ВОЛЬФРАМ-РЕНИЕВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ИЗОГНУТЫХ ХИРУРГИЧЕСКИХ ИГЛАХ
TUNGSTEN-RHENIUM ALLOYS FOR CURVED SURGICAL NEEDLE APPLICATIONS

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к сплавам тугоплавких металлов, в частности к вольфрам-рениевым сплавам для применения в хирургических иглах.
Предпосылки создания изобретения
Хирургические иглы известны в данной области. Хирургические иглы в комбинации с прикрепленными хирургическими нитями применяются в традиционных хирургических процедурах для различных целей, включая сближение ткани, закрепление имплантатов на ткани, соединение кровеносных сосудов, поднятие или смещение ткани и т.д. Как правило, хирургические иглы представляют собой удлиненные элементы, имеющие дистальные заостренные концы для прокалывания ткани и проксимальные концы для вставки нити. Дистальные концы также могут иметь режущие кромки, образованные в корпусе иглы для облегчения проведения иглы через ткань. Проксимальные концы для вставки нити могут иметь различные структуры для вставки нити, включая просверленные отверстия и образованные каналы. Дистальные концы хирургических нитей вставляют в просверленные отверстия или каналы и прикрепляют различными традиционными способами, включая механическую горячую штамповку, приклеивание и т.д.
Известно, что хирургия предъявляет жесткие требования к хирургическим иглам. Игла должна иметь достаточно высокую прочность и жесткость, чтобы выдерживать усилия, необходимые для ее проникновения в ткань. В то же время игла должна быть достаточно пластичной, чтобы предотвратить ее хрупкое разрушение и позволить хирургу изменить форму устройства, если оно разгибается из первоначальной формы во время применения.
Хирургические иглы традиционно изготавливают из высокопрочных мартенситных сплавов нержавеющей стали, таких как сталь марки AISI типа 420, ASTM 45500 и ETHALLOY. ETHALLOY является патентованным сплавом компании Ethicon, Inc., который применяется для производства хирургических игл. Преимущественная комбинация прочности, жесткости и пластичности этих сплавов связана с их легирующими добавками и параметрами обработки. В последнее время тугоплавкие металлы и сплавы на их основе привлекли к себе внимание в связи с их превосходными механическими свойствами. Такие сплавы, включая вольфрам-рениевые сплавы, описаны в патенте США №5,415,707, авторы Bendel et al., который включен путем ссылки.
Иглы малого диаметра, изготовленные из проволок малого диаметра, часто применяют при проведении сложных, критических хирургических процедур, связанных с операциями на открытом сердце, таких как процедуры аортокоронарного шунтирования (АКШ). При проведении таких процедур исключительно важно, чтобы игла выполняла функцию, сохраняя свою структурную целостность. Известно, что при проведении процедуры АКШ хирург может столкнуться с ситуациями, когда у пациента в коронарных артериях, подлежащих шунтированию, имеется кальцинированная бляшка. Иглы из традиционной нержавеющей стали могут сгибаться при попытке хирурга протолкнуть иглу через массу кальцинированной бляшки. Это может вызвать проблемы в том отношении, что игла может деформироваться или сгибаться неэластичным образом. Такое сгибание, как правило, делает иглу непригодной, вынуждая хирурга отбраковывать согнутую иглу и приостанавливать процедуру, чтобы получить новую хирургическую иглу и нить для завершения процедуры. Чрезмерное сгибание иглы также может изменять траекторию иглы через ткань, возможно, осложняя хирургическую процедуру.
Применение сплавов тугоплавких металлов для изготовления хирургических игл позволяет получить хирургическую иглу малого диаметра, которая имеет улучшенную жесткость и в меньшей степени восприимчива к сгибанию во время хирургической процедуры. Однако известно, что при производстве хирургических игл из сплавов тугоплавких металлов, таких как вольфрам-рениевый, могут возникать сложности. Чтобы хирургические иглы можно было применять в хирургии, их, как правило, изгибают. Кривизна может варьировать, например, от 1/8 окружности до 5/8 окружности. Кроме того, хирургические иглы, как правило, имеют уплощенные боковые секции, или «плоские грани». Плоские грани подходят для захвата иглы хирургом с применением традиционных инструментов-иглодержателей для предотвращения вращения корпуса иглы в держателе. Без плоских граней изогнутые хирургические иглы могут с легкостью непреднамеренно вращаться во время применения, что может приводить к повреждению ткани или по меньшей мере к возникновению чувства сильной досады у хирурга. Эта проблема уникальна для изогнутых хирургических игл, так как усилия, которые могут быть созданы у кончика иглы, легко создают крутящий момент, который может вызвать внезапное опрокидывание или вращение изогнутых хирургических игл, не имеющих надлежащих плоских граней корпуса, в иглодержателе. Эти же усилия, которые могут быть созданы у кончика прямой хирургической иглы, не могут с легкостью вызывать неожиданное опрокидывание или изменение ориентации иглы в иглодержателе таким образом, чтобы это привело к нежелательному поступательному движению кончика иглы, что может привести к повреждению ткани или вызвать чувство досады у хирурга. Плоские грани и другие структуры, образованные в корпусе иглы, также могут обеспечивать структурные преимущества в отношении устойчивости к сгибанию, продольному изгибу и т.д.
В данной области существует постоянная потребность в новых хирургических иглах, имеющих улучшенные свойства и сохраняющих традиционные признаки, такие как изогнутые конфигурации и плоские грани.
Краткое описание изобретения
Описана изогнутая хирургическая игла. Игла имеет изогнутый удлиненный корпус, имеющий дистальный конец с прокалывающим кончиком и проксимальный конец для вставки хирургической нити, а также имеет по меньшей мере одну боковую плоскую грань вдоль по меньшей мере части корпуса. Плоская грань имеет поверхность. Игла изготовлена из сплава тугоплавких металлов, содержащего от приблизительно 70% вес. до менее приблизительно 95% вес. вольфрама и от более приблизительно 5% вес. до приблизительно 30% вес. рения, а также имеющего прочность на разрыв от приблизительно 3103 МПа до приблизительно 4068 МПа (от приблизительно 450 тыс. фунтов на кв. дюйм до приблизительно 590 тыс. фунтов на кв. дюйм). Хирургическая игла устойчива к растрескиванию.
Другим аспектом настоящего изобретения является изогнутая хирургическая игла. Игла имеет изогнутый удлиненный корпус, имеющий дистальный конец с прокалывающим кончиком и проксимальный конец для вставки хирургической нити, а также имеет по меньшей мере одну боковую плоскую грань вдоль по меньшей мере части корпуса. Плоская грань имеет поверхность. Игла изготовлена из сплава тугоплавких металлов, содержащего от приблизительно 74% вес. до приблизительно 85% вес. вольфрама и от приблизительно 15% вес. до приблизительно 26% вес. рения, а также имеющего прочность на разрыв от приблизительно 3103 МПа до приблизительно 4068 МПа (от приблизительно 450 тыс. фунтов на кв. дюйм до приблизительно 590 тыс. фунтов на кв. дюйм). Хирургическая игла устойчива к растрескиванию.
Эти и другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут представлены в последующем описании и сопровождающих чертежах.
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая общие процессы, применяемые для изготовления изогнутых хирургических игл в примере 1.
На ФИГ. 2 представлена оптическая микрофотография хирургических игл с плоскими гранями корпуса, изготовленных из вольфрам-рениевых сплавов, как описано в примере 1.
На ФИГ. 3 представлен график, иллюстрирующий характеристики сгибания (ASTM1874) хирургических игл без плоских граней корпуса, изготовленных из вольфрам-рениевых сплавов, содержащих 5, 15 или 26% вес. рения.
На ФИГ. 4 представлен график, иллюстрирующий характеристики сгибания (ASTM1874) хирургических игл с плоскими гранями корпуса, изготовленных из вольфрам-рениевых сплавов, содержащих 15 или 26% вес. рения и традиционный высокопрочный сплав нержавеющей стали.
На ФИГ. 5 представлен рисунок, на котором показана хирургическая игла и геометрическая форма плоских граней корпуса с размерами X и Т, как описано в примере 1.
