Schweizer Bearbeitung von Knochenschrauben und Ankern

Erzielung präziser, komplexer Merkmale für orthopädische und zahnmedizinische Anwendungen

Im Vergleich zu vielen anderen Medizinprodukten haben Knochenschrauben einen scheinbar einfachen Aufbau:ein Gewindezylinder mit einem Kopf an einem Ende und einer Spitze am anderen. Das Design von Knochenschrauben (auch Anker genannt) kann jedoch überraschend komplex sein.

Aus diesem Grund spielt die Präzisions-CNC-Bearbeitung im Schweizer Stil eine wichtige Rolle bei der Realisierung von Designs, die Knochenschrauben die richtigen Merkmale und Funktionen für ihre Endanwendungen verleihen.

Grundstruktur von Knochenschrauben

Wie die gewöhnliche Holzschraube, mit der die meisten Menschen vertraut sind, hat die Struktur einer Knochenschraube bestimmte grundlegende Eigenschaften:

• Der Kopf der Schraube ist die obere, abgeflachte Oberfläche, die beim Einsetzen der Schraube hilft.
• Der Tipp ist das andere Ende der Schraube, gegenüber dem Kopf.
• Die Länge des Schafts (oder Körpers) einer Schraube wird vom Kopf bis zur Spitze gemessen.
• Der Platz einer Schraube ist der Weg, den die Schraube bei jeder 360º-Umdrehung zurücklegt.
• Der Hauptdurchmesser einer Schraube ist die Gesamtdicke der Schraube von einer Spitze des Gewindes bis zur anderen Spitze auf der gegenüberliegenden Seite.
• Der kleine Durchmesser ist die Dicke einer Schraube ohne Gewinde. Dies ist wichtig zu wissen, da das Pilotloch, in das eine Schraube eingesetzt wird, die gleiche Größe wie der kleinere Durchmesser haben sollte.

Warum Knochenschrauben verwendet werden

Die Hauptfunktion einer Knochenschraube besteht darin, bei der Reparatur von Knochenbrüchen zu helfen. Typischerweise wandelt die Schraube die Kraft der Knochenbewegung in Kompression um, die den Knochen an Ort und Stelle hält, damit er schneller heilen kann.

Die Verwendung von Knochenschrauben geht auf das frühe zwanzigste Jahrhundert zurück. Damals leistete der Chirurg William O’Neill Sherman Pionierarbeit bei der Fixierung von Knochenbrüchen mit Platten und herkömmlichen Schrauben, die er modifizierte, um sie am Knochen zu befestigen.

Heutzutage werden Knochenschrauben in einem breiten Spektrum von orthopädischen und kieferorthopädischen Anwendungen verwendet. Orthopädische Schrauben werden hauptsächlich zur Fixierung von Knochen oder zur Befestigung von Weichgewebe (z. B. Sehnen) am Knochen verwendet. In der Zahnheilkunde dienen Knochenschrauben im Allgemeinen als Anker, über denen etwas anderes – beispielsweise ein Ersatzzahn – befestigt wird.

Moderne Knochenschrauben sind erwartungsgemäß präziser und spezialisierter als die Version von Doc Sherman. Es überrascht nicht, dass CNC-Swiss-Bearbeitung die Methode ist, die häufig verwendet wird, um präzise Merkmale herzustellen, die die Befestigungsmethode der Schraube oder die Fähigkeit, an Knochen oder anderem Gewebe zu haften, verbessern.

Andere Knochen, andere Schrauben

In einer Studie, in der die Festigkeit von vier im Handel erhältlichen Knochenschrauben mit unterschiedlichen Steigungen verglichen wurde, korrelierte die Haltekraft der Schrauben mit der Knochendichte, dem Design der Gewinde und der Anzahl der in den Knochen eingreifenden Gewinde. Da verschiedene Knochentypen unterschiedliche Dichten haben, ist es sinnvoll, dass der Knochentyp einen Einfluss auf das Schraubendesign hat.

