Инновации из углеродного волокна в медицинской промышленности

Имплантаты бедра и колена творит чудеса, улучшая мобильность людей и повышая качество их жизни, но они доставляют неудобства металлоискателям в аэропорту. Металл намного плотнее костей, поэтому рентгеновские лучи не проходят сквозь него, что приводит к очередям и неизбежным похлопываниям.

Медицинские имплантаты из углеродного волокна могут это изменить. Несмотря на то, что работа по замене углеродного волокна для тазобедренных и коленных суставов продолжается, во многих областях медицины этот материал уже оказывает решающее влияние. Понимание этой захватывающей области начинается с оценки медицинской ценности углеродного волокна, за которым следует погружение в имплантаты и другие области применения.

Характеристики углеродного волокна, подходящего для медицинского применения

Углеродное волокно легче и прочнее стали, поэтому уже несколько десятилетий используется в аэрокосмической отрасли, автоспорте и автомобилестроении. Начиная с ленты или листа, углеродное волокно можно формовать в сложные структуры, которые будут жесткими, прочными, легкими и более устойчивыми к усталости, чем любой другой металлический эквивалент, даже титан. Это экономит вес при создании более прочных конструкций и компонентов.

В дополнение к этим свойствам углеродное волокно имеет еще три характеристики, которые интересуют медицинских специалистов. Это:

• Рентгенопрозрачный:через него проходят рентгеновские лучи той интенсивности, которая используется для получения медицинских изображений.
• Биосовместимость:тело принимает имплантаты из углеродного волокна, и данные показывают, что они способствуют остеоинтеграции лучше, чем их аналоги из металла.
• По плотности и эластичности похож на кость.

Использование углеродного волокна в медицинском оборудовании

Прочность и радиопрозрачность делают углеродное волокно предпочтительным материалом во многих приложениях для обработки изображений. Например, аппараты КТ и МРТ зависят от сканирования тела пациента на 360 °. Если бы стол, на котором лежали пациенты, был металлическим, он блокировал бы большую часть изображения. Чтобы предотвратить это, пациенты лежат на консольном медицинском столе из углеродного волокна, который скользит в поле визуализации. Эти столы могут выдерживать вес более двухсот фунтов без отклонения и без ограничения обзора радиолога.

Еще одно применение углеродного волокна в медицинском оборудовании - электроинструменты. Для этого требуются уплотнения, которые не протекают ни в одном направлении и выдерживают режимы клинической очистки и стерилизации. В отличие от эластомерных уплотнений, те, которые сделаны из ПТФЭ с углеродным волокном, обладают температурной и химической стойкостью, необходимой для выдерживания этих процессов.

Применение углеродного волокна в протезировании

Людям с ампутированными конечностями требуется легкое, но при этом прочное и долговечное протезирование, что делает углеродное волокно идеальным материалом. Ряд производителей выпускают протезы суставов и конечностей из углеродного волокна. Технологии производства, первоначально разработанные для авиакосмической и автомобильной промышленности, чаще всего используются для создания протезов. Это влечет за собой формирование формы с помощью предварительно пропитанной ленты и прессование или формование в автоклаве. Однако использование 3D-печати растет, что видно на примере нового протеза ноги, в котором используется полиамид Ultramid, армированный коротким углеродным волокном.

Интересное и несколько спорное применение углеродного волокна в протезировании касается ног. Спортсмены обнаружили, что углеродное волокно обеспечивает больший запас энергии и динамический отклик, чем может дать человеческая нога. Это означает, что протезы стопы из углеродного волокна дают спортсменам с ограниченными возможностями преимущество. Углеродное волокно также может улучшить характеристики при использовании в спортивной обуви.

Медицинские имплантаты из углеродного волокна

Обширные исследования, например, подробно описанные в статье «Биосовместимость углеродного волокна для имплантатов», подтверждают, что углеродное волокно не только безопасно для медицинских имплантатов, но и дает ряд преимуществ по сравнению с другими материалами для имплантатов. К ним относятся превосходная передача нагрузок, которая, в соответствии с законом Вольфа, помогает укрепить кости, и электрические свойства, которые способствуют образованию тканей.

Ортопедические имплантаты обычно производятся из полиэфирэфиркетона, армированного углеродным волокном (CFR-PEEK). PEEK - это термопластичный полимер с превосходной химической стойкостью, высокой температурой плавления и температурой стеклования около 289 ° F. Добавление короткого углеродного волокна в смесь создает прочный, устойчивый к усталости и легкий композит. Для изготовления имплантатов из CRF-PEEK используется процесс литья под давлением из композитных материалов.

CFR-PEEK уже несколько лет используется в костных винтах и ​​имплантатах. Спинальные кейджи - еще одно известное применение, и совсем недавно врачи начали использовать этот материал для замены межпозвоночных дисков. В настоящее время ведется работа по использованию ортопедических имплантатов CFR-PEEK в качестве альтернативы титану при замене коленного и тазобедренного суставов.

Интересно, что имплантаты - это область применения, в которой радиопрозрачность углеродного волокна не так полезна. Проблема в том, что это не обнаруживаются на рентгеновских снимках, что затрудняет определение местоположения для медицинских работников. Производители медицинских имплантатов из углеродного волокна решают эту проблему, добавляя материалы, рассеивающие рентгеновские лучи, в частности танталовую проволоку.

Улучшение жизни для миллионов

Свойства, которые делают углеродное волокно столь привлекательным для использования в аэрокосмической отрасли, автоспорте и спортивных товарах, таких как обувь и велосипеды, также делают его отличным кандидатом для множества медицинских целей. Это также подтверждается тем, что углеродное волокно рентгенопрозрачно и имеет механические свойства, аналогичные свойствам человеческой кости. В то время как медицинское оборудование и протезы быстро растут, применение имплантатов имеет наибольший потенциал для улучшения клинических результатов и улучшения качества жизни. Может, даже положат конец задержкам металлоискателей в аэропортах!