医用高分子材料选择手册

在使用医用塑料时,有一些基本考虑因素:材料生物相容性,机械性能,可加工性,可粘合性,成本和可用性。使用这些基本特征作为起点将帮助您筛选无数可用的塑料,以获得最适合您的设计标准的候选名单。 除了用于设备的材料之外,另一类医用塑料是各类的包装材料。这些塑料不能与内容物中的任何物质发生反应,在灭菌时能够抵抗降解,并拥有尽可能低的成本。

为简单起见,本章将根据常见加工方法介绍一些普通塑料,因为并非所有塑料都适用于所有工艺。 在研发环境中,快速开发,具有成本效益的材料和较短的交付周期是关键考虑因素。

1. 生物相容性

生物相容性的主题可以写几本书,它确实如此。这个概念可以被理解为相对生物相容性,因为每台医疗器械的生物相容性要求都是不同的。例如,与患者(例如仪器盒)没有太多接触的设备,与患者短暂接触的设备相比,与可植入装置相比,与侵入性外科手术装置相比,或连续皮肤接触。每个设备相对于临床使用都要求是生物相容的。在为医疗器械应用选择材料时,生物相容性是第一个也是最重要的考虑因素。如果材料不具有生物相容性,则无论潜在性能如何,都不能使用。可以使用材料的最基本指标是,如果它带有美国药典(USP)VI级或医学级名称,或者如果它由制造商销售,适合医疗用途。设计师有责任确定任何特定材料是否适合其特定应用。

注意:如果材料用于人类使用,则在临床使用之前,必须将适当的生物相容性数据存档。避免在体内或临床前研究中使用工业级或“五金店”材料和粘合剂。优良作法是从一开始就使用医疗级材料。通过这种方式,您可以更自信地构建一个在从基准测试到体内再到临床试验时仍然可用的设备。

所需的生物相容性测试的量随装置的类别,与患者的接触持续时间以及粘膜或血液接触的量而变化。在开始任何人体临床研究之前,请与您的法规事务人员和您的测试实验室讨论这些测试要求。安排并留出足够的时间进行这些测试。优良作法是使用医疗级材料,并且您有信心在进行临床前工作时会通过适当的生物相容性测试。生物相容性测试在材料上以其成品形式进行,经过处理,着色,并将在设备中使用。

2. 生物材料可用性

为了应对由医疗器械制造商的毁灭性判断引发的生物材料临床风险,以及大宗原材料供应商的相关责任风险,美国国会在1998年通过了生物材料准入保障法案。这为医疗器械材料供应商提供了一定程度的保护。一系列基于可疑生物材料的法律诉讼促使一些主要材料供应商退出,不再提供医用材料,尤其是植入材料。随着该法案的通过,情况有所改善。在某些情况下(例如,有机硅),小公司开始介入了供应这些重要生物材料,尽管其成本远高于其工业级等同物。最终,医疗设备制造商有责任确保所使用的材料适合医疗用途,满足适用的法规和生物相容性要求。

3. 材料性能

在这一类别下考虑的是材料的机械性能:刚度或柔韧性,以及耐热性,耐化学性和介电性能等。例如,如果设备用于高压灭菌消毒,则耐热性成为考虑因素。 对于这些应用,可考虑使用耐热的高性能工程塑料,如Ultem PEI(聚醚酰亚胺)或PEEK(聚醚醚酮)。如果需要薄材料中的高介电强度,聚酰亚胺管或薄片可能是一个不错的选择。 如果易于成型和低成本很重要,丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)塑料可能是一个不错的选择。 确定适合您应用的塑料材料,材料性能和加工工艺是重要的选择标准。

4. 加工工艺

一旦找到符合性能和生物相容性要求的塑料,就需要考虑如何将塑料加工成最终形状的问题。 如果一个设备是一次性或低产量的原型,它很可能是从库存形状加工而来的。本章介绍了许多适用于医疗用途且有库存形状的塑料。

要记住的一件事是,如果原型设计证明是成功的,那么就需要考虑扩大生产的策略。从一开始就考虑制造工艺的设计。用于加工零件的材料是否可以以注塑成型的形式提供?或者,您想要注塑成型的塑料吗?塑料是否可以加工到公差和表面光洁度可接受的应用?您是否指定了一种不能进行辐射灭菌或不能以注塑形式提供的塑料?提前规划这些问题将节省时间,费用。

选择用于成型的塑料时的另一个考虑因素是材料成型的难易程度,以获得您想要的部件而没有凹陷,变色或瑕疵。部件是否具有难以填充的薄区域高性能工程塑料更坚固,更耐热,并且具有高耐热性,通常更难以模塑并且价格更昂贵。为应用指定合适的塑料非常重要,而不是过度指定。例如,可以在更昂贵的制造的部件,选用聚碳酸酯,其模具温度更高,而可以在更低的温度和循环时间下以更容易模塑和更便宜的丙烯酸制成。

5. 什么是聚合物?

