשירים כדי לשלוח או לקבל אותות או לשאת מטענים חשמליים כדי לבצע משימות בתוך הגוף.

יוני נחושת מסיסים במים, שם הם מתפקדים בריכוז נמוך כחומרים בקטריוסטטים, קוטלי פטריות וחומרים משמרים לעץ. מסיבה זו, נחושת יכולה לשמש כמשטח אנטי-חיידקים שיכול להוסיף לתכונות האנטי-בקטריאליות והאנטי-מיקרוביאליות של מבנים כגון בתי חולים. שימושים בבגדי בית חולים, מצעים ומוצרים אחרים נבדקים כאמצעי להפחתת שיעורי הזיהומים.

סיכום

יישומים מוצלחים של המתכות הנ"ל נובעים מיצרנים בעבודה צמודה עם משתמשי קצה, החל ממפרטי העיצוב והחומרים הרצויים, ועד להשלמת התקן. יוצרי המכשור הרפואי בדרך כלל מקיימים קשר מוקדם ומנהלים דיאלוג עם יצרני מתכות החל מהתכנון ועד לשלבי הייצור. Ulbrich משיגה תקשורת זו באמצעות שותפות הפיתוח שלנו. צור איתנו קשר עוד היום ולמד כיצד אנו הופכים להיות שלוחה של הצוות שלך.