Обработка материалов для медицинской промышленности на токарных и фрезерных станках с ЧПУ. Примеры производства Часть 2

Позвоночные имплантаты и элементы

Изделия для позвоночника включают разнообразные имплантаты: межпозвонковые кейджи (коробочки, вставляемые между позвонками при спондилодезе), фиксационные винты и стержни, пластинки для стабилизации позвонков, а также искусственные межпозвонковые диски. В качестве материалов тут широко используются как металлы, так и полимеры: титановый сплав и нержавеющая сталь – для винтов и пластин, титан или PEEK – для межпозвонковых кейджей, иногда кобальтохром – для подвижных частей искусственных дисков.

Костные винты 

Педикульные и транспедикулярные для фиксации позвонков обычно изготавливаются из титана (реже из стали) на высокоточных токарных станках. Это детали диаметром порядка 5-7 мм и длиной до 50 мм, с нарезанной наружной резьбой специального профиля (агрессивная резьба для ввинчивания в кость) и внутренним шлицем или шестигранником под отвертку. Производство винтов типично включает: точение стержня и формирование головки, сверление продольного сквозного канала малого диаметра (винты часто полые, чтобы надеваться на направляющую шпильку при установке), нарезание резьбы вихревым методом или резцом, фрезерование привода (шестигранника, звездообразного TORX и т.д.) в головке. Благодаря CNC-автоматам эти операции выполняются последовательно без переустановки. Как отмечалось, сверление центрального отверстия – одна из сложностей (диаметр ~2 мм на длине 40 мм): решается применением длинных сверл с твердосплавными напайками и внутренним охлаждением. Правильный выбор инструмента предотвращает отклонение сверла и слияние канала со стенкой винта. Наружную резьбу на современных установках нарезают за один проход вихревой головкой, что обеспечивает высокое качество витков и уменьшает время цикла. Резьбовые пластины из износостойкого сплава позволяют обрабатывать десятки винтов без заточки, сохраняя профиль резьбы неизменным.

Межпозвонковые кейджи 

Маленькие полые имплантаты, вставляемые между телами позвонков для их фиксации и обеспечения срастания, – изготавливаются либо из титана (иногда с пористой структурой), либо из полимера PEEK. Титановые кейджи фрезеруются из цельного куска: на 4- или 5-осевом центре вырезается форма в виде невысокой полой коробочки с отверстиями по стенкам (для врастания костной ткани) и зубчатым профилем на поверхности (чтобы не смещался между позвонками). Точность здесь важна для соответствия размерам межпозвонкового пространства, а гладкость – чтобы не повредить окружающие ткани при установке. PEEK-кейджи точатся и фрезеруются легче – материал позволяет высокие скорости резания, и обычно достаточно 3-осевого станка, поскольку форма проще. Но PEEK-имплантаты зачастую требуют сверления множества небольших отверстий и профильных вырезов, что реализуется на том же станке сменой инструмента. Иногда кейджи проектируют с вставками – например, титановые пластины в PEEK-корпусе – тогда изготавливают обе части раздельно и собирают. Здесь ЧПУ обеспечивает необходимую стыкуемость разных материалов.

Пластинки и конструкции для позвоночника 

Это, например, шейные пластинки, фиксирующие несколько позвонков, или поясничные конструкции. Их, как и травматологические пластины, делают в основном из титана. Форма пластинки обычно повторяет изгибы позвоночника, имеет пазы под винты. Производство: фрезерование из плоской заготовки (пластины) или из прутка на 5-осевом станке, позволяющем получить нужный изгиб и сверлить наклонные отверстия. После мехобработки пластину могут гнуть окончательно по шаблону и шлифовать. Без ЧПУ изготовление пластин с точным расположением отверстий под винты было бы крайне трудоемким.

Компания Nexxt Spine (США) – пример производителя, специализирующегося на позвоночных системах. На своем современном заводе (штат Индиана) они изготавливают 100% номенклатуры своих позвоночных имплантатов (винтов, пластин, кейджей) и 95% инструментов собственными силами, применяя самые передовые технологии. Основные продукты – это титановые костные винты и пластины, а также межпозвонковые имплантаты, в том числе из PEEK. Для повышения эффективности Nexxt Spine внедрили интегрированный цифровой подход – от проектирования до серийного запуска, – что позволяет им выполнять особые запросы хирургов гораздо быстрее отраслевых стандартов. Например, получив от врача требования к форме нового имплантата, инженеры оперативно вносят изменения в 3D-модель и запускают обработку на станках, зачастую сокращая производственный цикл на 30–50% по сравнению с обычным. При создании новой линейки межпозвонковых кейджей NanoMatrix эта компания применила аддитивные технологии (3D-печать пористой структуры) в комбинации с ЧПУ-обработкой критических поверхностей. Однако даже такие инновации не обходятся без классической механической обработки: напечатанные заготовки из кобальтохрома нуждаются в чистовом фрезеровании, чтобы обеспечить точность и гладкость посадочных поверхностей, поскольку качество поверхности при 3D-печати пока недостаточно высокое.

Таким образом, сочетание токарных технологий (для винтов и стержней) и фрезерных (для пластин и кейджей) с ЧПУ позволяет создавать полный комплект позвоночной системы с максимальной точностью подгонки деталей. Высокая точность и качество обработки – здесь не только техническое требование, но и залог успешной имплантации: например, гладкие винты меньше травмируют кость при закручивании, а точно подогнанная пластина равномерно распределяет нагрузку.