聚合物是链分子。 Poly表示很多,mer表示单个单元。 聚合物意味着许多单元(聚合物)在一起(例如聚酯)。 在化学中,还有一个寡聚物。 Oligi意味着少数(像寡头)。 因此,寡聚体是少数单位的排列; 单体,一个单元; 聚合物,很多单位。 单体的实例是苯乙烯,甲基和碳酸酯。

5.1 基础知识:热塑性和热固性

塑料的另一个基本区别是塑料材料是热塑性塑料还是热固性塑料。热塑性塑料是可以熔化的热塑性塑料。想象热塑性聚合物分子为意大利面条。分子量较低的那些,如苯乙烯,较短。具有高分子量的那些,如超高分子量聚乙烯(UHMWPE),更长。当你煮一锅意大利面时,面条会变得柔软而柔韧。你可以把意大利面倒入碗里,它的形状就像碗一样。当它冷却时,它仍然保持碗的形状。然后可以将意大利面条重新加热并软化,并形成另一种形状。如果你想得到线状,可以通过一个大漏斗挤压煮熟的意大利面条,你会看到切成细丝的意大利面很容易通过,长串面条很难挤过。塑料加工工艺也类似,例如,苯乙烯是一种短分子,熔化后很容易流动。这使得它成为低成本产品的流行材料,还能保持高细节特征,如苯乙烯汽车和飞机模型。

另一种基本类型的塑料是热固性塑料。这是一种交联的材料。与前面类比中的意大利面不同,其中股线是分开的并且如果加热可以再次流动。交联塑料更像渔网,股线钩在一起。它不能煮沸,像意大利面一样流动。因此,热固性塑料一旦在不可逆的化学反应中交联并形成该分子网络,就不能使其流动或熔化。热固性材料的实例是环氧树脂、浇铸聚氨酯和硅树脂。在制作煮熟的鸡蛋时会发生一种热固性反应的常见例子,其中热量导致鸡蛋中的蛋白质在不可逆反应中从液体变性并交联成固体。

塑料是热塑性塑料还是热固性塑料显然会对材料的加工和成型方式产生很大的影响。热塑性塑料可以熔融和模塑,如注塑成型。热固性塑料通过某种形式的铸造成型。热塑性塑料在冷却时会呈现出它们的形状。当化学反应导致材料交联时,热固性塑料呈现其形状。

5.2 交联热塑性塑料

在用于医疗器械的一些改性塑料中发现的特殊情况是交联的热塑性塑料。在这种情况下,用电离辐射照射热塑性塑料以释放自由基并诱导在热塑性塑料中形成三维交联结构。这种改性可以对塑料材料的性能产生显著影响。该方法在医疗器械中的常见应用包括用于血管成形术球囊的辐照聚酯管和用于关节植入物的辐照UHMWPE。辐射交联允许材料像热塑性塑料一样被加工,然后被赋予热固性材料的特性。 Modified Polymers Corporation(Sunnyvale,CA)为医疗器械行业提供这些材料改性服务。

请注意,辐射灭菌会导致某些聚合物意外交联,变硬或脆化。有关详细信息,请参阅本章中有关塑料灭菌效果的部分

6. 什么是医疗级塑料?

首先,并没有食品和药物管理局(FDA)批准的材料。这是用词不当,因为FDA不批准材料。FDA为制造商提供材料合规性规定和指导。但有USP,国际标准化组织(ISO)和符合FDA标准的材料。这些是按照特定法规和标准制造的材料.

USP负责在美国建立法律认可的药品和其他健康相关产品的产品标准。在20世纪60年代,针对用于药品容器和封闭件的塑料材料建立了方法和要求,并且这些随后被医疗设备制造商采用。USP测试测量塑料与哺乳动物细胞培养物(体外)接触的生物反应性,并通过植入和注射提取物进入实验室动物(体内)。塑料分为六类中的一类,每类需要不同级别的测试。USP Class VI需要进行最广泛的测试。并非所有塑料制造商都愿意承担将材料测试到这个水平的费用;因此,符合此类别的材料数量可能会受到限制。

USP没有根据其公布的方法规范测试塑料的合规性或认证。FDA已采用USP规定的一些测试方法进行医疗器械的检测。

无论何时在人体使用的医疗器械中使用塑料,即使其被宣传为USP VI材料,制造商仍需根据与患者接触量相关的标准对其进行测试。表1.1描述了许多患者接触的情况。这是因为有几个因素,例如着色剂的添加、加工以及塑料与其他材料和粘合剂的结合使用,都会影响材料的生物相容性特性。

即使在其他医疗器械中使用相同的材料,也需要进行这些测试。然而,使用已经在另一种医疗设备中使用的材料(已知已通过生物相容性测试)可以有所帮助,因为您可以对该材料在您的应用程序中通过测试有一定的信心。

此外,如果材料的任何部分发生变化,例如在注塑部件中添加着色剂或填料,即使塑料已经在其天然状态下进行了测试,也需要对该材料组合进行测试,并且即使添加剂已经单独测试过。同样,设计师和制造商有责任确定特定材料是否适合其特定用途。

7. 寻找塑料

在成百上千的商品名下,似乎有无数种塑料。 这些材料可以方便地在Matweb的“Polymer Trade Name”部分进行分类。(http://www.matweb.com/search/SearchTradeName.asp)。 此工具可以帮助您找到您感兴趣的材料的制造商,以及商品名称材料的组成。 http://Plastics.com还有一份按商品名和成分列出的材料清单(http://www.plastics.com/tradenames.php)。塑料经销商(Port Plastics,Westlake Plastics,Polymer Plastics Corporation,Boedeker Plastics)在选择和采购塑料材料时也是很好的信息来源。

8. 工程塑料

这类塑料由易于加工的形状的材料组成。这些塑料相对于重量往往成本较高,因为大多数材料在加工过程中会因碎屑而损失。

本章列出了一些适用于加工的更容易获得的材料,这些材料以符合FDA标准的等级销售。这些材料与塑料供应商一起列为工程塑料。请咨询您的供应商,以确保您订购的材料符合FDA的标准,符合您的预期用途。并非所有这里列出的塑料都有USP VI级等级。然而,如果该应用不涉及患者接触或用于患者接触的液体通过,则这不是问题。我们还列出了一些高性能工程塑料。这些适用于特殊要求的应用。与通用塑料相比,这些塑料的成本可能非常高。

