Anwendung des Metallpulverspritzgießens (MIM) im medizinischen Bereich

Metal Injection Molding (MIM) wurde 1972 von einem kleinen Unternehmen in Petaluma, Kalifornien, USA, entwickelt. Anfang der 1980er-Jahre wurde es erstmals in der Medizin eingesetzt, um einige kieferorthopädische Apparaturen herzustellen. Das MIM-Verfahren ist kostengünstig und bietet eine hohe Designflexibilität. Es kann kleine und komplexe Teile herstellen und ist damit der spanenden Bearbeitung oder dem Präzisionsguss überlegen. Zahnmedizinische und orthopädische MIM-Teile weisen außerdem eine gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit auf. Vor 1990 gab es in den Vereinigten Staaten mindestens vier MIM-Produktionsunternehmen.

Anfang der 1990er-Jahre stieg die Nachfrage nach verschiedenen neuen chirurgischen Instrumenten, die den menschlichen Körper möglichst wenig schädigen, deutlich an. Die MIM-Branche erschloss neue Märkte und stellte viele Teile erfolgreich auf die MIM-Verarbeitung um oder entwickelte sie als MIM-Teile. Außerdem wurden zahlreiche Biopsiezangen hergestellt, die an Laparoskopen eingesetzt werden, um Gewebeproben zu entnehmen, Gewebe zu schneiden oder zu nähen. Die von Advanced Molding Technology hergestellten MIM-Teile eines endoskopischen chirurgischen Klammergeräts gewannen 1997 den Excellent Molding Award. Die Zahnräder des Schermechanismus für die laparoskopische Chirurgie, die von Flomet hergestellt wurden, gewannen 1998 alle Auszeichnungen. Die Nachfrage nach kleineren und komplexeren medizinischen Geräten wächst weiter. In den vergangenen Jahren hat die Metal Injection Molding Association die Medizinbranche als einen der drei wichtigsten Wachstumstreiber des MIM-Marktes identifiziert. Ein großer Teil dieses Wachstums entfällt auf laparoskopische Geräte, Herzschrittmacher, Klappen und zahlreiche Teile für die Herzchirurgie. Auch die extrakorporale Herzchirurgie benötigt MIM-Teile. Teile für ophthalmologische Operationsgeräte und andere Spezialgeräte werden ebenfalls entwickelt. Darüber hinaus werden viele neue Geräte mit MIM-Teilen konstruiert. Daher wird sich die Anwendung von MIM in den Vereinigten Staaten weiter verbreiten und weltweit ausdehnen.

Neue Werkstoffe könnten künftig eine wichtige Rolle für das Wachstum von MIM in der Medizinbranche spielen. Einer der wichtigsten medizinischen Märkte für kleine und komplexe Teile sind Implantate. Da MIM derzeit keine Titanwerkstoffe in medizinischer Qualität herstellen kann, ist es für den Markt schwierig, MIM-Titan als Implantatmaterial zu akzeptieren. Es gibt viele MIM-Teile aus Titan, aber Korngröße und Sauerstoffgehalt wurden noch nicht auf das für Implantatanwendungen erforderliche Niveau reduziert. Auf dem Markt sind derzeit nur Kobalt-Chrom-Legierungen erhältlich. Inzwischen gibt es auch Implantate aus der F-75-Legierung. Berichten zufolge hat Thermal Technology bei der Herstellung von Titanprodukten erhebliche Fortschritte erzielt. Die Leistungsdaten der von diesem Unternehmen hergestellten Werkstoffe erfüllen zwar nicht die STM-Norm, liegen ihr aber sehr nahe. Nach Tests durch Anwender sind die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs akzeptabel. Es ist vorstellbar, dass für die erfolgreiche Verwendung von MIM-Titan als Implantat neue Standards festgelegt und von der medizinischen Fachwelt akzeptiert werden müssen. Der MIM-Titanmarkt wird sich zwar auf kleinere Implantate beschränken, sein zukünftiges Marktpotenzial ist jedoch groß. Ein weiterer geeigneter Werkstoff ist nickelfreier Edelstahl, der in der Medizin und für andere Anwendungen eingesetzt werden kann. Diese Legierung bietet den besonderen Vorteil von MIM: Elementpulver können gemischt werden und während des Sinterprozesses nach der Formgebung Legierungen bilden.

Die Anwendung von MIM auf dem medizinischen Markt ist der Entwicklung einer neuen Formgebungstechnologie zu verdanken. Sie verbindet die Eigenschaften des Kunststoffspritzgießens und des Sinterns, um kleine, komplexe, großserientaugliche Metallteile mit nahezu voller Dichte herzustellen. Die MIM-Branche wird weiterhin verschiedene Legierungen entwickeln, um künftigen Anforderungen gerecht zu werden.

