CNC doplňuje aditivní výroba

Téměř všechny implantáty a implantátové chirurgické nástroje jsou vyrobeny z kovového bloku nebo kompozitního materiálu. K jejich výrobě je nejobvykleji využíváno CNC obrábění pomocí automatických nástrojů a vysoké přesnosti.
Nejnovější způsob výroby implantátů pomocí aditivní výroby umožňuje vyrobit každý kus doslova na míru konkrétnímu uživateli podle 3D počítačového modelu. Metoda digitální 3D rekonstrukce anatomických prvků vytvořila zcela nové příležitosti. Vzhledem k tomu, že kosti každého člověka mají odlišný tvar a vyžadují jedinečný chirurgický zákrok k jejich opravě, výroba jakékoli dlahy nebo protézy sledováním kostní linie pacienta činí ortopedickou operaci úspěšnější.
Výhodou metody tavení elektronovým svazkem (EBM) je úspora surovin a zkrácení doby výroby, což přineslo výrazné snížení nákladů na ortopedické výkony. Ortopedické implantáty jsou vyrobeny z biologicky kompatibilních kovů. Zpočátku nebyla přímá 3D výroba s titanem možná. Rozvoj strojů s elektronovým paprskem však umožnil roztavit titan a vyrobit titanový kus z digitálního modelu každé jednotlivé kosti. Počítačová podpora dramaticky zvýšila výkon a jemnost ortopedických chirurgů. Ortopedie má dnes prostřednictvím digitálního modelování naprostou kontrolu a přehled nad úhly kostí, umístěním šroubů a dlah a před každou operací umožňuje vše zvážit a optimalizovat. V současnosti se v umělých ortopedických pomůckách používají tři kategorie materiálů: kovy, polymery a keramika.

Kovy
Mezi kovy používané v procesu výroby ortopedických implantátů patří chirurgická nerezová ocel (obvykle 316L), kobalt-chrom-hliník (Co-Cr) a čistý titan (Ti) nebo kombinace hliník-titan.
Nerezová ocel se používá v nepermanentních implantátech, jako jsou vnitřní stabilizátory a kardiostimulátory, díky své vysoké pevnosti proti únavě a odolnosti proti plastické deformaci. Před použitím titanu nahrazoval z velké části nerezovou ocel hliník na bázi kobaltu, ale stal se zastaralým kvůli svému karcinogennímu potenciálu.
Biokompatibilní kovy jsou populárním materiálem pro výrobu ortopedických implantátů díky jejich aplikaci v různých metodách, jako je tavení elektronovým paprskem. Hlavní surovinou používanou pro lékařské aplikace vyráběné touto technologií je Ti6Al4V ELI (třída 23), vysoce biokompatibilní kov s velikostí částic 45 až 100 mikrometrů. Tato speciální hliníková slitina je oblíbená v lékařské technice kvůli její kompatibilitě s lidským tělem, i když určité obavy přetrvávají z možných účinků vanadu a hliníku, které tvoří část tohoto materiálu. Jsou nejodolnější vůči změnám teploty, v čase i tahu. Jde o nejlepší volbu pro náhradu zlomených stehenních jamek, zlomených kostí, žeber, páteře, prstů i kostí obličeje, kostních destiček, tyčí a drátů požadovaných v ortopedické chirurgii. Vlastnosti tohoto titanu umožnily úžasný pokrok i v chirurgii zubních implantátů.
Díky titanu udělala chirurgie i ortopedické nástroje obrovský skok. Nástroje jsou tvrdší a lehčí než ocel, materiál je odolný vůči bakteriím a může být použit se zařízeními emitujícími záření. Slitiny jsou také nejodolnější vůči zlomení a ultra odolný titan má životnost přesahující normální lidský život. Seznam výhod titanu je velmi dlouhý, ale k nejdůležitějším patří jeho vysoká biokompatibilita odolnosti proti oděru a jemné schopnosti přilnout k živé kosti a přizpůsobit se jí.

Polymery
V procesu výroby ortopedických implantátů je polyetylen nejlepším materiálem ve srovnání s kovem nebo keramikou. Nejpoužívanější jsou ultravysokomolekulární polyetylen (UHMWP) nebo vysokohustotní polyetylen (HDP). Hlavním problémem polymerů ve srovnání s jejich konkurenty je však deformace při zatížení (tzv. creep) a progresivní opotřebení. Pro posílení mechanické pevnosti se do polyetylenu přidávají uhlíková vlákna. Karbonové vlákno sice zlepšuje tečení a pevnost v tahu, ale zase snižuje jeho odolnost vůči povrchovému oděru těchto implantátů.

Keramika
Keramické materiály používané v ortopedických implantátech zahrnují hlavně oxid hlinitý a fosforečnan vápenatý. Jsou velmi odolné vůči tlaku, ale slabé a křehké v tahu. Keramika z oxidu hlinitého využívá proces lisování za tepla z práškového materiálu za souběžného působení vysokého tlaku a teploty. Výsledkem je konečný produkt vysoké hustoty s malou velikostí zrna a dobrými mechanickými vlastnostmi.
I když experimenty ukázaly vynikající výsledky v tribologii a abrazi keramických implantátů z oxidu hlinitého, po několika letech používání bylo u těchto implantátů pozorováno nežádoucí odírání. Dalším důvodem limitujícím používání keramiky je její nízká odolnost vůči nárazu. Keramika rychle praskne a prasklina se zlomí.

Petr Sedlický
Foto: Matmatch, Exactech, Jeil Medical Korea, FraunhoferIWU

Publikováno: 3. 3. 2022 | Počet zobrazení: 457 98