大多数库存形状的塑料只有天然色(通常是奶油色),透明,黑色或白色。 库存通常没有彩色塑料。例外的是聚氯乙烯(PVC)棒和丙烯酸板以及一些尼龙材料。

位于加利福尼亚州芒廷维尤市的Polymer Plastics Corporation有一个在线目录,其中包含每种标准形状的报价功能(参见http:// http://www.polymerplastics.com)。 在选择具有成本效益的材料以及规划和预算原型制造或短期制造项目时,这可能是一个非常有用的工具。

德克萨斯州Shiner的Boedeker Plastics提供有关医疗和食品加工用塑料的广泛信息(参见http://www.boedeker.com/agency.htm)。

8.1工程塑料列表

1. acrylonitrile-butadiene-styrene丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)

三元共聚物由SAN(苯乙烯 - 丙烯腈)和丁二烯合成橡胶制成。SAN(苯乙烯 - 丙烯腈)赋予ABS硬度和表面光洁度,丁二烯赋予其韧性。通常可用塑料制成4英寸厚的板材和直径达6英寸的棒材,它可以很容易地粘合和层压,形成较厚的板材和组件。由于其合理的成本和易于加工,它是计算机数控(CNC)制造原型的流行材料。

Rod: 0.250 to 6.000 inches

Sheet: 0.062 to 0.250 inches

Plate: 0.250 to 4.000 inches

Standard color: Natural (cream), black

2. acrylic丙烯酸树脂

丙烯酸树脂实际上是最早的医疗器械塑料之一,并且仍然常用于间变修复体的成型。*丙烯酸基本上是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。它是标牌和业余爱好商店中最容易获得的塑料之一。它坚固,清晰,可加工,可粘接。粘合丙烯酸的一种常用方法是与氯甲烷的溶剂粘合。丙烯酸有几乎无限种类的棒,片和板形状,以及各种颜色。丙烯酸树脂特别适用于光管和光学应用。

我工作的一个项目需要一个直径12英寸的透明管,用于需要清晰观察的高压舱。我能够找到这种形状,预制成丙烯酸,适当的壁厚,并在丙烯酸制造车间以合理的成本制造零件。

用于标牌和展示的丙烯酸树脂可用于台架测试和原型; 但是,在任何临床试验中使用之前,必须注意确定医疗级版本。商业级丙烯酸树脂可能含有紫外线(紫外线)抑制剂,用于耐候性,阻燃剂,抗冲改性剂和其他不适合临床使用的化学品。

3. polyvinylchloride聚氯乙烯(PVC )

PVC有刚性和柔性两种形式,具体取决于是否添加增塑剂。PVC通常用于水管。PVC的主要缺点是耐候性差,冲击强度相对较低,并且热塑性片材的重量相当高(比重为1.35)。它容易划伤或损坏,并且具有相对低的热变形点(160)。未增塑PVC以两种主要配方生产:I型(耐腐蚀性)和II型(高冲击力)。I型PVC是最常用的PVC,但在要求比I型提供的冲击强度更高的应用中,II型具有更好的抗冲击性能,并且耐腐蚀性略有下降。在需要高温配方的应用中,用于高纯度应用的聚偏二氟乙烯(PVDF)可用于约280°F。

Rod: 0.250 to 12.000 inches

Sheet: 0.032 to 2.000 inches

Hollow bar: From 0.562 inches inner diameter (I.D.) to 0.625 inches outer diameter (O.D.)

Hex bar: 0.432 to 2.000 inches

Standard color: Gray, white, clear

PVC棒可从Gehr Plastics(http://www.gehrplastics.com/products/pvc/pvc.htm)获得,有10种不同的颜色,直径可达6英寸。

注意:PVC是少数有几种颜色的库存形状的工程塑料之一。

4. polycarbonate聚碳酸酯(PC)

聚碳酸酯(PC)是一种非常坚韧的塑料,通常以商品名Lexan销售。 它是最坚韧的透明塑料。它对原型医疗设备非常有用,特别是如果要使用UV固化粘合。 它有棒,板和片材两种。它很容易结合。虽然单独或组合使用PC的十几种性能特征,但最常依赖七种。它们具有高冲击强度,透明水透明性,良好的抗蠕变性,宽广的使用温度范围,尺寸稳定性,耐磨性,硬度和刚性,尽管具有延展性。

PC通过辐射灭菌容易变色,但有辐射稳定等级可用。

Rod: 0.250 to 6.000 inches

Plate: 0.375 to 4.000 inches

Sheet: 0.030 to 0.500 inches

Film: 0.003 to 0.030 inches

Tubing: 0.250 inches I.D. to 4.000 inches O.D.

Standard colors: Optical clear, black, gray

5. polypropylene聚丙烯(PP)

PP是一种重量轻,价格低廉的聚烯烃塑料,熔点低,因此非常适合热成型和食品包装。 PP易燃; 因此,如果需要耐火性,请寻找阻燃(FR)等级。PP耐弯折,俗称“百折胶”,需要弯折的应用,可以选用PP。

Rod: 0.250 to 14.000 inches

Sheet: 0.060 to 2.000 inches

Tubing: From 0.060 inches I.D. to 2.000 inches O.D.

