Инновации из углеродного волокна для медицинской промышленности

Бедро и коленные имплантаты сотворили чудеса в улучшении мобильности и качества жизни людей, но они немного мешают металлодетекторам в аэропортах. Металл намного плотнее кости, поэтому рентгеновские лучи через него не проходят, что может привести к образованию линий и неизбежным обыскам.

Медицинские имплантаты из углеродного волокна могут изменить ситуацию. Несмотря на то, что работа над заменителями тазобедренных и коленных суставов из углеродного волокна продолжается, этот материал уже оказывает огромное влияние во многих медицинских целях. Понимание этой захватывающей области начинается с понимания медицинской ценности углеродного волокна, прежде чем углубляться в имплантаты и другие применения.

Коленный сустав

Свойства углеродного волокна, благоприятные для медицинского применения

Углеродные волокна легче и прочнее стали, они десятилетиями использовались в аэрокосмической отрасли, автоспорте и автомобилестроении. Начиная с лент или листов, углеродные волокна можно формовать в сложные конструкции, которые являются более жесткими, прочными, легкими и более устойчивыми к усталости, чем любой металлический эквивалент или даже титан. Это позволяет снизить вес при создании более прочных конструкций и компонентов.

Помимо этих свойств, углеродное волокно обладает еще тремя свойствами, которые представляют интерес для медицинских работников. Это

Рентгеноконтрастный: через него проходят рентгеновские лучи той интенсивности, которая используется для медицинской визуализации.

Биосовместимость: организм принимает имплантаты из углеродного волокна, и есть доказательства того, что они способствуют остеоинтеграции лучше, чем их металлические эквиваленты.

Плотность и эластичность аналогичны кости.

Тазобедренный сустав с четырьмя стержнями

Использование углеродного волокна в медицинских устройствах

Прочность и лучевая проницаемость делают углеродные волокна предпочтительным материалом для многих приложений визуализации. Например, аппараты КТ и МРТ полагаются на 360-градусный обзор.° сканирование тела пациента. Если пациент лежит на металлическом столе, это может блокировать большую часть изображения. Чтобы предотвратить это, пациенты лежат на консольном медицинском столе из углеродного волокна, который скользит в область визуализации. Эти столы могут выдерживать нагрузку более 200 фунтов, не прогибаясь и не ограничивая обзор радиолога.

Еще одно применение углеродного волокна в медицинских устройствах — электроинструменты. Для этого требуются уплотнения, которые не протекают ни в одном направлении и могут выдерживать протоколы клинической очистки и стерилизации. В отличие от эластомерных уплотнений, уплотнения из ПТФЭ, наполненного углеродным волокном, обладают температурной и химической стойкостью, необходимой для противостояния этим процессам.

Четырехбарный пневматический коленный шарнир

Применение протезов из углеродных волокон

Людям с ампутированными конечностями нужны легкие, прочные и долговечные протезы, поэтому углеродное волокно является идеальным материалом. Многие производители изготавливают протезы гнезд и конечностей из углеродного волокна. Технологии производства, первоначально разработанные для аэрокосмической отрасли и автоспорта, чаще всего используются для создания протезов конечностей. Для придания формы требуется использование предварительно пропитанной ленты и прессование или формование в автоклаве.

Одно интересное и противоречивое применение углеродного волокна для протезирования касается стопы. Спортсмены обнаружили, что углеродное волокно обеспечивает больший запас энергии и динамическую реакцию, чем может обеспечить человеческая нога. Это значит, что протезы ног из углеродного волокна дают преимущество спортсменам с ограниченными возможностями. Углеродные волокна также могут повысить производительность при использовании в спортивной обуви.

Нога Sach Energy для хранения энергии из углеродного волокна

Медицинские имплантаты из углеродного волокна

Обширные исследования, например, подробно описанные в «Биосовместимости углеродного волокна для имплантатов», подтвердили, что углеродное волокно не только безопасно для медицинских имплантатов, но также имеет ряд преимуществ по сравнению с другими материалами для имплантатов. К ним относятся превосходная передача нагрузки, которая, согласно закону Вольфа, помогает укрепить кости, а также электрические свойства, способствующие образованию тканей.

Ортопедические имплантаты обычно изготавливаются из полиэфирэфиркетона, армированного углеродным волокном (CFR-PEEK), термопластичного полимера с превосходной химической стойкостью, высокой температурой плавления и температурой стеклования около 289°С.°F. Добавление в смесь коротких отрезков углеродного волокна приводит к получению прочного, усталостного и легкого композита. Процесс формования композита является производным от литья под давлением и используется для изготовления имплантатов CRF-PEEK.

Одноосный механический тазобедренный сустав из нержавеющей стали

CFR-PEEK уже несколько лет используется в костных винтах и ​​имплантатах. Еще одним признанным применением являются спинальные клетки, а в последнее время врачи начали использовать этот материал для замены межпозвонковых дисков. Ведутся работы по использованию ортопедических имплантатов CFR-PEEK в качестве альтернативы титану при замене коленного и тазобедренного суставов.

Интересно, что имплантаты — это область применения, где рентгенопрозрачность углеродного волокна не так полезна. Проблема здесь в том, что это не'Они не обнаруживаются на рентгеновских снимках, что затрудняет определение местоположения медицинским работникам. Производители медицинских имплантатов из углеродного волокна решают эту проблему, добавляя материалы, рассеивающие рентгеновские лучи, в частности, танталовую проволоку.

Делаем жизнь миллионов людей лучше

Те же свойства, которые делают углеродное волокно столь привлекательным в аэрокосмической отрасли, автоспорте и спортивных товарах, таких как обувь и велосипеды, также делают его отличным кандидатом для многих медицинских применений. Это также подтверждается тем фактом, что углеродные волокна проницаемы для лучей и имеют механические свойства, аналогичные свойствам человеческой кости. В то время как использование медицинских устройств и протезов процветает, применение имплантатов имеет наибольший потенциал для улучшения клинических результатов и повышения качества жизни. Возможно, они даже положат конец задержкам с металлодетекторами в аэропортах!