Materiały kompozytowe z włókna węglowego są coraz częściej stosowane w diagnostyce, leczeniu, opiece zdrowotnej i pokrewnych urządzeniach medycznych. Wraz ze stopniowym wzrostem popytu na rynku medycznym, odpowiednie materiały medyczne z włókna węglowego również stale się rozwijają i wprowadzają innowacje w zakresie metod i form aplikacji.
Badania nad medycznymi materiałami z włókna węglowego rozpoczęły się już w latach 60. XX wieku. W tamtym czasie w badaniach nad materiałami antykoagulacyjnymi do sztucznych naczyń krwionośnych odkryto wówczas, że materiały z włókna węglowego mają doskonałe-właściwości antykoagulacyjne. Po 1970 roku Bokros zaproponował wykorzystanie materiałów z włókna węglowego jako urządzeń biomedycznych. Według współczesnych badań naukowych materiały z włókna węglowego charakteryzują się dobrą biokompatybilnością, niskim poziomem podrażnienia tkanek biologicznych, nie-toksycznością,-rakotwórczością, niskim ciężarem właściwym i modułem sprężystości podobnym do ludzkich kości. Ma potencjalną zaletę bycia materiałem implantacyjnym czwartej generacji.
Zalety materiałów kompozytowych z włókna węglowego w medycynie
1. Anizotropia i projektowalność
Materiały kompozytowe z włókna węglowego to materiały anizotropowe o różnych właściwościach wzdłuż kierunku włókien i prostopadle do kierunku włókien, co zapewnia dużą swobodę projektowania. Zmieniając metodę układania (np. kąt ułożenia, kolejność układania) w celu zmiany elastyczności i wytrzymałości produktu, można spełnić specyficzne wymagania użytkowania. Komponenty sprzętu medycznego często oddziałują na różne części ludzkiego ciała, a specyficzne wymagania eksploatacyjne poszczególnych komponentów są różne.
2. Wysoka przepuszczalność-promienia rentgenowskiego
Przepuszczalność promieni X-jest powiązana ze składem pierwiastkowym, liczbą atomową, gęstością i grubością penetrowanego materiału. Głównymi pierwiastkami tworzącymi materiały kompozytowe z włókna węglowego są C, H i O o małych liczbach atomowych, a współczynnik absorpcji masy promieni X- jest znacznie niższy niż w przypadku materiałów ogólnych. Przepuszczalność promieni X-płyt aluminiowych o grubości 1 mm i płyt kompozytowych z włókna węglowego wynosi odpowiednio 78% i 96%, zużycie rozpraszania i absorpcji w przypadku płyt aluminiowych wynosi 22%, a płyt z włókna węglowego tylko 4%.
3. Dobra odporność na zmęczenie
Materiały kompozytowe z włókna węglowego zawierają niezliczoną ilość styków włókno/żywica. Kiedy pęknięcia powstają w wyniku nadmiernych sił zewnętrznych, połączenia te mogą skutecznie zapobiegać dalszemu rozszerzaniu się pęknięć i opóźniać występowanie uszkodzeń zmęczeniowych. Urządzenia medyczne są codziennie ponownie wykorzystywane, a dobra odporność na zmęczenie materiałów kompozytowych z włókna węglowego zapewnia trwałość instrumentu.
W dziedzinie sprzętu medycznego materiały kompozytowe z włókna węglowego są wykorzystywane do produkcji platform mobilnych dla maszyn do kontroli rentgenowskiej-, wykorzystując ich pełną-przepuszczalność promieniowania rentgenowskiego; CFRP jest używany do produkcji sprzętu medycznego, takiego jak ortopedia i przeszczepianie narządów, a także produktów rehabilitacyjnych, takich jak protezy i ortezy, wykorzystując jego doskonałe właściwości mechaniczne.
Stosowany w płytach podstawowych CT, sprzęcie-kontroli rentgenowskiej i sprzęcie pomocniczym
Ten typ jest najczęściej stosowaną i najobszerniejszą walizką medyczną z włókna węglowego w Chinach. Bardziej reprezentatywne są panele do inspekcji rentgenowskiej, CT i B-ultradźwiękowej, zagłówki łóżek diagnostycznych, płaskie panele detektorów DR-o wysokiej rozdzielczości i wsporniki.
W łóżkach do tomografii komputerowej do celów medycznych stosuje się najczęściej izolacyjne płyty elektryczne, ale ich przepuszczalność promieni jest niska, właściwości mechaniczne i klarowność obrazowania są słabe. Szybkość absorpcji i szybkość rozpraszania materiałów kompozytowych z włókna węglowego są znacznie mniejsze niż w przypadku materiałów kompozytowych z włókna węglowego. Podczas diagnozy można odpowiednio zmniejszyć-dawkę promieniowania rentgenowskiego, zmniejszyć moc-aparatu rentgenowskiego, wydłużyć żywotność urządzenia i zaoszczędzić energię elektryczną.
Co ważniejsze, materiały kompozytowe z włókna węglowego charakteryzują się doskonałą-przepuszczalnością promieni rentgenowskich, dzięki czemu promienie mogą być napromieniane na deskę łóżka pod dowolnym kątem, bez załamania. Aby uzyskać wyraźne obrazowanie, wystarczy niewielka dawka promieni, co zmniejsza ryzyko dla pacjentów i personelu medycznego.
