스위스 스타일 CNC 가공: 정형외과 및 치과용 뼈 나사 및 앵커 정밀 생산

정형외과 및 치과 애플리케이션을 위한 정밀하고 복잡한 특징 구현

다른 많은 의료 기기와 비교했을 때, 뼈 나사(bone screws)는 겉보기에 단순한 구조를 가집니다: 한쪽 끝에 헤드가 있고 다른 쪽 끝에 팁이 있는 나사산 실린더. 그러나 뼈 나사(앵커라고도 함) 설계에는 놀라울 만큼 많은 복잡성이 있을 수 있습니다.

그렇기 때문에 정밀 CNC 스위스 스타일 가공은 뼈 나사에 적절한 특징과 기능을 부여하는 설계를 구현하는 데 중요한 역할을 합니다.

뼈 나사의 기본 구조

대부분 사람들이 친숙한 일반적인 목재 나사처럼, 뼈 나사의 구조에는 몇 가지 기본 특성이 있습니다.

• 나사의 헤드(head)는 나사 삽입을 돕는 상단의 평평한 표면입니다.
• 팁(tip)은 헤드 반대편의 나사 다른 쪽 끝입니다.
• 나사 샤프트(shaft, 몸체) 길이는 헤드에서 팁까지 측정됩니다.
• 나사 피치(pitch)는 나사가 360º 회전할 때마다 이동하는 거리입니다.
• 나사 주경(major diameter)은 나사산 한 봉우리에서 반대편 봉우리까지의 총 두께입니다.
• 소경(minor diameter)은 나사산을 제외한 나사 두께입니다. 이는 중요합니다. 나사가 삽입될 파일럿 홀(pilot hole)은 소경과 같은 크기여야 하기 때문입니다.

뼈 나사가 사용되는 이유

뼈 나사의 주요 기능은 골절 복구를 돕는 것입니다. 일반적으로 나사는 뼈 움직임의 힘을 압축으로 변환하여 뼈를 제자리에 고정함으로써 더 빨리 치유되도록 합니다.

뼈 나사 사용은 20세기 초로 거슬러 올라갑니다. 당시 외과의사 William O'Neill Sherman이 뼈에 부착하도록 수정한 플레이트와 일반 나사를 사용하여 골절 고정을 개척했습니다.

오늘날 뼈 나사는 광범위한 정형외과 및 치과 교정 애플리케이션에 사용됩니다. 정형외과 나사는 주로 뼈 고정이나 연조직(힘줄 등)을 뼈에 부착하는 데 사용됩니다. 치과에서는 뼈 나사가 일반적으로 다른 것(예: 대체 치아)을 고정하는 앵커 역할을 합니다.

예상대로 현대 뼈 나사는 Doc Sherman 버전보다 훨씬 더 정밀하고 전문화되었습니다. 예상치 못하게도 CNC 스위스 가공은 나사의 고정 방식이나 뼈 또는 기타 조직 부착 능력을 향상시키는 정밀한 특징을 생산하는 데 자주 사용되는 방법입니다.

뼈마다 다른 나사

서로 다른 피치를 가진 4가지 상용 뼈 나사의 강도를 비교한 연구에서, 나사의 유지력은 뼈 밀도, 나사산 설계, 뼈에 물리는 나사산 수와 상관관계가 있었습니다. 서로 다른 뼈 유형은 서로 다른 밀도를 가지므로, 뼈 유형이 나사 설계에 영향을 미치는 것은 당연합니다.

피질골(Cortical, 또는 치밀골)은 인체에 지지 구조를 제공하고 내부 장기를 보호하는 뼈의 단단하고 치밀한 외층을 구성합니다. 이 매끄럽고 희며 단단해 보이는 뼈는 성인 체질량의 약 80%를 차지합니다.

해면골(Cancellous bone, 또는 해면골)은 인간 뼈의 내부 조직 네트워크를 형성하며, 일반적으로 다른 뼈의 끝부분, 관절 근처, 척추 내부에서 발견됩니다. 해면골은 피질골보다 밀도가 낮고, 다소 부드럽고, 더 유연합니다.