Standard color: Opaque white, natural

6. polyethelene聚乙烯(PE)

聚乙烯(PE)是食品包装和加工中常用的材料。UHMWPE具有高耐磨性,低摩擦系数,自润滑性,不粘附表面和优异的耐化学疲劳性。它还在极低温度下保持高性能(例如,液氮,-259℃)。UHMWPE在185°F左右开始软化并失去其耐磨性。由于UHMWPE在温度变化时具有相对较高的膨胀和收缩率,因此不建议在这些环境中进行精密公差应用。

由于其高表面能,非粘附表面,PE可能难以粘合。组件最容易与紧固件,干涉或卡扣配合在一起。乐泰公司生产氰基丙烯酸酯粘合剂(CYA)(LoctitePrism 表面不敏感的CYA和底漆),用于粘合这些类型的塑料。

UHMWPE也用于骨科植入物,取得了巨大成功。 它是全髋关节置换术中髋臼杯中最常用的材料,也是全膝关节置换术中胫骨平台组件中最常见的材料,适用于高度抛光的钴铬合金。*请注意,适合骨科植入物使用的材料是特种材料,而不是工业版本。医用级UHMWPE由Westlake Plastics(Lenni,PA)以商品名Lennite销售。

7. acetal缩醛 (POM)

杜邦的Delrin是最知名的缩醛之一,大多数设计师都用这个名称来称呼这种塑料。缩醛由甲醛合成。乙缩醛最初是在20世纪50年代初开发的一种坚韧,耐热的有色金属替代品,俗称“赛钢”。它是一种坚韧的塑料,具有低摩擦系数和高强度。

Delrin和类似的缩醛很难粘合,最好是机械组装。 Delrin通常用于机加工医疗设备原型和紧密公差夹具。它具有高度可加工性,因此非常适用于需要强度,耐化学性和符合FDA标准的材料的机加工设备原型。

Delrin的一个缺点是它对辐射灭菌的敏感性。这往往会使缩醛变脆。如果辐射消毒,卡扣配合,塑料弹簧机构和负载下的薄切片可能会破裂。如果要对乙缩醛部件进行灭菌,请考虑使用EtO,Steris或高压灭菌器,具体取决于设备是否包含任何敏感组件,如电子设备。

Acetals由Westlake Plastics,BASF和Celanese销售。杜邦销售改进的缩醛,DelrinII,具有改进的性能。 Westlake Plastics以商品名Pomalux销售符合FDA标准的牌号。

8. nylon(polyamide)尼龙(聚酰胺,PA)

尼龙有6/6和6/12配方可供选择。尼龙坚韧耐热。标识符6/6和6/12是指聚合物链中的碳原子数; 6/12是一种具有更高耐热性的长链尼龙。尼龙不像ABS或Delrin(POM)那样可加工,因为它往往会在可能需要去毛刺的部件边缘留下粘性切屑。

尼龙6,最常见的是铸造尼龙,最初是在第二次世界大战之前由杜邦公司开发的。然而,直到1956年,随着化学化合物(助催化剂和促进剂)的发现,铸造尼龙才具有商业可行性。采用这种新技术,聚合速度大大提高,实现聚合所需的步骤减少。由于加工限制较少,铸造尼龙6提供了最大尺寸和任何热塑性塑料定制形状之一。铸件有棒材,管材,管材和板材。它们的尺寸范围从1磅到1磅到400磅不等。Hydlar是一种高性能的尼龙6/6,采用Kevlar纤维增强,用于轴承和衬套。注意:这种填充和纤维增强塑料通常不符合FDA标准。

Rod: 2.00 to 20.000 inches

Plate: 0.250 to 4.000 inches

Tubular bar: From 2.00 to 20.000 inches O.D.; unlimited I.D.

9. fluorinated ethylene propylene氟化乙烯丙烯(FEP)

氟化乙烯丙烯(FEP)具有四氟乙烯(TFE)(聚四氟乙烯[PTFE])的所有理想特性,但具有较低的存活温度200℃(392℉)。与PTFE不同,FEP可以通过常规方法注塑成型并挤出成棒材,管材和特殊型材。这成为优于PTFE的设计和处理优势。可提供高达4.5英寸的棒材和高达2英寸的板材,FEP在辐射灭菌下的性能略优于PTFE。

高性能加工工程塑料

注意:这些高性能工程塑料的可用性(特殊订单)可能更受限制。有些也可能相当昂贵。

10. Ultem polyetherimide,ultem 聚醚酰亚胺(PEI)

Ultem 1000是一种热塑性聚醚酰亚胺高热聚合物,由通用电气公司设计,用于注塑加工。通过开发新的挤出技术,A. L. Hyde,Gehr和Ensinger等制造商生产各种型号和尺寸的Ultem 1000。Ultem 1000结合了卓越的可加工性,与高热应用中的PES,PEEK和Kapton相比具有成本节约优势(连续使用至340°F)。Ultem耐高压灭菌。

11. PEEK 聚醚醚酮

Polyetheretherketone(PEEK)是Victrex plc(英国)的商标,是一种结晶高温热塑性塑料,具有出色的耐热性和耐化学性以及出色的耐磨性和动态疲劳性。建议用于需要高连续工作温度(480°F),暴露在火焰中的烟雾和有毒烟雾排放极低的电气元件。

PEEK符合Underwriters Laboratories(UL)94 V-0要求,0.080英寸。该产品对γ辐射具有极强的抵抗力,甚至超过了聚苯乙烯的耐受性。唯一可以攻击PEEK的常用溶剂是浓硫酸。PEEK的耐水解性非常出色,可在高达500°F的蒸汽中运行。Victrex plc通过其Invibio子公司密切支持医疗设备制造商。它为医疗器械制造商提供植入级PEEK-OPTIMA�和医用级PEEK-CLASSIX聚合物。

