Materiais para implantes ortopédicos e da coluna vertebral

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Os dispositivos ortopédicos e para a coluna vertebral exigem materiais capazes de suportar cargas mecânicas, resistir à corrosão e ao desgaste e atender às necessidades de fabricação dos fabricantes de implantes e instrumentos. Stanford Advanced Materials (SAM) fornece materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos em formatos adequados para a reconstrução articular, fixação em casos de trauma, sistemas para a coluna vertebral e pesquisas em regeneração óssea.

Aplicações ortopédicas e matriz de materiais

A escolha do material adequado depende do componente, do ambiente de carga, do processo de fabricação e do desempenho exigido em termos de contato ósseo ou de imagem.

Aplicação	Materiais e formas recomendadas	Função típica	Principais fatores de seleção
Reconstrução articular	Haste, barra, chapa ou pó de liga de titânio; CoCr; Ta poroso; UHMWPE; zircônia ou alumina	Peças estruturais, sistemas articulados, interfaces porosas e pares de atrito	Carga, fadiga, módulo de elasticidade, par de desgaste, condição da superfície e processo de fabricação
Fixação em casos de trauma	Fios, hastes, placas e chapas de titânio para uso médico; formas de aço inoxidável ou CoCr	Placas, parafusos, hastes, pinos, fios e componentes de fixação	Grau, resistência, capacidade de dobra ou conformabilidade, dimensões, tolerância e acabamento
Sistemas para coluna vertebral	Hastes e placas de titânio ou CoCr; Ta poroso; PEEK; HA e biocerâmicas	Gaiolas, hastes, placas, fixadores, revestimentos e enchimentos	Rigidez, fadiga, imagem, porosidade, adesão do revestimento e método de esterilização
Regeneração óssea	Pós de HA, TCP alfa ou beta e fosfato de cálcio bifásico; biocerâmicas porosas	Revestimentos, arcabouços, enchimentos e formulações para pesquisa	Fase, relação Ca/P, pureza, tamanho de partícula, morfologia, porosidade e meta de reabsorção

Campos recomendados para especificações de materiais

Grupo de materiais	Informações mínimas para consulta	Detalhes opcionais específicos da aplicação
Titânio e ligas	Tipo; forma; dimensões; tolerância; condição da superfície; quantidade	Condição de fadiga ou mecânica; processo de usinagem; norma exigida
Tântalo	Pureza ou grau; forma densa ou porosa; dimensões; quantidade	Porosidade, faixa de poros, arquitetura e processo de união ou revestimento pretendido
Ácido hialurônico e fosfatos de cálcio	Composição e fase; pureza; tamanho das partículas; quantidade	Morfologia, relação Ca/P, cristalinidade, porosidade e método de revestimento ou sinterização
Polímeros e compósitos	Tipo de polímero; grau; forma; dimensões; quantidade	Peso molecular, reforço, exposição à esterilização e rota de processamento

Equilíbrio, carga, fadiga, rigidez, desgaste e imagem

Sistemas ortopédicos e espinhais impõem diversas exigências conflitantes aos materiais. A alta resistência pode permitir um componente menor, mas a rigidez pode afetar a transferência de carga, e as considerações de imagem podem influenciar tanto o material quanto a geometria. As ligas de titânio são amplamente consideradas para componentes de fixação e da coluna vertebral, pois combinam resistência à corrosão, boa relação resistência/peso e um módulo de elasticidade menor do que as ligas de cobalto-cromo. O CoCr pode ser preferido quando for necessária maior rigidez ou melhor desempenho contra desgaste. Aços inoxidáveis, polímeros e cerâmicas desempenham funções adicionais, dependendo se o componente é temporário, de suporte de carga, articulado, isolante ou destinado a permanecer visível em exames de imagem.

A seleção do material deve, portanto, ser feita no nível do componente, e não no nível do sistema. Uma haste espinhal, uma gaiola intercorporal, um parafuso ósseo, uma superfície de apoio articular e um instrumento cirúrgico podem pertencer à mesma área clínica, mas não devem compartilhar uma especificação genérica. O projetista deve definir o modo de carga esperado, o ambiente de fadiga, o par de desgaste, a rigidez admissível, as prioridades de imagem, a geometria do componente e a rota de fabricação. Esses parâmetros determinam se o material de partida deve ser fio, barra, placa, pó, material poroso, uma forma cerâmica ou uma forma polimérica.

