Quelle est la prochaine étape pour les tubes en nitinol ?

2 juillet 2020 Par Nancy Crotti

Les propriétés uniques du nitinol en ont fait le chouchou de l'industrie des dispositifs médicaux. Une nouvelle technique pour joindre mécaniquement le nitinol à d'autres tubes métalliques pourrait réduire les coûts et atténuer les risques.

Mark Broadley, Viant

(Image reproduite avec l'aimable autorisation de Viant)

Le nitinol a révolutionné l'industrie des dispositifs médicaux. Avec sa superélasticité flexible, sa mémoire de forme et sa biocompatibilité, le nitinol est devenu un matériau incontournable pour les dispositifs médicaux.

Mais cet alliage nickel/titane n'est pas sans inconvénients. D'abord, c'est relativement coûteux. Ainsi, bien qu'un dispositif entièrement en nitinol puisse répondre aux exigences de performance, il peut ne pas être pratique du point de vue des coûts. Par conséquent, les concepteurs de dispositifs médicaux peuvent spécifier le nitinol pour un composant spécifique qui a besoin de flexibilité et spécifier un autre matériau, tel que l'acier inoxydable, pour les composants adjacents.

Mais c'est le deuxième inconvénient : le nitinol est difficile à souder ou à souder, à la fois sur lui-même et sur d'autres matériaux. Actuellement, si vous souhaitez souder du nitinol à de l'acier inoxydable, vous avez besoin d'un composant intermédiaire d'un matériau alternatif compatible avec les deux matériaux. Pour les formes de produits plus simples comme le fil, cela peut être une approche rentable. Mais pour les formes de produits plus complexes comme les tubes, le coût et le délai d'exécution du composant intermédiaire, ainsi que la méthode de soudage des tubes plus complexe, rendent cette approche moins attrayante.

Chez Viant, nous avons développé une nouvelle technique (brevet en instance) pour joindre mécaniquement le nitinol à d'autres métaux découpés au laser, généralement l'acier inoxydable.

Commençons par une analogie. Enfant, avez-vous déjà joué avec un petit cylindre de bambou tressé aux couleurs vives appelé « piège à doigts chinois » ? Vous mettez vos index à chaque extrémité du cylindre, et lorsque vous essayez de les retirer, cela ne fait que resserrer le piège. (Vous échappez au piège en poussant les extrémités vers le milieu, ce qui agrandit les extrémités et libère vos doigts.)

Le même principe est à l'œuvre dans cette technique d'assemblage de tubes découpés en puzzle. Nous coupons un certain nombre de lobes autour de la circonférence de l'extrémité du tube en nitinol, et coupons des lobes de taille et de géométrie complémentaires autour de l'extrémité du tube en acier inoxydable. Lorsque nous poussons les lobes de nitinol dans les espaces entre les lobes en acier inoxydable correspondants, les lobes de nitinol reprennent leur forme précédente pour s'engager et verrouiller mécaniquement le joint, comme connecter des pièces de puzzle imbriquées, ou comme le piège à doigts tient vos doigts. Il est rapide et facile à assembler, avec un claquement satisfaisant.

Les avantages? Tout d'abord, vous réduisez les coûts en limitant le nitinol dans votre conception aux seuls composants qui dépendent de ses caractéristiques de performance. Deuxièmement, vous éliminez le coût du composant intermédiaire, ainsi que le soudage au laser et le processus de vérification associé, ce qui atténue les risques. Et troisièmement, vous joignez des tubes de différents matériaux sans gaine de confinement ni fils d'alignement. Cela permet une connexion à profil bas qui n'obstrue pas la lumière interne afin qu'elle puisse accueillir un fil pour une fonctionnalité supplémentaire de l'appareil.

En termes de considérations techniques, il est essentiel que le tube en nitinol ait une épaisseur de paroi uniforme pour éviter le "fouettage" lors de la rotation tout en étant plié. Nous effectuons une inspection par ultrasons à 100 % des tubes en nitinol pour garantir une épaisseur de paroi uniforme autour de la circonférence. De plus, les tubes en acier inoxydable soudés sont travaillés à froid et recuits pendant le processus de fabrication pour assurer des propriétés dimensionnelles et mécaniques homogènes autour de la circonférence.

La résistance des matériaux est également une considération de conception. Si un joint est conçu pour une charge de traction, il est important d'avoir suffisamment de résistance dans le tube pour supporter la charge dans les lobes en nitinol et en acier inoxydable. Cela peut être évalué en effectuant une analyse FEA sur un composant conçu et confirmé par des tests fonctionnels du dispositif pour s'assurer qu'il répond aux exigences mécaniques.

Lorsque nous développions cette technologie, nous travaillions avec un client sur un appareil endoscopique à poignet assisté par robot. La conception impliquait un actionneur en nitinol qui transmet le mouvement d'un dispositif robotique à travers le poignet aux outils utilisés pour fonctionner. Lorsque nous avons fixé le prix d'un système d'actionnement au nitinol, le coût était prohibitif en raison du coût élevé du long tube d'actionnement au nitinol. Nous avons donc pensé que si nous pouvions associer le nitinol à un autre matériau plus rentable, comme l'acier inoxydable, tout en conservant le nitinol uniquement au poignet, nous pourrions réduire les coûts. Nous estimons que l'utilisation de cette technique d'assemblage en puzzle aurait réduit le coût de l'appareil de 30 %.

Cette technique pourrait également être utilisée pour les dispositifs qui ont besoin de flexion mais qui ont également besoin d'un actionnement en tension ou en torsion à travers un emplacement de flexion, pour les entraînements orthopédiques qui nécessitent de contourner les virages ou pour un entraînement flexible qui peut transmettre un couple. Une autre application concerne les produits à base de cathéter qui ont une section flexible pour permettre à l'utilisateur de s'articuler autour d'un coude ou d'une courbe. Limiter le nitinol à la seule section qui a besoin de flexibilité - plutôt que de l'utiliser sur toute la longueur de l'appareil - permet de réduire les coûts.

Notre développement initial de ce joint mécanique s'est concentré sur une conception de lobe symétrique de base, compatible avec une méthode d'assemblage par poussée, découpée dans un tube à paroi mince. Des conceptions de lobes alternés avec des géométries de lobes inclinables, compatibles avec un assemblage par poussée et torsion, peuvent permettre au joint de transmettre plus de couple dans une direction préférée. Des conceptions de tube alternatives avec des parois plus épaisses augmenteront la résistance du joint sous tension et au couple ainsi que les forces qui auraient tendance à désaligner le joint.

Mark Broadley est directeur des solutions produits chez Viant. Il fournit un support technique aux opérations de l'entreprise et aux équipes commerciales dans les applications des métaux et des tubes.

Les opinions exprimées dans ce billet de blog sont celles de l'auteur uniquement et ne reflètent pas nécessairement celles de Medical Design and Outsourcing ou de ses employés.