Металлические порошки HIP

Горячее изостатическое прессование (HIP) использует тепло и давление для консолидации биосовместимых металлических порошков в сложные формы, подходящие для имплантатов тазобедренного сустава, требующих баланса прочности, долговечности и способности к интеграции в кость. В данном руководстве рассматриваются основные типы сплавов, методы производства, характеристики, области применения, спецификации и сравнения металлических порошков HIP для имплантатов тазобедренного сустава.

Обзор Металлические порошки HIP для ортопедии

Горячее изостатическое прессование обеспечивает консолидацию металлических порошков-предшественников практически до чистой формы, сохраняя при этом настраиваемые свойства материала, необходимые для компонентов имплантатов для замены суставов, которые должны выдерживать биомеханические нагрузки человека.

Стандартные сплавы, запрессованные в гильзы тазобедренных суставов, бедренные ножки/головки и вкладыши ацетабулярных чашек с помощью техники HIP, включают в себя:

• Кобальт-хромовые сплавы - высокая прочность и металлическая биосовместимость
• Титановые сплавы, такие как Ti6Al4V ELI - более низкий модуль упругости, чем у стали, подходящей для костей
• Порошки из нержавеющей стали - высочайшая пластичность и вязкость разрушения
• Танталовые сплавы - усиленный рост костной ткани с помощью пористых конструкций

Порошки этих сплавов спрессовываются в сложные формы с помощью комбинации воздействия повышенной температуры (до 2000°C) и изостатического давления (от 100 до 300 МПа) в специально разработанных емкостях HIP для производства точного медицинского оборудования.

Типы композиций металлических порошковых сплавов HIP

Таблица 1: Общие стандартные составы и характеристики материалов

Тип сплава	Типовой состав	Основные свойства
Кобальтовые сплавы	Co-28Cr-6Mo   Особо низкоуглеродистая марка	Отличная износостойкость; высокие показатели UTS и твердости
Титановые сплавы	Ti-6Al-4V Не содержит ванадия	Низкая плотность; умеренная прочность; биологическая инертность
Нержавеющая сталь	Нестандартные смеси 316L Улучшенный азот	Высокая пластичность и вязкость разрушения; Биосовместимость
Танталовые сплавы	Ta-10W	Пористая кость, способная к росту; биоинертная; радиоопаковая

Строгий контроль при производстве порошка и горячем прессовании обеспечивает высокую чистоту, необходимую для длительной работы имплантатов без ускоренного износа и коррозии.

Методы производства Металлические порошки HIP

Таблица 2: Основные технологии изготовления порошков для получения сырья

Метод	Описание	Характеристики
Газовая атомизация	Инертный газ разрушает поток металла	Распределение сферических частиц по форме
Плазменное распыление	Энергия плазмы, используемая для дезинтеграции	Более мелкие порошки размером <50 микрон
Гидрогенизация-дегидрирование	Легирование посредством абсорбции и удаления водорода	Более мягкая податливость порошка
Электролитический	Контролируемое неравномерное электролитическое осаждение металлов	Получаемая пористая структура
Литье металлов под давлением	Смешивание и формование связующего перед HIP	Возможность создания сетки сложной формы

В то время как предварительные сплавы, полученные газовым распылением, обеспечивают умеренную скорость производства и контроль над такими примесями, как кислород, новые технологии плазменного распыления и литья металлов под давлением со связующими позволяют получить меньшее распределение по размерам для создания более тонких геометрических форм медицинского оборудования.

Характеристики и свойства

Таблица 3: Типичные технические свойства металлических порошков для ортопедических имплантатов HIP

Недвижимость	Измерение	Описание
Состав	Спектрометр Макроузера	Проверяет процентное содержание легирующих элементов
Размер частиц	Дифракция лазерного излучения	Уровень распределения P80%
Форма частиц	СЭМ-изображение	Сферичность влияет на плотность прессования
Скорость потока	Расходомер Холла	Угол откоса указывает на сплоченность
Плотность отвода	>90% теоретически достижимо	Более высокие значения улучшают консолидацию
Поверхностный оксид	Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия	Минимизировано для обеспечения биосовместимости
Твердость	Пост-спекание по Роквеллу	54-65 HRC для тазобедренных сплавов
Прочность на разрыв	750-1300 МПа	Необходим для восприятия динамических нагрузок на тело
Модуль упругости	50-200 ГПа	Соответствие натуральной кости позволяет избежать защиты от стресса
Размер зерна	1-5 микрон	Тонкость лучше; указывает на однородность

Помимо химической чистоты, факторами, определяющими производительность, являются оптимальная упаковка частиц во время HIP-процессов, отсутствие внутренней пористости в готовом оборудовании, тонкая микроструктурная однородность при обработке поверхности.