Trate revestimentos porosos e fosfatos de cálcio como variáveis de projeto distintas

Metais porosos e materiais de fosfato de cálcio são frequentemente discutidos em conjunto porque ambos podem estar presentes em uma interface de contato com o osso, mas não desempenham a mesma função. Uma estrutura porosa de titânio ou tântalo pode proporcionar uma arquitetura metálica tridimensional e contribuir para o suporte à carga mecânica. A hidroxiapatita, o fosfato tricálcico e o fosfato de cálcio bifásico são materiais cerâmicos utilizados em aplicações de revestimento, arcabouço, preenchimento e pesquisa. Sua química de fases, comportamento de dissolução ou reabsorção e requisitos de processamento diferem.

Para metais porosos, defina o material de base, as dimensões gerais, a porosidade total, a faixa de tamanho dos poros, a arquitetura e a função mecânica da estrutura. Para um pó de fosfato de cálcio, defina a composição, a pureza de fase, a relação Ca/P quando relevante, a distribuição granulométrica, a morfologia e o método planejado de revestimento, formulação ou sinterização. Para um componente revestido, o substrato, a preparação da superfície, o método de revestimento, a espessura e a avaliação da adesão devem ser considerados em conjunto. Especificar apenas “tântalo poroso” ou “pó de HA” deixa grande parte da intenção do projeto indefinida.

Adapte o material de partida à rota de fabricação

Forjamento, usinagem, manufatura aditiva, pulverização a plasma, deposição eletroforética e sinterização de cerâmica exigem características diferentes da matéria-prima. As especificações de barras ou chapas metálicas geralmente se concentram na classe, dimensões, tolerância, condição mecânica e superfície. O pó para manufatura aditiva requer controles sobre tamanho de partícula, morfologia, composição química e manuseio. O pó biocerâmico acrescenta composição de fase, cristalinidade e histórico térmico, pois esses fatores podem influenciar o comportamento do revestimento ou da sinterização.

Durante o desenvolvimento inicial, um desenho e as propriedades alvo podem ser suficientes para identificar produtos candidatos. Antes do fornecimento repetido, a especificação de compra deve indicar a norma do material ou a faixa de composição interna, a forma do produto, as dimensões críticas, os requisitos de superfície ou porosidade, o método de inspeção, a quantidade e a documentação. A SAM pode analisar formatos em estoque e personalizados para o planejamento de protótipos e produção, enquanto o fabricante de dispositivos ortopédicos continua sendo responsável pela validação do componente processado, da resposta biológica, da esterilização e do desempenho do dispositivo acabado.

Perguntas frequentes

Por que o titânio é amplamente utilizado em dispositivos ortopédicos e espinhais?

O titânio e determinadas ligas de titânio combinam resistência à corrosão, boa relação resistência/peso e um módulo de elasticidade menor do que as ligas de cobalto-cromo. O tipo e a forma necessários dependem do componente e do processo de fabricação.

Quando o tântalo poroso é considerado?

O tântalo poroso pode ser considerado para estruturas de suporte de carga ou arquiteturas em contato com o osso, nas quais se deseja alta porosidade e uma estrutura metálica tridimensional. A estrutura dos poros, as propriedades mecânicas e o processamento do componente devem ser especificados e validados.

Qual é a diferença entre hidroxiapatita e fosfato tricálcico?

Ambos são biocerâmicas de fosfato de cálcio, mas sua química de fases e comportamento de reabsorção diferem. A seleção deve levar em conta a composição, a pureza da fase, o tamanho das partículas, a morfologia e se o material será utilizado em um revestimento, arcabouço, enchimento ou formulação.

É possível fornecer materiais ortopédicos para manufatura aditiva?

Pós selecionados de titânio, cobalto-cromo e cerâmica podem estar disponíveis para processamento aditivo ou à base de pó. Especifique a liga, a distribuição do tamanho das partículas, a morfologia, a composição química, a quantidade e o processo pretendido.

O que deve ser incluído em uma consulta sobre componentes ortopédicos?

Inclua a aplicação, o desenho, o material e o grau, a forma, as dimensões, a tolerância, os requisitos de superfície ou porosidade, a quantidade, a especificação aplicável e as necessidades de documentação.

Solicite materiais para sua aplicação

Entre em contato com a SAM informando sua aplicação ortopédica ou espinhal, o desenho e as especificações do material para identificar as formas disponíveis em estoque ou opções de fornecimento personalizadas.

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