따라서 CNC 스위스 가공은 사용될 뼈 유형에 따라 나사산, 피치, 기타 특징이 다양한 나사를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

• 피질 나사(Cortical screws) — 피질 나사라고도 함 — 은 피질골에 삽입될 때 단단히 고정되고 최대 안정성을 제공하도록 설계되었습니다. 이 강한 나사는 작은 피치를 가지며, 전체 길이를 따라 촘촘하고 얕은 나사산이 있고, 보통 뭉툭한 끝을 가집니다. 피질 나사는 일반적으로 1.5mm(0.059인치)에서 4.5mm(0.177인치) 길이로 제공됩니다.

• 해면 나사(Cancellous screws)는 해면골 고정을 위해 설계되었으며, 피질 나사보다 길고 더 큰 피치를 가집니다. 해면 나사 나사산은 더 깊게 파이고 넓게 이격되어 있으며, 샤프트는 전체 나사산이거나 부분 나사산일 수 있습니다. 이 나사는 일반적으로 3.5mm(0.138인치)에서 6.5mm(0.256인치) 길이로 제공됩니다.

뼈 나사 설계의 기타 변수

나사산과 피치 변형 외에도, 뼈 나사는 CNC 스위스 가공의 정밀 역량 덕분에 홀, 계단, 슬롯, 기타 특징을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 특정 요구사항을 충족하기 위해 다양한 유형의 뼈 나사 헤드를 만들 수 있습니다.

• 치아 고정용 나사는 대체 치아를 눌러 끼울 수 있는 테이퍼진 헤드를 가질 수 있습니다.
• 나사산 헤드는 뼈 나사와 그 부착물(플레이트 등)을 제자리에 잠가 더 큰 안정성을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.
• 육각 나사 헤드는 드라이버 사용을 위해 일반적으로 활용됩니다.

스위스 가공 뼈 나사는 다양한 팁 설계를 활용하여 다른 나사 삽입 기술을 지원할 수도 있습니다.

• 비타핑 나사(Non-tapping screws)는 매끄럽고 둥근 팁을 가지며, 파일럿 홀을 만들고 내부에서 나사산을 탭핑하여 삽입합니다.
• 셀프 탭핑 나사(Self-tapping screws)는 커팅 플루트(cutting flutes)를 가져 파일럿 홀에 삽입되면 스스로 나사산을 만듭니다. 예를 들어 해면골은 피질골보다 훨씬 밀도가 낮기 때문에 해면 나사는 셀프 탭핑입니다. 즉, 나사가 삽입되면서 뼈에 자기 경로를 만듭니다.
• 셀프 드릴링 나사(Self-drilling screws)는 파일럿 홀이나 기타 준비 없이 그대로 삽입할 수 있습니다. 나사가 스스로 파일럿 홀을 만들고 셀프 탭핑도 합니다.

독특한 나사 설계 이점

의료 기기 회사는 독자적인 뼈 나사 설계 변형을 고안하여 차별화되고 경쟁 우위를 제공하는 무언가를 만들 수도 있습니다.

앵커 제조업체에게 이점일 뿐만 아니라, 특허 가능한 독점 설계는 CNC 스위스 스타일 가공에 기회와 도전을 동시에 만듭니다. 매우 복잡한 설계를 만들 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 더 복잡한 형태는 스위스 가공의 분할(segmentation) 기술이 어떻게 더 정교한 머신 샵이 고객의 복잡한 설계 요구를 충족할 수 있는지 보여주는 완벽한 예입니다.

또 다른 지도 원칙 — 의료 기기를 원피스(one-piece) 구조로 설계 — 는 종종 가공 관점에서 부품을 더 복잡하게 만듭니다. 이 도전에 맞서 스위스 가공은 장치가 여러 부품 중 하나의 고장으로 인해 분해되거나 잘못되는 위험을 최소화하는 단일 부품 설계를 달성하는 데 제조업체를 도울 수 있습니다.

또한 다양한 표면 처리(아래 참조)를 가공 후 뼈 나사에 추가하여 뼈 성장과 부착에 긍정적인 영향을 미칠 수 있으며, 이는 특정 앵커 설계를 다른 제조업체 옵션과 더욱 차별화합니다.

뼈 나사 특정 소재 고려사항

정형외과 및 치과용 뼈 나사와 앵커는 1세기 이상 금속 합금으로 만들어졌습니다. 이는 높은 강도, 내식성, 생체적합성의 올바른 조합을 제공하는 소재가 무엇인지 배울 충분한 시간이 있었음을 의미합니다.

오늘날 제조업체는 일반적으로 ASTM 또는 ISO 사양을 충족하는 임플란트 등급 소재를 선택합니다. 따라서 올바른 특징과 기능으로 뼈 나사를 만들려면 각기 고유한 특성을 가진 다양한 소재를 스위스 가공할 수 있는 능력이 필요합니다.

스테인리스 스틸이 의료 기기에서 인기가 있고 뼈 나사에 사용될 수 있지만, 지난 몇십 년 동안 티타늄과 고유한 특성과 이점으로 선택되는 다양한 특수 금속의 사용이 증가했습니다.

예를 들어, 티타늄 — 순수 및 합금 버전으로 제공 — 은 경량과 고강도가 목표이거나 장치가 다른 티타늄 부품과 결합하거나 연결되어야 할 때 자주 사용됩니다. 티타늄 나사는 하악 골절 치료에 자주 사용됩니다.

티타늄 합금 Ti-6Al-4V ELI (티타늄-6알루미늄-4바나듐 초저간극)는 경량, 내식성, 고강도, 생체적합성입니다. 용융 공정 중 엄격한 제어로 연성과 강도가 추가된 소재가 되어 티타늄 ELI가 뼈 나사 및 기타 의료 기기의 인기 있고 내구성 있는 선택이 되었습니다.

니티놀(Nitinol, NiTi)은 영구 변형 없이 높은 응력을 견딜 수 있는 능력으로 때때로 선택됩니다. 즉, 뼈 나사나 기타 장치가 영구 세트 없이 늘어나고 약간 변형되어야 하는 애플리케이션에 사용될 수 있습니다.

스위스 가공 뼈 나사와 앵커에 자주 상호 교환적으로 사용되는 기타 고강도 및 생체적합성 소재에는 다음이 포함됩니다.

• MP35N® 및 유사한 35N LT® (저티타늄), MP35N에서 미량 티타늄을 제거한 용융물로 피로 수명이 더 김
• L605
• 316LVM
• Elgiloy®, Conichrome® 및 ASTM F1058과 ISO 5832-7로 지정된 기타 합금

골유착 촉진을 위한 표면 처리

표면 마감은 Metal Cutting에서 매우 중요한 주제입니다. 뼈 나사와 스위스 가공에서 표면 처리는 독특한 주제입니다.

일부 뼈 나사는 일시적이어서 결국 제거되지만, 대부분은 제자리에 영구히 남습니다. 나사의 표면 마감이 뼈 성장을 촉진하여 나사가 단단히 고정되고 뼈가 그 주위로 자라게 하는 데 큰 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다.

과학자들이 골유착(osseointegration)을 촉진하기 위해 적용할 수 있는 특수 코팅 개발을 계속하는 동안(한 예 읽어보기), 나사 제조업체들은 더 거친 마감과 다른 유형의 표면이 뼈 성장을 촉진하는 데 도움이 될 수 있음을 발견했습니다.

직접 레이저 소결(일명 3D 금속 프린팅)의 발명은 이전에 달성할 수 없었던 수준의 다공성을 가능하게 하여, 단순한 거친 표면 마감을 넘어 골유착을 촉진합니다. 그래서 3D 제조가 뼈 나사와 많은 다른 의료 기기 애플리케이션의 미래가 될 가능성이 높습니다.

그러나 정형외과 뼈 나사와 치과 앵커를 만드는 대부분의 소재는 열처리가 불가능합니다. 대신 냉간 가공(cold working)으로 강도를 얻으며, 이는 3D 금속 프린팅으로는 할 수 없는 일입니다.

즉, 레이저 소결 전에도 여전히 스위스 가공된 봉이나 와이어로 시작해야 합니다!

뼈 나사용 스위스 가공 vs 3D 레이저 프린팅?

3D 금속 프린터 업체들은 무엇이든 할 수 있다고 말하지만, 냉간 가공은 모든 뼈 나사 애플리케이션이 3D 프린팅되기 전에 극복해야 할 과제 중 하나입니다. 그때까지 스위스 스타일 가공은 냉간 가공 소재를 봉재(bar stock)로 시작할 수 있다는 이점이 있습니다.

3D 프린팅의 매력은 적층 공정으로서 경량화와 다공성을 위해 공극(voids)을 생성할 수 있다는 점입니다. 이는 스위스 가공이 따라갈 수 없는 이점입니다. 그러나 나사산, 홀, 계단, 나사 기능에 필수적인 기타 특징에 대해서는 적층 및 절삭 공정 모두 동일한 치수적 최종 결과를 산출합니다.

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