12. PTFE(聚四氟乙烯)

TFE或PTFE(聚四氟乙烯),通常称为Teflon,是氟碳类中的三种氟碳树脂之一,完全由氟和碳组成。该组中的其他树脂,也称为Teflon,是全氟烷氧基碳氟化合物(PFA)和FEP。

结合氟和碳的力一起提供了紧密对称排列的原子中最强的已知化学键之一。这种粘合强度加上链构型的结果是相对致密的,化学惰性的,热稳定的聚合物。TFE抵抗热量和几乎所有化学物质的攻击。除少数外来物种外,它不溶于所有有机物。它的电气性能非常好。虽然它具有高冲击强度,但与其他工程型热塑性塑料相比,其耐磨性,抗拉强度和抗蠕变性低。

TFE具有所有固体材料的最低介电常数和最低耗散因数。由于其强大的化学连接,TFE对不同分子几乎没有吸引力。这导致摩擦系数低至0.05。虽然PTFE具有低摩擦系数,但由于其低抗蠕变性和低磨损性,因此不适合用于承重骨科应用。 John Charnley爵士在20世纪50年代后期的全髋关节置换术的开创性工作中发现了这个问题。*

注意:含氟聚合物(TFE和PTFE)对辐射灭菌敏感。PTFE显然很难粘合;然而,化学或等离子体蚀刻可用于产生可粘合表面。

13. polysulfone and polyphenylsulfone 聚砜和聚苯砜,英文名Polysulfone(简称PSF或PSU)

聚砜最初由BP Amoco开发,目前由Solvay Advanced Polymers,S.A。(布鲁塞尔,比利时)以商品名Udel制造。聚苯砜以商品名Radel出售。聚砜是一种坚韧,刚性,高强度的透明(浅琥珀色)热塑性塑料,可在-150°F至300°F的宽温度范围内保持其性能。设计用于FDA认可的设备,它也通过了USP VI级(生物)的所有测试。它符合国家卫生基金会的饮用水标准,最高可达180°F。聚砜具有非常高的尺寸稳定性。在300°F下暴露于沸水或空气后,线性尺寸的变化通常为1%或更小的十分之一。聚砜对无机酸,碱和盐溶液具有很高的耐受性;即使在中等应力水平下的高温下,对洗涤剂和烃油的耐受性也是良好的。聚砜不耐极性有机溶剂,如酮,氯代烃和芳烃。Radel用于需要高耐热性和高冲击强度的仪器托盘,用于医院高压灭菌器托盘应用。聚砜工程树脂结合了高强度和长期耐重复蒸汽灭菌。这些聚合物已被证明是不锈钢和玻璃的替代品。医用级聚砜具有生物惰性,在灭菌过程中具有独特的长寿命,可以是透明或不透明的,并且对大多数常见的医院化学品具有耐受性。

Polyimide Rod and Sheet (Vespel,Kapton)聚酰亚胺棒和片(PI)

Vespel是一种石墨填充的聚酰亚胺材料,用于极端维修轴承。 它不是符合FDA标准的材料。

未经改性或用玻璃纤维或其他改性剂如PTFE,硫化钼(MoS)或石墨改性的Ryton(聚苯硫醚)主要用于结构部件。 特点是高刚度,极高的使用温度(高达600°F),优异的耐化学性和优异的电气性能。在改性和未改性形式中,Ryton表现出优异的可加工性,通过研磨和研磨可以实现光学表面处理。

注意:这些类型的填充和纤维增强塑料通常不符合FDA标准。

9. 常用注塑和挤出材料

注塑和挤出塑料具有最广泛的材料和性能。它们可以在几乎无穷无尽的组合中定制复合。 在选择材料时,一个好的规则是使用易于获得的塑料,其具有适合其使用的经证实的生物相容性,并且满足机械设计和装配要求。大多数用于加工形状的机械塑料是热塑性塑料,可以注塑成型颗粒形式提供。

注塑工艺几乎适用于任何热塑性塑料。导管挤出通常由更柔软的塑料制成,如Pebax聚氨酯,PVC尼龙,热塑性弹性体(TPE)和FEP。在需要更多推动性和导管扭转性的情况下,可以使用刚性塑料(例如PEEK)挤出。 通过使用更薄的壁部分实现这些更硬的塑料在挤压中的灵活性。

注意事项:

注塑成型塑料的一个问题是塑料制造商倾向于以最小的数量销售他们的材料。例如,Dow的Magnum ABS的最小订购量为760千克这在研发环境中很难管理,特别是如果您要成型相对较少量的小尺寸零件。管理此问题的一种方法是申请大多数制造商提供的20或50磅样品。另一个是与专注于医疗成型的注塑成型供应商打交道。他们可以随时保存普通库存材料的纸箱,以便为具有较小材料要求的客户进行细分。在选择注塑成型材料时,重要的是要有一种符合设计要求但不过度设计的材料。选择具有比您需要的更多属性的材料可能导致更高的材料成本,更长的循环时间以及可能更少美观的部件。这会增加成本并侵蚀利润,特别是对于一次性使用的一次性用品。仔细选择材料也很重要,因为不同的材料具有不同的收缩因子,并且如果材料发生变化,将从同一模具中产生略微不同尺寸的部件。

使用仅在注塑颗粒中使用的塑料的方法是使用由您想要使用的材料制成的定制挤出。可以从材料样品制造许多英尺的挤出物。这允许使用可以加工成原型的材料。

在评估塑料材料的候选者时,请务必查看医疗应用中使用的制造商材料的示例应用。这不仅可以帮助您确定材料是否适合您的应用,而且您可以找到创新的方法来使用您之前未考虑过的这些材料。

在下面的部分中,描述了一些用于模塑的更常见的医用塑料。

通用塑料

ABS

ABS(丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯)是最常用的注塑成型塑料。 ABS是一种两相聚合物混合物。 SAN的连续相赋予材料刚性,硬度和耐热性。 ABS的韧性是亚微观上精细的聚丁二烯橡胶颗粒均匀分布在SAN基质中的结果。

ABS是一种多功能,低成本的塑料,具有高加工性,优异的表面光洁度和韧性。 它可以防止流痕和针织线形成瑕疵,即使是更难以处理的零件几何形状。

医用级ABS由Dow Chemical的Magnum称销售,* Bayer Plastics的Lustran 和GE的Cycolac 销售。

PC/ABS

PC / ABS是ABS和PC的多功能混合物。 它特别适用于需要高冲击强度的模制外壳和零件。 ABS组件使材料更具可塑性,并且PC提供高韧性。PC / ABS比ABS更昂贵,虽然可高度模塑,但它不像普通ABS那样可塑。 在零件设计中需要更加小心,以避免流动和编织线。

PC / ABS可从Bayer Plastics的Bayblend 材料,GE的Cycoloy 混合物和DowasEmerge 中获得。

Acrylic丙烯酸树脂PMMA

用于注塑的丙烯酸树脂具有多种性能,这取决于基础PMMA的改性剂,共聚合和合金化。

在要求不高的应用中,丙烯酸树脂可以成为具有吸引力且经济高效的PC替代品。 它具有较低的热变形性能; 然而,这意味着它也可以在较低的温度下进行模塑,从而可以更好地填充薄壁和复杂的零件。丙烯酸是水清澈的,具有优异的光学性能,以及耐酒精和脂质。不同于PC,它在伽玛灭菌下会变黄,丙烯酸呈现蓝绿色。

用于医疗器械注射成型的丙烯酸由Cyro Corporation以商品名Cyrolite丙烯酸基多聚物和Cyrex丙烯酸 - 聚碳酸酯合金销售。

Polycarbonate聚碳酸酯

PC是医疗设备中的主力材料之一。 它清晰,坚韧,并且容许各种灭菌方法。 因为它很清楚,它特别适合与UV固化粘合剂组装。PC是一种流行的材料,用于模塑较小的设备,如鲁尔配件和旋塞阀体。

PC在辐射灭菌下会变黄。这些应用可提供辐射稳定等级的PC。

PC以商标名销售,商品名为Markolon 和Apec ,来自Bayer,DowCalibre,Zelux来自Westlake,以及GE Lexan。

Polyethelene聚乙烯

PE是一种易于模塑的塑料,具有出色的表面润滑性和柔韧性。高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)用于流体配件,旋塞阀和注射器体。它非常适合搭扣,但不易粘接。

Polyolefin聚烯烃

聚烯烃是吹塑应用中常见的塑料。它在很宽的温度范围内都非常灵活。它也是用于模制玩具的流行材料,尤其是旋转模制的玩具(例如Little Tikes)。 它是一种低表面能塑料,很难粘合。聚烯烃也用于电子工业中使用的大多数热缩管中。Texloc公司(德克萨斯州沃斯堡)生产医用级聚烯烃热缩管。

Styrene苯乙烯 弹性体 弹性塑料

指定弹性体时,需要平衡性能。例如,在挤压导管中,在推动性,柔韧性,可扭转性和润滑性之间存在平衡。通常,塑料越软,表面粘性越高,导管将更柔软,更柔韧,但润滑性更差,推力更大。除了提供射线不透性之外,诸如钡的填充剂可以改善弹性导管的润滑性。

TPE((Thermoplastic Elastomer)热塑性弹性体材料)在模制橡胶类零件时很有用。一些TPE具有优异的性能,使其成为某些应用中替代热固性有机硅的候选材料。以下是一些较常见的TPE。

Polyurethane聚氨酯

聚氨酯(PU)是可以以热塑性或热固性形式存在的材料。PU是二异氰酸酯和二胺的产物,由Otto Bayer及其同事于1937年发明。热塑性PU用于薄膜应用,例如热封袋,并且是用于挤出软导管的常用材料。PU具有高度通用性,可用于模塑和挤出固体塑料,以及聚氨酯泡沫,包括开孔和自粘。PU是导管制造中最常用的塑料。

PU是用于模型制造应用的常见刚性铸造材料,以及用于浸渍成型和铸造原型橡胶部件的双组分混合物。

Synbone(瑞士)是一种创新的PU用途,是一种用于训练整形外科医生的注塑骨模型,由BayerBaydur60 制成。

医用热塑性PU以商品名出售,包括Pellethane(Dow Chemical); Baydur(拜耳); Tecoflex,Tecothane,Tecophillic和Carbothane(Noveon Thermedics,Wilmington,MA);和Chronoflex(Cardiotech Inc.)。诸如Pellethane之类的PU不会增塑以实现其柔韧性,使得它们适用于可萃取的增塑剂的浸出可能导致生物相容性问题的情况。

Kraton

Kraton是由德克萨斯州休斯顿的Kraton公司制造的苯乙烯嵌段共聚物。 Kraton是一种可模塑的TPE塑料,具有非常广泛的硬度和性能。 Kraton苯乙烯类TPE由GLS公司(McHenry,IL)以Versaflex Versaloy和Dynaflex品名复合用于医疗和消费者应用。 这是一系列基于Kraton苯乙烯TPE的材料,它们具有各种硬度和表面粘性,从3 Shore A到80 Shore A.这些材料特别适用于包覆成型应用,其等级适用于许多医疗应用。 GLS Kratons特别适合

包覆成型为难以粘合的烯烃基材。

K-Resin

K-Resin是Chevron-Phillips Chemical生产的苯乙烯 - 丁二烯橡胶共聚物(SBC)系列。 它被用于许多一次性医疗设备,玩具和食品包装应用中。

Monoprene

Monoprene由Teknor Apex公司生产,该公司成立于1924年,总部位于罗德岛州Pawtucket。单片TPE是由饱和苯乙烯嵌段共聚物橡胶和热塑性烯烃树脂组成的通用TPE族。Monoprene的柔软度范围从凝胶到90 Shore A. Monoprene用于复苏袋和其他需要符合FDA标准的橡胶材料的应用。

Pebax

Pebax是一种高度通用的聚醚嵌段酰胺系列,不含增塑剂的热塑性弹性体。 Pebax已被用于高性能工业制品,医用纺织品和体育用品。它由Arkema集团(法国)制造。

它是导管挤出中比较常见的材料之一。它易于粘合,易于在二次加工中形成,例如扩口和倾斜,并且容易从用脱模剂预处理的玻璃模具中释放。

Polyvinylchloride聚氯乙烯

PVC 具有刚性(非增塑)和柔性(塑化)形式。它是一次性医疗器械的常用商品塑料,尤其是管材。一种常见类型的PVC管是Tygon,由Saint-Gobain(法国)的子公司Norton Performance Plastics制造。在欧洲联盟和激进组织提出对邻苯二甲酸酯类增塑剂†(邻苯二甲酸二乙基己酯[DEHP])的关注之前,已有近60%的一次性医疗器械发现了PVC。对医用DEHP增塑PVC的担忧是其在焚烧时可能释放氯,以及涉嫌健康问题。一些PVC的另一个潜在缺点是它们对P-20钢注塑模具的腐蚀性。

Saint-Gobain已将DEHP从其PVC管材中移除,其他制造商已在其设备中寻找PVC的替代品。然而,PVC具有一组理想的性质,例如透明度,可灭菌性和经济性。供应商现在提供不含DEHP的PVC用于医疗用途。

用于模塑的非DEHP增塑的PVC可以商品名Flexchem从Colorite Polymers获得。 Solmed和Solcare可从Solvay-Draka获得。

Ethylene Vinyl Acetate乙烯醋酸乙烯酯

乙烯醋酸乙烯酯(EVA)在薄膜应用中用作PVC的替代品,其中需要避免使用增塑剂。 EVA薄膜由Solvay-Draka在其Solmed薄膜生产线中生产。

10.热固性材料

10.1 Santoprene 热塑性硫化橡胶TPV

Santoprene是一种热固性橡胶材料,可通过注塑成型加工,由Exxon-Mobil生产。Santoprene特别适用于耐磨性很重要的场合,例如,注射器针头、蠕动管、密封条和垫圈等。它被称为热塑性硫化橡胶(TPV)。山都平和其他硫化橡胶通常是黑色的。 这是由于添加了炭黑,这种材料可以阻挡紫外线并保护橡胶免于降解。 山都平通常用于汽车内饰,手柄,橡胶盖和保险杠。

10.2 Silicone有机硅

有机硅是硅和碳的聚合物,于20世纪40年代首次在康宁与通用电气的合资企业中成功商业化。它非常稳定,非常耐热,几乎是惰性的,并且被身体很好地耐受(尽管在某些整容手术应用中使用的诉讼受到了严厉的压力)。有机硅用两种催化剂体系中的一种固化,过氧化物固化或铂固化。有机硅用于管材,密封件和假肢。在RTV(室温硫化)形式中,它是用于生产短版原型和生产的橡胶模具的常用材料。有机硅主要由较小的供应商提供给医疗行业。NuSil(Carpenteria,CA)是医疗器械行业有机硅的主要供应商。

10.3 Polyisoprene聚异戊二烯

聚异戊二烯是天然橡胶的合成版本,最初由玛雅人和阿兹特克人从三叶胶树中收获。它由齐格勒 - 纳塔乙烯基聚合反应聚合而成。聚异戊二烯用于气球,注射器、灯泡和其他浸渍模塑装置。

10.4 Nitrile丁腈

腈是橡胶手套中乳胶的常用替代品。它没有胶乳的伸长,但没有潜在的过敏性乳胶蛋白单体。腈是由丙烯腈,丁二烯和羧酸组成的三元共聚物。它像乳胶一样加工成乳液。与乳胶或聚异戊二烯相比,腈具有优异的耐油脂性能。

10.5 Latex乳胶

乳胶是一种天然蛋白质,来自生长在东南亚多雨高原地区的橡胶树的树液。它在薄膜应用中很有用,例如手术手套,避孕套和其他屏障装置。对乳胶过敏的担忧导致在许多医疗设备中消除了天然橡胶胶乳,并且许多制造商将认证含有弹性体的产品不含乳胶。

乳胶用作薄膜,通常用于浸渍成型。这就是手套和避孕套的生产方式。乳胶通常涂有玉米淀粉粉末以防止自粘附。使用时,该粉末成为外科应用中潜在污染的进一步来源。乳胶具有出色的抗撕裂性,伸长率和弹性回复性。液体胶乳是胶基单体胶束的水基胶体,其在干燥时聚合。TAP Plastics和Douglas以及Sturgess(旧金山的艺术家和雕塑家供应商)提供手套式模具制造和浸渍成型的液态乳胶。虽然在医疗器械中使用有问题,但容易获得的天然乳胶是用于原型化浸渍模塑膜,气球和橡胶尖端和保险杠的非常有用的材料。在测试中获得的结果应该接近合成聚异戊二烯可以达到的结果。