Włókno węglowe do sztucznych kości i stawów
Obecnie materiały kompozytowe z włókna węglowego są szeroko stosowane w płytkach mocujących kości, wypełniaczach kostnych, trzpieniach stawów biodrowych, korzeniach zębów sztucznych implantów, materiałach do naprawy czaszki i materiałach sztucznego serca. Wytrzymałość na zginanie ludzkich kości wynosi około 100Mpa, moduł zginania wynosi 7 ~ 20Gpa, wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 150Mpa, a moduł sprężystości wynosi około 20Gpa. Wytrzymałość na zginanie materiałów kompozytowych z włókna węglowego wynosi około 89Mpa, moduł zginania wynosi 27Gpa, wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 43Mpa, a moduł rozciągania wynosi około 24Gpa, co jest bliskie lub przekracza wytrzymałość ludzkich kości.
Obecnie niektóre firmy opracowały zastosowanie materiałów kompozytowych z włókna węglowego do wytwarzania sztucznych kości i stawów. Wytrzymałość na zginanie tej sztucznej kości jest bliższa prawdziwym kościom ludzkim niż sztucznym kościom wykonanym z innych biomateriałów, co ma ogromne znaczenie w medycynie ortopedycznej. Odporność na zużycie sztucznych stawów z niego wykonanych jest również wyższa niż w przypadku wyrobów z polietylenu i metalu o ultra-wysokiej masie cząsteczkowej w stawie ruchomym.
Inna firma opracowała ciągłe włókno węglowe lub tworzywa sztuczne wzmocnione filcem do naprawy kości. W matrycy żywicy zastosowano polimetakrylan metylu, a udział masowy włókna węglowego wynosi 20%-60%. Ze względu na to, że materiał jest lekki, nie koliduje z badaniami MRI i posiada dobrą biokompatybilność, długoterminowa implantacja w organizmie nie powoduje niepożądanych reakcji na tkanki biologiczne, krew, płyn mózgowo-rdzeniowy itp. oraz nie powoduje reakcji odrzucenia, nadaje się do stosowania jako materiał do mocowania złamań lub wewnętrznego mocowania złamań lub materiału do naprawy kości.
Odbudowa zęba
W Europie i Stanach Zjednoczonych w praktyce klinicznej coraz częściej stosuje się nie-metalowy-system wkładów z włókien preformowanych i stopniowo uważa się go za skuteczną alternatywę dla tradycyjnego metalowego systemu wkładów i rdzenia do naprawy pozostałych korzeni i koron zębów. Badania właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych wkładów z włókna węglowego pokazują, że wkłady z włókna węglowego mają właściwości mechaniczne bardziej kompatybilne z tkankami zęba. Ich moduł sprężystości, podobny do modułu zębiny, pozwala na bardziej równomierne rozłożenie naprężeń wzdłuż korpusu wkładu, co jest korzystne dla ochrony korzenia zęba; jednocześnie mają wiele zalet, takich jak dobra biokompatybilność i odporność na korozję, łatwe usuwanie i wygodna naprawa wtórna.
Proteza z włókna węglowego
Element łączący i transmisyjny między protezą a ciałem ludzkim nazywany jest jamą przyjmującą, która owija głównie kikut i przenosi siłę. Ta część ma wysokie wymagania dotyczące-nośności i nie może być zbyt ciężka. Materiały z włókna węglowego mogą być również użyte jako materiały do wykonania tej części. Część zawierająca kikut może być wykonana z płyty polietylenowej, a korpus nośny może być wykonany z włókna węglowego, tworząc konstrukcję ramową zapewniającą łatwe podparcie i przenoszenie siły.
Połączenie między kostką a stopą ludzkiego ciała odgrywa kluczową rolę w równowadze i podparciu ciała. Staw skokowy wykonany z włókna węglowego może realizować funkcję skakania ludzkiego ciała. Ponadto część łącząca kostkę z protezą łydki może być również wykonana z włókna węglowego. Ogółem produkt jest bardzo wykwintny i sprawdza się również pod względem bezpieczeństwa przed uszkodzeniami.
Wózek inwalidzki z włókna węglowego
Gęstość włókna węglowego wynosi zaledwie 1,7 g/cm3. Akcesoria o tej samej specyfikacji są o ponad połowę lżejsze niż te ze stopu aluminium, ale wytrzymałość jest znacznie większa. Ponadto włókno węglowe jest również bardzo-odporne na korozję. Znaczna część pacjentów na wózkach inwalidzkich boryka się z problemami, takimi jak nietrzymanie moczu i częsty kontakt z zastrzykami i lekami. W tym przypadku akcesoria wykonane z materiałów kompozytowych z włókna węglowego wykazują trwałość, którą trudno dorównać zwykłym materiałom metalowym.
Obecnie materiały kompozytowe z włókna węglowego stosowane są głównie w akcesoriach takich jak podłokietniki, podłokietniki, podnóżki, podnóżki, oparcia, spódnice i rurki ramy. Większość tych akcesoriów można regulować na wysokość. Materiały kompozytowe z włókna węglowego można łatwo połączyć z wózkiem jako całością poprzez połączenie mechaniczne. Najważniejsze jest to, że po zastosowaniu tych akcesoriów w materiałach kompozytowych z włókna węglowego, całkowita waga wózka została znacznie zmniejszona, a jako często używany element stał się mocniejszy i trwalszy.
Materiały kompozytowe z włókna węglowego mają doskonałą wydajność i są szeroko stosowane w codziennym życiu cywilnym. Zostały one również zweryfikowane przez dziesięciolecia stosowania. Są bezpieczne i niezawodne dla środowiska i zdrowia ludzkiego.
Wraz z ciągłym rozwojem technologii medycznej, również sprzęt medyczny podlega ciągłym innowacjom i rozwojowi. Inwestycje i zastosowanie włókna węglowego w wyrobach medycznych wyznaczają nowy trend i kierunek i z pewnością zapoczątkowują szersze perspektywy jego zastosowania w przyszłości.