Spezifische Anwendungen von MIM in der Medizin

1. Orthopädische Implantate

Mit der MIM-Technologie können orthopädische Implantate mit komplexen Formen, beispielsweise künstliche Gelenke, hergestellt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren bietet die MIM-Technologie eine höhere Präzision und weniger Ausschuss, wodurch sich die Produktionskosten erheblich senken lassen. Gleichzeitig weisen MIM-Produkte eine bessere Biokompatibilität und mechanische Eigenschaften auf und entsprechen dadurch stärker den Eigenschaften menschlicher Knochen.

2. Chirurgische Instrumente

Die MIM-Technologie kann auch zur Herstellung hochpräziser chirurgischer Instrumente mit komplexen Formen, beispielsweise chirurgischer Zangen und Nahtnadeln, eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Metallwerkstoffen weisen MIM-Produkte eine bessere Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf, wodurch sich die Lebensdauer medizinischer Geräte erheblich verlängern lässt.

3. Klammergerät

Klammergeräte werden bei verschiedenen chirurgischen Eingriffen häufig eingesetzt und sind in der Regel für den einmaligen oder mehrfachen Gebrauch ausgelegt. Derzeit werden sie überwiegend importiert oder im Inland hergestellt. Das herkömmliche Verfahren ist die spanende Bearbeitung, die sehr teuer ist. Dahong New Materials hat mithilfe der MIM-Technologie erfolgreich Klammergeräte entwickelt, wodurch sich die Kosten erheblich senken lassen.

4. Griff eines chirurgischen Messers

Nach dem Einsetzen der chirurgischen Klinge wird er zum Schneiden oder Abtragen menschlichen Gewebes verwendet.

5. Teile für Knieimplantate

Die MIM-Technologie hat sich im Bereich menschlicher Implantate nur langsam entwickelt, vor allem weil Zertifizierung und Akzeptanz der Produkte einen langen Zeitraum erfordern. Derzeit kann die MIM-Technologie zur Herstellung von Teilen eingesetzt werden, die Knochen und Gelenke teilweise ersetzen. Als Metallwerkstoffe werden hauptsächlich Titanlegierungen verwendet. Mit Gelatine-Mikrosphären beschichtetes, poröses Titan mit verzögerter Wirkstofffreisetzung ist nicht zytotoxisch und kann als geeignetes Material für medizinische Implantate verwendet werden.

6. Chirurgische Werkzeuge

Chirurgische Werkzeuge müssen eine hohe Festigkeit, eine geringe Blutverschmutzung und die Fähigkeit aufweisen, aggressive Desinfektionsverfahren zu überstehen. Die Designflexibilität der MIM-Technologie erfüllt die Anforderungen der meisten chirurgischen Werkzeuge. Sie bietet außerdem verfahrenstechnische Vorteile und ermöglicht die kostengünstige Herstellung verschiedener Metallprodukte. Sie ersetzt schrittweise herkömmliche Produktionstechnologien und entwickelt sich zur wichtigsten Fertigungsmethode.

7. Kieferorthopädische Brackets

Die MIM-Technologie wurde erstmals in der Medizin eingesetzt, um einige kieferorthopädische Apparaturen herzustellen. Diese Präzisionsprodukte sind sehr klein und weisen eine gute Biokompatibilität sowie Korrosionsbeständigkeit auf. Als Hauptwerkstoff wird 316L-Edelstahl verwendet. Kieferorthopädische Brackets sind nach wie vor die wichtigsten Produkte der MIM-Branche. Ein mithilfe der MIM-Technologie hergestelltes kieferorthopädisches Bracket mit beidseitigem Haken kann die mechanische Haltekraft um 30 % erhöhen. Die Reibung des Brackets am Bogen kann durch Polieren nach der einstufigen Formgebung mittels MIM erheblich reduziert werden. Bjorn Ludwig bestätigte, dass dieses Produkt eine positive Wirkung bei kieferorthopädischen Eingriffen hat.

Die Nachfrage nach medizinischen Produkten ist sehr groß, und auch die Struktur vieler Produkte selbst ist äußerst präzise und komplex. Daher ist eine neue Fertigungstechnologie erforderlich, die die herkömmliche Produktion ersetzt. Metal Injection Molding (MIM) ist eine neue Near-Net-Shape-Formgebungstechnologie, mit der sich Produkte mit komplexen Formen innerhalb kurzer Zeit in großen Stückzahlen herstellen lassen. Sie erfüllt die Fertigungsanforderungen medizinischer Produkte und hat sich zu einer idealen Herstellungsmethode entwickelt.