Композитните материали от въглеродни влакна се използват все повече в областта на диагностиката, лечението, здравеопазването и свързаните с тях медицински устройства. С постепенното увеличаване на търсенето на медицинския пазар съответните медицински материали от въглеродни влакна също непрекъснато се разширяват и обновяват методите и формите на приложение.
Изследванията на медицински материали от въглеродни влакна започват още през 60-те години на миналия век. По това време беше установено, че материалите от въглеродни влакна имат отлични анти{2}}коагулационни свойства при изследването на анти-коагулационни материали на изкуствени кръвоносни съдове. След 1970 г. Bokros предлага да се използват материали от въглеродни влакна като биомедицински устройства. Според съвременни научни изследвания материалите от въглеродни влакна имат добра биосъвместимост, ниско дразнене на биологичните тъкани, не-токсичност, не-канцерогенност, ниско специфично тегло и модул на еластичност, подобен на човешките кости. Той има потенциалното предимство да се превърне в четвъртото поколение имплантни материали.
Предимства на композитните материали от въглеродни влакна в областта на медицината
1. Анизотропия и проектиране
Композитните материали от въглеродни влакна са анизотропни материали с различни свойства по посока на влакното и перпендикулярно на посоката на влакното, което носи голяма свобода при проектиране. Чрез промяна на метода на полагане (като ъгъл на полагане, ред на полагане) за промяна на еластичността и здравината на продукта, специфичните изисквания за употреба могат да бъдат изпълнени. Компонентите на медицинското оборудване често действат върху различни части на човешкото тяло и специфичните изисквания за ефективност на различните компоненти са различни.
2. Висока пропускливост на рентгенови лъчи
Пропускливостта на рентгеновите лъчи е свързана с елементния състав, атомния номер, плътността и дебелината на проникналия материал. Основните елементи, които изграждат композитните материали от въглеродни влакна, са C, H и O, с малки атомни номера, а коефициентът на масово поглъщане на рентгеновите лъчи е много по-нисък от този на обикновените материали. Коефициентът на пропускане на рентгенови лъчи на алуминиеви плочи с дебелина 1 mm и композитни плочи от въглеродни влакна е съответно 78% и 96%, консумацията на разсейване и абсорбция на алуминиевите плочи е 22%, а тази на плочите от въглеродни влакна е само 4%.
3. Добра устойчивост на умора
Композитните материали от въглеродни влакна съдържат безброй интерфейси влакна/смола. Когато пукнатини се генерират от прекомерни външни сили, тези интерфейси могат ефективно да предотвратят по-нататъшното разширяване на пукнатините и да забавят появата на повреда от умора. Медицинските устройства се използват повторно всеки ден, а добрата устойчивост на умора на композитните материали от въглеродни влакна гарантира експлоатационния живот на инструмента.
В областта на медицинското оборудване композитните материали от въглеродни влакна се използват за производство на мобилни платформи за рентгенови инспекционни машини, като се използва тяхната пълна пропускливост на рентгенови лъчи; CFRP се използва за производство на медицинско оборудване като ортопедия и трансплантация на органи, както и продукти за рехабилитация като протези и ортопеди, като се използват отличните му механични свойства.
Използва се за плочи за CT легло, оборудване за рентгенова инспекция и спомагателно оборудване
Този тип е най-широко използваният и най-обширният медицински куфар от въглеродни влакна в Китай. По-представителните са панели за легла за рентген, CT и B-ултразвук, облегалки за глава за диагностични легла, детекторни панели с плосък панел с висока-дефиниция DR и скоби.
Медицинските CT легла използват предимно изолационни електрически плочи, но тяхната пропускливост на лъчи е ниска, механичните им свойства са лоши и яснотата на изображенията им е лоша. Скоростта на абсорбция и скоростта на разсейване на композитните материали от въглеродни влакна са много по-малки от тези на тях. По време на диагностиката дозата на рентгеновите лъчи може да бъде съответно намалена, мощността на рентгеновия апарат може да бъде намалена, експлоатационният живот на инструмента може да бъде удължен и може да се спести електроенергия.
По-важното е, че композитните материали от въглеродни влакна имат отлична пропускливост на рентгенови лъчи, позволявайки лъчите да се излъчват върху дъската на леглото под всякакъв ъгъл без пречупване. Необходима е само малка доза лъчи, за да се получи ясно изображение, като по този начин се намалява вредата за пациентите и медицинския персонал.
Карбонови влакна за изкуствени кости и изкуствени стави
Понастоящем композитните материали от въглеродни влакна са широко използвани в костни фиксиращи плочи, костни пълнители, стебла на тазобедрените стави, корени на зъби за изкуствени импланти, материали за възстановяване на черепа и материали за изкуствено сърце. Якостта на огъване на човешките кости е около 100Mpa, модулът на огъване е 7~20Gpa, якостта на опън е около 150Mpa, а модулът на опън е около 20Gpa. Якостта на огъване на композитните материали от въглеродни влакна е около 89Mpa, модулът на огъване е 27Gpa, якостта на опън е около 43Mpa, а модулът на опън е около 24Gpa, което е близо до или надвишава здравината на човешките кости.
Понастоящем някои компании са разработили използването на композитни материали от въглеродни влакна за направата на изкуствени кости и стави. Силата на огъване на тази изкуствена кост е по-близка до тази на истинските човешки кости, отколкото на изкуствените кости, направени от други биоматериали, което е от голямо значение за ортопедичната медицина. Износоустойчивостта на изработените от него изкуствени стави също е по-висока от тази на свръх-полиетилен с високо молекулно тегло и метални изделия на подвижната става.
Друга компания е разработила непрекъснати въглеродни влакна или пластмаси, подсилени с филц за възстановяване на костите. Смоляната матрица използва полиметилметакрилат и масовата част на въглеродните влакна е 20%-60%. Тъй като материалът е лек, не пречи на изследванията с ядрено-магнитен резонанс и има добра биосъвместимост, дългосрочното имплантиране в тялото няма неблагоприятни реакции към биологични тъкани, кръв, гръбначно-мозъчна течност и т.н. и няма реакция на отхвърляне, той е подходящ за използване като материал за фиксиране на фрактури или вътрешна фиксация на фрактури или материал за възстановяване на кост.
Възстановяване на зъби
В Европа и Съединените щати в клиничната практика все повече се използва не{0}}метална възстановяваща-система с предварително оформени влакнести щифтове и постепенно се счита за ефективна алтернатива на традиционните метални щифтове и сърцевина за възстановяване на остатъчни корени и коронки на зъбите. Проучвания върху физичните и химичните свойства и биологичните свойства на щифтовете от въглеродни влакна показват, че щифтовете от въглеродни влакна имат механични свойства, които са по-съвместими със зъбните тъкани. Техният модул на еластичност, който е подобен на този на дентина, може да направи напрежението по-равномерно разпределено по тялото на щифта, което е полезно за защита на зъбния корен; в същото време те имат много предимства като добра биосъвместимост и устойчивост на корозия, лесно отстраняване и удобен вторичен ремонт.
Протеза от въглеродни влакна
Връзката и предавателната част между протезата и човешкото тяло се нарича приемна кухина, която основно обвива остатъчния крайник и предава силата. Тази част има високи-изисквания за носене и не може да бъде твърде тежка. Материали от въглеродни влакна също могат да се използват като материали за направата на тази част. Частта, която съдържа остатъчния крайник, може да бъде направена от полиетиленов картон, а опорното тяло може да бъде направено от въглеродни влакна, за да се направи структура на рамката за постигане на лесна опора и предаване на сила.
Връзката между глезена и стъпалото на човешкото тяло играе ключова роля за баланса и опората на тялото. Глезенната става, изработена от въглеродни влакна, може да реализира скачащата функция на човешкото тяло. В допълнение, свързващата част между глезена и протезата на прасеца също може да бъде реализирана с въглеродни влакна. Цялостният продукт е много изискан и също така се представя добре по отношение на безопасността при повреди.
Карбонова инвалидна количка
Плътността на въглеродните влакна е само 1,7g/cm3. Аксесоарите със същата спецификация са повече от половината по-леки от тези от алуминиева сплав, но здравината е много по-голяма. В допълнение, въглеродните влакна също са много-устойчиви на корозия. Значителна част от пациентите с инвалидни колички се сблъскват с проблеми като инконтиненция и чест контакт с инжекции и лекарства. В този случай аксесоарите, изработени от композитни материали от въглеродни влакна, показват издръжливост, която трудно може да се сравни с обикновените метални материали.
Понастоящем композитните материали от въглеродни влакна се използват главно в аксесоари като подлакътници, подлакътници, подложки за крака, облегалки за крака, облегалки, поли и рамкови тръби. Повечето от тези аксесоари могат да се регулират на височина. Композитните материали от въглеродни влакна са лесни за сглобяване с инвалидната количка като цяло чрез механична връзка. