Technika medyczna: gotowa do seryjnej produkcji z tworzywa sztucznego

(Bild: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Przezroczystość jest jednym z najważniejszych kryteriów przy wyborze tworzyw sztucznych do elementów medycznych. Przezroczyste pokrywy – tak jak te ułożone na zdjęciu – umożliwiają procesy analityczne za pomocą mikroskopii, techniki kamerowej lub pomiarów fluorescencyjnych. (Zdjęcie: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Małe kawitacje w kartridżu Lab-on-a-Chip (po prawej na zdjęciu): Skomplikowane i delikatne geometrie, takie jak ta, mogą być wydajnie produkowane dzięki precyzyjnym technikom narzędziowym i określonym tworzywom sztucznym w procesie wtrysku. (Zdjęcie: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Tworzywa sztuczne są poszukiwanym materiałem w medycynie. Zaczyna się od produktów opakowaniowych, np. zewnętrznych elementów penów insulinowych, przez elementy diagnostyczne, które mają kontakt z substancjami, które następnie są usuwane, aż po produkty, które mają kontakt z substancjami, które później są wprowadzane z powrotem do ciała. W zależności od zakresu zastosowania istnieją różne regulacje i zatwierdzenia dla tworzyw sztucznych, które są określane jako Medical Grades. Podstawowe wymagania dla Medical-Grades-Kunststoffe to pełna identyfikowalność używanych produktów i surowców, biokompatybilność, odporność chemiczna, możliwość sterylizacji oraz niezawodność dostaw.

Chociaż tworzywa sztuczne później dominują w produkcji seryjnej, produkty na etapie rozwoju często są testowane w warunkach laboratoryjnych z użyciem alternatywnych materiałów, takich jak szkło, metal czy silikon. Na początku, ze względów ekonomicznych oraz dostępności, sięga się do standardowych artykułów dostępnych na rynku. Do nich należą np. szalki Petriego, płytki hodowlane, kuwetki czy szklane naczynia. Ponieważ w laboratorium analizuje się procesy, np. za pomocą mikroskopii, techniki kamerowej czy pomiarów fluorescencyjnych, jednym z głównych wymagań jest przejrzystość używanych narzędzi, co głównie dotyczy szkła. Tworzywa sztuczne są również dostępne w wersjach przezroczystych, jednak szkło wykazuje nieco wyższą przejrzystość.

Tworzywo sztuczne do złożonych struktur

W wielu przypadkach zastosowania, takich jak złożone chipy laboratoryjne, standardowe narzędzia nadają się jedynie do prób podstawowych. Gdy chodzi o szczegółowy rozwój procesu dla produkcji seryjnej, złożone geometrie i mikrofluidyczne kanały wymagają innych materiałów, takich jak określone tworzywa sztuczne. Dzięki nim można wytwarzać tak delikatne struktury przy minimalnym zużyciu energii.

Pierwsze prototypy można realizować metodą głębokiego tłoczenia lub za pomocą odlewów z silikonu lub żywic sztucznych. Koszty form w tym przypadku są stosunkowo niskie. Natomiast produkcja elementów z tworzyw sztucznych w laboratorium jest dość skomplikowana i wiąże się z pewnymi stratami jakości. Gdy rozpoczyna się produkcja seryjna metodą wtrysku, sytuacja odwraca się: inwestycja w narzędzie jest wysoka, ale elementy z tworzywa sztucznego można produkować masowo i tanio.

Komromisy w optyce i swobodzie projektowania

Użycie tworzyw sztucznych w seryjnej produkcji produktów medycznych i diagnostycznych może wiązać się z pewnymi ograniczeniami. Szczególnie w zakresie optyki konieczne są kompromisy. Istnieją bardzo przezroczyste tworzywa sztuczne, które jednak nie dorównują właściwościom optycznym szkła. Kolejne ograniczenia dotyczą swobody projektowania. Przy wtryskiwaniu tworzyw sztucznych elementy muszą być tak zaprojektowane, aby można je było łatwo wyciągnąć z formy. Dodatkowo, podczas wtrysku konieczne są krawędzie odformowujące, które wpływają na swobodę kształtowania. Ściany elementu muszą być zawsze lekko skośne, zwykle od 0,5 do 3 stopni, w rzadkich przypadkach do 10 stopni. „To jest niemal niewidoczne gołym okiem, ale konieczne do odformowania” – wyjaśnia Harald Höcherl, kierownik działu technologii w Rodinger Kunststoff-Technik GmbH (RKT). „Zazwyczaj te warunki nie sprawiają nam problemów w produkcji.”

Przetwarzanie tworzyw sztucznych kompatybilnych z medycyną

To, które tworzywo sztuczne nadaje się do konkretnego zastosowania medycznego lub medyczno-technicznego, jest bardzo szerokim zagadnieniem. Szczególnie często w medycynie stosuje się tworzywa COC, zwłaszcza w diagnostyce, ponieważ są one wysoce przezroczyste, wykazują bardzo niską optyczną anizotropię i są biokompatybilne. W przypadku masowych produktów jednorazowego użytku najczęściej używa się tanich tworzyw masowych, takich jak PP, PE czy PS, jeśli pozwalają na to ich właściwości mechaniczne. Elementy o wysokich wymaganiach mechanicznych (np. wewnętrzne części penów insulinowych) są produkowane z technicznych termoplastów, takich jak POM, PA czy PPA. Aby zastąpić części metalowe, często stosuje się techniczne tworzywa sztuczne z wysokim udziałem włókien (np. włókno szklane lub węglowe). Obudowy najczęściej wykonuje się z tworzyw uderzeniowo odporne, takich jak ABS, PC/ABS, poliamidy czy PBT.

„Przy obróbce różnych tworzyw sztucznych liczy się pewna techniczna finezja i triki, aby uzyskać najlepszy efekt dla każdego materiału” – wyjaśnia Harald Höcherl. Wyzwaniem może być np. bardzo mały rozmiar elementu, co wymaga specjalnego wyposażenia w maszynie wtryskowej, np. mikrosprzęgła. W przypadku przezroczystych tworzyw COC istnieje trik, aby zapobiec żółknięciu; Harald Höcherl: „COC jest bardzo podatny na tlen i w stanie stopu łączy się z nim, co powoduje żółknięcie. Dlatego podczas obróbki należy napełnić obszar obróbki azotem. W ten sposób można odseparować tlen podczas procesu topnienia.” Ponadto COC jest dość łamliwe i podatne na pęknięcia pod wpływem naprężeń. W tym przypadku szczególnie ważne są mocniejsze krawędzie odformowujące. Kolejnym wyzwaniem w obróbce tworzyw sztucznych są wymagania dotyczące czystych pomieszczeń przy niektórych elementach diagnostycznych. Zgodnie z wymaganiami klienta ustala się, jaka klasa czystości jest wymagana dla danego produktu, czy konieczne są dodatkowe testy na obecność drobnoustrojów, a RKT dostosowuje komórki produkcyjne do wymogów czystości.

RKT wspiera rozwój procesów

RKT specjalizuje się m.in. w towarzyszeniu rozwojowi procesu od części medyczno-technicznych aż do produkcji seryjnej. W idealnym przypadku najpierw przeprowadza się wstępne projektowanie (Pre-Engineering) i buduje prototypowe narzędzie, aby sprawdzić wykonalność złożonych geometrii w wtrysku tworzyw sztucznych. Na podstawie wymagań dotyczących elementu doradza się, wybiera i testuje odpowiednie tworzywa w prototypowym narzędziu. Na podstawie próbki można dalej rozwijać i udoskonalać produkt. W końcu powstaje narzędzie do produkcji seryjnej, które może wyprodukować miliony elementów w zależności od złożoności.

Podsumowanie: wtrysk tworzyw sztucznych – efektywny i wysokiej jakości

Do dużych nakładów i płynnych procesów wytwarzania wtryskowego tworzyw sztucznych jest to efektywna metoda produkcji wysokiej jakości elementów medycznych zgodnie z wysokimi standardami medycznymi. Szkło ma niewątpliwie przewagę w zakresie przejrzystości dla procesów optycznych, jednak pod względem ekonomiczności i obsługi w produkcji seryjnej tworzywa sztuczne mają przewagę.