11. 用于成型的高性能工程塑料

polyetherimide(pei),ultem,peek,polysulfone聚醚酰亚胺(PEI),ULTEM,PEEK,聚砜

当需要优异的强度和耐热性时,这些材料可以颗粒形式用于注塑成型。 这些材料的商品名称,属性和制造商在本章前面已有描述。

请记住,一些工程塑料每磅材料也可能非常昂贵。 在设计具有成本效益的一次性装置时,重要的是不要过度指定塑料并且不要有比它需要的更昂贵的部件,这也可能更难以模塑。

如果要重复使用产品并经受高温灭菌,或具有其他高性能要求,工程塑料可以成为成型或机加工金属部件的非常有吸引力的替代品。

特种塑料材料表格

11.1 PTFE

PTFE的挤出是一种特殊工艺,因为所需的高热量和含氟聚合物材料的流变性困难。 铁氟龙管通常可用作电子线路的护套。 一些用于医疗级PTFE管的供应商是Zeus(Orange,NJ)和Texloc(Shiner,TX)

11.2 Expanded PTFE膨胀聚四氟乙烯

特殊形式的PTFE是拉伸或膨胀PTFE(EPTFE)。该材料最初由W.L.Gore&Associates开发并以商品名Gore-Tex销售。这产生了一种柔韧,血液相容的PTFE,并且可以作为内膜组织向内生长的支架。EPTFE可以从WL Gore(纽瓦克,德国),Zeus(Orange,NJ),Impra,CR Bard的一个部门获得(亚利桑那州凤凰城和国际聚合物工程公司(亚利桑那州坦佩)。 EPTFE用作导管的高度润滑衬垫,用于热消融装置的润滑和柔性耐热衬垫,密封件和垫圈,低摩擦导管衬垫和血管移植材料,其允许内皮向内生长,并且具有脉动扩张的循环和血流收缩。ePTFE具有很高的耐热性。用于血管移植物的ePTFE可从Impra和Atrium(C.R.Bard的分部)和W.L.Gore获得。其他EPTFE形状可从Zeus Corporation和International Polymer Engineering获得。

12. 薄片和薄膜和泡沫塑料

12.1 Polyethyleneterephthalate (Pet) AndPolyethylene terephthalate Glycol(PetG)聚对苯二甲酸乙二醇酯(Pet)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PetG)

PET和PETG是用于真空成型的医用泡罩包装和托盘的流行薄膜和片材,用热封的Tyvek盖子封闭。 PETG薄膜通常用硅树脂涂层处理以防止粘附,同时托盘部件在运输过程中嵌套在一起。

PETG薄膜以KlcknerPentaplast名称和BPChemicalBarex销售。

12.2 Tyvek

Tyvek是杜邦公司开发的非织造烯烃纤维织物。 它在医疗包装中特别有用,因为材料的网状物是透气的并且允许气体分子(例如环氧乙烷灭菌气体)通过,但是是对大尺寸微生物的屏障。 特卫强薄,防水,非常抗撕裂

12.3 PVC and Polyethelene FilmPVC和聚乙烯薄膜

聚乙烯和聚乙烯薄膜广泛用于装袋和包装应用,尤其是热封袋和外壳。

12.4 Polyester Film (Mylar)聚酯薄膜(Mylar)

聚酯薄膜是第一个成功的高压血管成形术球囊上使用的材料。聚酯具有可挤出成非常薄的管并且不符合要求的性质,这意味着它不会伸展成球形,例如乳胶球囊。使得一个装置可以扩张到略大于血管,并且不再增加,同时保持高压以重塑动脉斑块并通过扩张恢复血流。 薄聚酯管用于吹制各种医用球囊。 它也可以被照射以改变其性质。

Mylar最初由杜邦公司开发。 聚酯管在医疗设备中也非常有用,例如非常薄的壁收缩管以及气球储存管。 该聚酯管由Advanced Polymers(Salem,NH)制造。

12.5 Polyimide聚酰亚胺

聚酰亚胺是一种独特的热固性材料,既是绝佳的绝缘体又非常耐热。 它还能抵抗大多数化学品的侵袭。 它通常以管材形式提供,可以在特别薄的壁上制造。 它也可以制成极小直径的管子。 薄膜中的聚酰亚胺非常柔韧且耐疲劳。 它通常用于柔性电路应用和非常薄且坚固的导管。 聚酰亚胺管由Microlumen Company(Tampa,FL)提供,并由Putnam Plastics(Dayville,CT)定制共挤出。

12.6 Styrene Butadiene Rubber Foam and Elastic Fabric (Wetsuit Material)苯乙烯丁二烯橡胶泡沫和弹性织物(潜水服材料)

支撑和包裹中的常见材料是潜水服材料,其是一层橡胶或TPE泡沫,外层为Spandex尼龙弹力织物。 这种泡沫有两种基本形式,一种是用于抗紫外线耐用潜水服的氯丁橡胶热固性橡胶泡沫材料,另一种是用于低成本消耗品和一次性应用的丁苯橡胶(SBR)混合物,以及带衬垫的袋子和盖子。 一种有用的SBR泡沫材料形式具有弹力尼龙织物侧面和钩子兼容的毛绒侧面。 这样就可以用带钩的Velcro标签封闭带子和包裹物。

12.7 Foam Sheet Material泡沫板材料

另一种类型的塑料泡沫材料是聚烯烃泡沫。 这是在几种类型的导电垫上构建导电水凝胶背衬的常用材料,例如用于射频(RF)电外科,心电图(EKG)和除颤器垫的粘合电极垫

(聊城荣恒医疗器械有限公司)