Применение Металлические порошки HIP в ортопедии

Таблица 4: Основные области применения имплантационных устройств

Компоненты	Выбор сплава
Головки бедренной кости	Кобальтовые сплавы, нержавеющая сталь
Ацетабулярные чашки	Титановые сплавы, танталовые пористые конструкции
Стебли, розетки	Титановые сплавы, кобальтовые сплавы
Костные пластины, винты	Порошки из нержавеющей стали
Зубные имплантаты	Порошки титанового сплава и сплава Ta-W
Спинальный, челюстно-лицевой отделы	Кобальтовые сплавы, танталовые сплавы

HIPping позволяет изготавливать монолитные цельные имплантаты, которые невозможно получить путем ковки, литья или механической обработки, что повышает надежность и остеоинтеграцию.

Индивидуально подобранные сочетания прочности, пластичности, коррозионной стойкости, биологической совместимости и характеристик визуализации делают горячее изостатическое прессование предпочтительной технологией для производства сложных устройств для замены суставов.

Стандарты ISO для порошков ортопедических сплавов HIP

Таблица 5: Ключевые мировые стандарты, которым следуют спецификации ортопедических металлических порошков HIP:

Стандарт	Материалы	Аспекты валидации
ASTM F75	Кобальтовые сплавы	Химия, механические свойства
ISO 5832-4	Кобальтовые сплавы	F75 эквивалентность проверена
ASTM F1108	Кобальтовые сплавы	Методы испытания сыпучих порошков
ISO 5832-11	Титановые/танталовые сплавы	Химия, токсичность
ASTM F1580	Титановые сплавы	Ориентация на метод производства порошка
ASTM F138	Нержавеющие стали	Химический состав стали, размеры зерен
ISO 5832-1	Нержавеющие стали	Спецификация для хирургического класса

Они определяют целевые химические диапазоны, допустимые примеси, пределы пористости, рекомендуемые маршруты производства порошка, требования к отслеживанию сырья, а также контрольные показатели эффективности и пороговые значения биологической реактивности после ГИП, обеспечивающие безопасность пациента и эффективность устройства в течение длительного срока службы имплантата.

Поставщик Ландшафт

Таблица 6: Основные мировые поставщики и диапазоны цен на порошок:

Компания	Материалы	Цена за кг
Столярные технологии	Кобальт, титан	$90-120
ATI	Титан, тантал, кобальт	$100-150
Praxair	Кобальт, титан	$70-100
Титановые технологии OSAKA	Титан, танталовые сплавы	$80-130

По мере роста спроса на эндопротезы тазобедренного сустава в связи со старением населения ожидается ввод в эксплуатацию дополнительных мощностей плазменного распыления, что приведет к снижению стоимости порошка. В настоящее время стоимость килограмма в долларах зависит от объема заказа и точного состава.

Сравнительные плюсы и минусы по сравнению с альтернативами

Таблица 7: Сплавы для имплантатов HIP в сравнении с другими материалами, такими как полимеры и керамика

Плюсы	Cons
Повышенная усталостная прочность и устойчивость к разрушению	Коррозия металла/ионные риски, требующие снижения
Выдерживают циклические биомеханические нагрузки	Ограничено для молодых и активных пациентов
Отсутствие токсичных остатков; стабильный интерфейс	Дороже, чем другие варианты
Лучше подходит для крупных пациентов	Может мешать проведению медицинской визуализации

Для пожилых людей с низким уровнем активности преимущества длительной жизнеспособности металлической конструкции и роста костной ткани, обеспечиваемые сплавами для тазобедренного сустава, перевешивают потенциальные недостатки по сравнению с другими вариантами материалов, надежность которых продолжает расти на протяжении десятилетий.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Как часто используются имплантаты тазобедренного сустава HIP на основе металлического порошка по сравнению с другими материалами?

Металлические сплавы по-прежнему составляют почти 70% тотальных эндопротезов тазобедренного сустава у пациентов старше 60 лет с учетом истории болезни, хотя использование полимерных и керамических альтернатив растет у более молодых и активных пациентов.

Вопрос: Какие этапы обработки после HIP готовят порошки для интеграции в медицинские устройства?

Типичные этапы после HIP включают в себя - удаление опоры путем механической обработки/полировки, пассивацию и стерилизацию методами, такими как оксид этилена или гамма-облучение, необходимыми для стерильной хирургической интеграции в анатомию пациента.

узнать больше о процессах 3D-печати