Подробное описание изобретения
Сплавы тугоплавких металлов настоящего изобретения, подходящие для изготовления изогнутых хирургических игл, которые устойчивы к растрескиванию, представлены сплавом вольфрама и рения. Сплавы типично содержат от приблизительно 70% вес. до менее приблизительно 95% вес. вольфрама, более типично - от приблизительно 74% вес. до менее приблизительно 95% вес., а предпочтительно - от 74% вес. до приблизительно 85% вес. Кроме того, сплавы содержат рений типично в количестве от приблизительно более 5% вес. до приблизительно 30% вес., более типично - от более 5% вес. до приблизительно 26% вес., а предпочтительно - от приблизительно 15% вес. до приблизительно 26% вес. Сплавы также могут содержать следовые количества других элементов, включая железо (Fe) и молибден (Mo). Следовые количества присутствуют в количестве менее приблизительно 0,05% вес., а предпочтительно - менее приблизительно 0,03% вес.
Изогнутые хирургические иглы настоящего изобретения, изготовленные из сплавов настоящего изобретения, изготовлены с использованием традиционных технологий производства игл, которые могут быть модифицированы в случае применения сплавов тугоплавких металлов. После того как проволока вытянута до желаемого конечного диаметра с применением традиционных технологий вытягивания проволоки и горячей обработки, применяют традиционные технологии для придания желаемой формы кончика одному концу иглы. Плоские грани можно сформировать на корпусе иглы с помощью традиционных способов прессования, которые придают корпусу различные формы. Хотя на игле может быть сформирована одна плоская грань, как правило, предпочтительно, чтобы она имела две или более плоских граней корпуса. Затем иглу можно изогнуть до желаемого радиуса кривизны. Способы изгиба хирургических игл, изготовленных из сплавов тугоплавких металлов, описаны в патенте США №7,937,981, который включен путем ссылки. На проксимальном конце иглы образована структура для облегчения вставки нити. Этого можно добиться с применением традиционных технологий, включая горячую штамповку или прикрепление с помощью адгезива. Иглы, имеющие плоские грани, и способы создания плоских граней на хирургических иглах описаны в патентах США №№3,160,157 и 4,799,484, оба из которых полностью включены путем ссылки. Необязательно плоские грани могут содержать ребра, проходящие вверх от поверхности плоских граней.
В частности, предпочтительно, чтобы плоские грани в хирургических иглах настоящего изобретения имели соотношение T к X, как правило, от приблизительно 1,0 до приблизительно 1,2, а предпочтительно - от приблизительно 1,0 до 1,1. На ФИГ. 5 представлена игла, имеющая размеры Т и Х. Размер Т считается высотой корпуса иглы в поперечном сечении, а размер Х - шириной. Размеры Т и Х пропорциональны диаметру проволоки, из которой изготовлена игла. Как правило, размеры берут в средней точке иглы, хотя в зависимости от общей конфигурации иглы соотношения Т и Х можно измерять в других точках вдоль корпуса иглы. Следует отметить, что, хотя на ФИГ. 5 показано, что сечение имеет плоские грани корпуса с четырех сторон, иглы также могут иметь противоположные плоские грани корпуса с двух сторон, при этом остальные поверхности сохраняют изогнутые поверхности проволоки, из которой изготовлена игла. Также возможно, чтобы плоская грань корпуса была только с одной стороны. В этом соотношении абсолютное значение размеров Т и Х зависит от диаметра проволоки, из которой изготовлена игла, а в меньшей степени от степени электролитической полировки, которая проводится после машинного формирования заготовки хирургической иглы. Для примера, хирургическая игла, изготовленная из проволоки с входным диаметром 0,0267 сантиметра (0,0105 дюйма), может номинально иметь T=0,0239 сантиметра (0,0094 дюйма) и X=0,0229 сантиметра (0,0090 дюйма), так что соотношение Т и X составит приблизительно 1,04. Для достижения усиления изгибающего момента желательно иметь соотношение более 1,0. Однако соотношение менее 1,0 нежелательно, так как прочность иглы на изгиб будет снижена. Соотношение более приблизительно 1,2 нежелательно, так как игла будет менее стабильна при захвате за верхнюю и нижнюю плоские грани в связи с уменьшением площади плоской поверхности, что происходит при высоких значениях соотношений Т и X.
Изогнутые хирургические иглы должны иметь ряд свойств для обеспечения желаемого диапазона функций. Жесткость иглы должна быть такой, чтобы противостоять упругой деформации, обеспечивая высокий уровень контроля и размещения иглы и нити. Относительно высокая жесткость при изгибе приводит к относительно низкой тенденции к изгибу и деформации в процессе применения. В стандарте ASTM F1874-98(2011) подробно описан стандартный способ испытания на изгиб игл, применяемых для хирургических нитей. ASTM кратко описывает измерение изгибающего момента, вызывающего возникновение пластической деформации, и максимального (предельного) момента при изгибе. Эти два свойства являются мерой прочности иглы, причем предпочтительны их более высокие значения.
Помимо жесткости и прочности иглы, первостепенное значение имеет пластичность. Если какая-либо часть иглы слишком хрупкая, она может сломаться в процессе применения без изгиба. Общей мерой пластичности иглы является изгиб иглы на угол 90 градусов, а затем возврат иглы к первоначальной кривизне. Этот процесс изменения формы имитирует деформацию в процессе применения, способность к изменению формы и дальнейшему применению иглы как противопоставление необходимости останавливать хирургическую процедуру, чтобы получить новую иглу. Чем больше изменений формы игла может выдержать без разрушения, тем она более пластична. Числовое значение изменения формы 1,0 задается, когда иглы могут выдерживать как исходную деформацию на 90 градусов, так и изменение формы иглы до первоначальной кривизны. Если игла выдерживает еще одну деформацию на 90 градусов без разрушения, считается, что игла имеет пластичность изменения формы 1,5. Затем, если игла снова выдерживает изменение формы до первоначальной кривизны без разрушения, игла имеет пластичность изменения формы 2,0. Этот процесс повторяют, увеличивая значение изменения формы с шагом 0,5 до тех пор, пока игла не сломается.
Принципы и практическое применение настоящего изобретения проиллюстрированы следующим примером, хотя и не ограничены им.
ПРИМЕР 1
Хирургические иглы были изготовлены с применением традиционных способов, описанных ранее в настоящем документе и в представленных выше патентах США. На ФИГ. 1 представлена схема общего процесса, в результате которого получают хирургические иглы с плоскими гранями корпуса или без них. На ФИГ. 2 показаны хирургические иглы с диаметром 0,020 сантиметра (0,008 дюйма) с плоскими гранями корпуса, изготовленные из вольфрам-рениевых сплавов, содержащих рений в количестве или 5% вес., или 15% вес., или 26% вес. Выраженное разрушение произошло (как показано на ФИГ. 2) при применении сплава из вольфрама и 5% вес. рения.
Кривые на ФИГ. 3 показывают характеристики сгибания для игл без плоских граней, изготовленных из вольфрам-рениевых сплавов, содержащих приблизительно 5% вес., 15% вес. и 26% вес. рения. Кривые на ФИГ. 4 показывают характеристики сгибания для игл с плоскими гранями, изготовленных из вольфрам-рениевых сплавов, содержащих приблизительно 15% вес. и 26% вес. рения. Какого-либо значительного ухудшения характеристик сгибания при снижении содержания рения в сплаве, применяемом для изготовления хирургических игл с округлыми корпусами, не произошло, однако содержание рения в количестве лишь приблизительно 5% вес. не позволяет выполнять обработку хирургической иглы с плоскими гранями корпуса. Каждая из кривых, изображенных на ФИГ. 3 и 4, представляет собой среднее значение по данным по меньшей мере для 5 отдельных образцов.
Новые сплавы и изогнутые хирургические иглы настоящего изобретения, изготовленные из этих сплавов, имеют множество преимуществ. Применение тугоплавкого вольфрам-рениевого сплава в описанных диапазонах позволяет получить хирургическую иглу высокого качества в сравнении с традиционными иглами из нержавеющей стали. Комбинация высокой прочности и высокой жесткости дополняется высокой пластичностью в пределах описанных диапазонов сплавов. Данная комбинация механических свойств позволяет получить изогнутые хирургические иглы, имеющие по меньшей мере одну плоскую грань корпуса, устойчивые к растрескиванию.
Хотя данное изобретение было показано и описано применительно к его подробным вариантам осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что возможны различные изменения в их форме и деталях без отступления от сущности и объема заявляемого изобретения.