Kortikaler (oder kompakter) Knochen bildet die harte, dichte äußere Knochenschicht, die dem menschlichen Körper eine Stützstruktur bietet und zum Schutz der inneren Organe beiträgt. Diese glatten, weißen, fest aussehenden Knochen machen etwa 80 % der Körpermasse eines Erwachsenen aus.

Spongiosa (auch bekannt als Spongiosa) bildet das innere Gewebenetzwerk menschlicher Knochen und findet sich im Allgemeinen an der Spitze anderer Knochen, in der Nähe von Gelenken und innerhalb von Wirbeln. Spongiosa ist weniger dicht, etwas weicher und flexibler als kortikaler Knochen.

Dementsprechend kann die CNC-Swiss-Bearbeitung verwendet werden, um Schrauben herzustellen, die sich in Gewinde, Steigung und anderen Merkmalen je nach Art des Knochens, in dem sie verwendet werden, unterscheiden:

• Kortikalisschrauben – auch Kortikalisschrauben genannt – sind so konzipiert, dass sie fest halten und maximale Stabilität bieten, wenn sie in den kortikalen Knochen eingesetzt werden. Diese starken Schrauben haben eine kleine Steigung mit eng beieinander liegenden, flachen Gewinden über die gesamte Länge und haben normalerweise ein stumpfes Ende. Kortikalisschrauben sind typischerweise in Längen von 0,059 Zoll (1,5 mm) bis 0,177 Zoll (4,5 mm) erhältlich.

• Spongiosaschrauben , die für die Fixierung von Spongiosa bestimmt sind, sind länger und haben eine größere Steigung als Kortikalisschrauben. Spongiosaschraubengewinde sind tiefer geschnitten und weit beabstandet, und der Schaft kann vollständig oder nur teilweise mit Gewinde versehen sein. Die Schrauben sind im Allgemeinen in Längen von 0,138 Zoll (3,5 mm) bis 0,256 Zoll (6,5 mm) erhältlich.

Andere Variablen im Design von Knochenschrauben

Neben Variationen in Gewinde und Steigung können Knochenschrauben Löcher, Stufen, Schlitze und andere Merkmale aufweisen, die dank der Präzisionsfähigkeiten der CNC-Swiss-Bearbeitung hergestellt werden. Beispielsweise können verschiedene Arten von Knochenschraubenköpfen hergestellt werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen:

• Schrauben zum Verankern von Zähnen können einen konischen Kopf haben, auf den ein Ersatzzahn gepresst werden kann.
• Ein Schraubenkopf mit Gewinde kann verwendet werden, um die Knochenschraube und ihre Befestigung (z. B. eine Platte) an Ort und Stelle zu verriegeln, um eine größere Stabilität zu erreichen.
• Ein Sechskantschraubenkopf wird üblicherweise verwendet, um die Verwendung eines Schraubendrehers zum Einsetzen zu ermöglichen.

Swiss Machined Bone Screws können auch unterschiedliche Spitzendesigns nutzen, die unterschiedliche Schraubeninsertionstechniken unterstützen:

• Schneidfreie Schrauben haben eine glatte, runde Spitze, die eingeführt wird, indem ein Führungsloch gebohrt und Gewinde in das Loch gebohrt werden.
• Selbstschneidende Schrauben haben Schneidnuten, so dass die Schraube ihr eigenes Gewinde schneidet, sobald sie in ein Pilotloch eingeführt wird. Da zum Beispiel Spongiosa viel weniger dicht ist als Kortikalis, ist eine Spongiosaschraube selbstschneidend – das heißt, sie schneidet ihren Weg in den Knochen, wenn die Schraube eingesetzt wird.
• Selbstbohrende Schrauben kann so eingesetzt werden, ohne dass eine Vorbohrung oder andere Vorbereitung erforderlich ist. Die Schraube erzeugt ihr eigenes Führungsloch und ist außerdem selbstschneidend.

Einzigartige Vorteile des Schraubendesigns

Medizingerätehersteller können auch ihre eigenen Konstruktionsvariationen für Knochenschrauben entwickeln, um etwas Einzigartiges zu schaffen, das sie von anderen abhebt und einen Wettbewerbsvorteil bietet.

Ein patentierbares, proprietäres Design ist nicht nur ein Vorteil für den Ankerhersteller, sondern schafft auch Möglichkeiten – und Herausforderungen – für die CNC-Bearbeitung im Schweizer Stil, um ein möglicherweise sehr komplexes Design herzustellen. Beispielsweise sind kompliziertere Formen ein perfektes Beispiel dafür, wo die Technik der Segmentierung in der Schweizer Bearbeitung es der anspruchsvolleren Maschinenwerkstatt ermöglicht, die komplexen Designanforderungen des Kunden zu erfüllen.

Ein weiteres Leitprinzip – die Konstruktion medizinischer Geräte mit einteiliger Konstruktion – kann ein Teil aus Sicht der Bearbeitung oft komplexer machen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, kann die Schweizer Bearbeitung Herstellern dabei helfen, Einkomponenten-Designs zu erzielen, die das Risiko minimieren, dass ein Gerät auseinanderfällt oder dass aufgrund des Versagens eines von mehreren Teilen etwas schief geht.

Darüber hinaus können Knochenschrauben nach der maschinellen Bearbeitung verschiedene Oberflächenmodifikationen (siehe unten) hinzugefügt werden, um einen positiven Einfluss auf das Knochenwachstum und die Adhäsion zu haben, wodurch sich ein bestimmtes Ankerdesign weiter von den Optionen anderer Hersteller abhebt

Spezielle Materialüberlegungen für Knochenschrauben

Knochenschrauben und Anker für orthopädische und zahnärztliche Zwecke werden seit mehr als einem Jahrhundert aus Metalllegierungen hergestellt. Das bedeutet, dass wir viel Zeit hatten, um herauszufinden, welche Materialien die richtige Mischung aus hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität bieten.

Heutige Hersteller wählen im Allgemeinen Materialien in Implantatqualität, die den Spezifikationen der American Society for Testing and Materials (ASTM) oder ISO entsprechen. Dementsprechend erfordert die Herstellung von Knochenschrauben mit den richtigen Merkmalen und Funktionen die Fähigkeit, eine breite Palette verschiedener Materialien in der Schweiz zu bearbeiten, wobei jedes Material seine eigenen einzigartigen Eigenschaften hat.

Während Edelstahl in medizinischen Geräten beliebt ist und für Knochenschrauben verwendet werden kann, hat die Verwendung von Titan und einer Reihe von Spezialmetallen, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Vorteile ausgewählt wurden, in den letzten Jahrzehnten zugenommen.

Beispiel:Titan – das in reiner und legierter Version erhältlich ist – wird häufig verwendet, wenn es auf geringes Gewicht und hohe Festigkeit ankommt oder wenn ein Gerät mit einer anderen Titankomponente zusammenpassen oder sich mit ihr verbinden muss. Titanschrauben werden häufig bei der Behandlung von Unterkieferfrakturen verwendet.

Die Titanlegierung Ti-6Al-4V ELI (Titan-6-Aluminium-4-Vanadium mit extra niedrigen Interstitials) ist leicht, korrosionsbeständig, stark und biokompatibel. Strenge Kontrollen während des Schmelzprozesses führen zu einem Material mit zusätzlicher Duktilität und Festigkeit, was Titan ELI zu einer beliebten und langlebigen Wahl für Knochenschrauben und andere medizinische Geräte macht.

Nitinol (NiTi) wird manchmal aufgrund seiner Fähigkeit gewählt, einer hohen Belastung standzuhalten, ohne sich zu verformen. Das bedeutet, dass es für Anwendungen verwendet werden kann, bei denen sich die Knochenschraube oder ein anderes Gerät leicht dehnen und verändern muss, ohne dass es zu einer dauerhaften Verformung kommt.

Andere hochfeste und biokompatible Materialien, die häufig austauschbar bei der Schweizer Bearbeitung von Knochenschrauben und -ankern verwendet werden, sind:

• MP35N ^® und das ähnliche 35N LT ^® (Niedrigtitan), das eine Schmelze von MP35N ist, bei der Spuren von Titan entfernt wurden, was ihm eine bessere Ermüdungslebensdauer verleiht
• L605
• 316LVM
• Elgiloy ^® , Conichrome ^® , und andere Legierungen, die von ASTM F1058 und ISO 5832-7 spezifiziert sind

Oberflächenbehandlung zur Förderung der Osseointegration

Oberflächengüte ist hier bei Metal Cutting ein sehr wichtiges Thema. Bei Knochenschrauben und Swiss Machining ist die Oberflächenbehandlung ein einzigartiges Thema.

Während einige Knochenschrauben vorübergehend sind und daher schließlich entfernt werden, werden die meisten an Ort und Stelle gesetzt, um zu bleiben. Es stellt sich heraus, dass die Oberflächenbeschaffenheit einer Schraube viel mit der Förderung des Knochenwachstums zu tun hat, damit die Schraube fest eingebettet ist und der Knochen um sie herum wächst.

Während Wissenschaftler weiterhin an der Entwicklung spezieller Beschichtungen arbeiten, die zur Förderung der Osseointegration aufgebracht werden können (lesen Sie über ein Beispiel), haben Schraubenhersteller herausgefunden, dass rauere Oberflächen und andere Arten von Oberflächen das Knochenwachstum fördern können.

Die Erfindung des direkten Lasersinterns (auch bekannt als 3D-Metalldruck) ermöglicht es, bisher unerreichte Porositäten zu erreichen, die über eine raue Oberflächenbeschaffenheit hinausgehen und die Osseointegration fördern. Aus diesem Grund könnte die 3D-Fertigung die Zukunft von Knochenschrauben und vielen anderen medizinischen Geräteanwendungen sein.

Die meisten Materialien, die zur Herstellung von orthopädischen Knochenschrauben und Zahnankern verwendet werden, sind jedoch nicht wärmebehandelbar. Stattdessen gewinnen sie ihre Festigkeit durch Kaltverformung, was mit dem 3D-Metalldruck nicht möglich ist.

Das heißt, Sie noch müssen vor dem Lasersintern mit einem in der Schweiz bearbeiteten Stab oder Draht beginnen!

Schweizer Bearbeitung vs. 3D-Laserdruck für Knochenschrauben?

Während 3D-Metalldrucker sagen, dass sie alles können, gehört die Kaltumformung zu den Herausforderungen, die sie meistern müssen, bevor alle Anwendungen für Knochenschrauben 3D-gedruckt werden können. Bis dahin hat die Bearbeitung nach Schweizer Art den Vorteil, mit Kaltarbeitsmaterial als Stangenmaterial zu beginnen.

Die Magie des 3D-Drucks besteht darin, dass er als additiver Prozess Hohlräume erzeugen kann – etwas, das aus Gründen des geringen Gewichts und der Porosität ein Vorteil ist, den die Schweizer Bearbeitung nicht erreichen kann. Bei Gewinden, Löchern, Stufen und anderen Merkmalen, die für die Funktion einer Schraube entscheidend sein können, liefern additive und subtraktive Prozesse jedoch beide das gleiche dimensionale Endergebnis.

Um mehr über die Eigenschaften und Vorteile des CNC-Swiss-Style-Drehens für Ihre zu erfahren medizinische Geräte oder andere Anwendungen, laden Sie unseren kostenlosen Leitfaden Swiss Machine FAQs herunter .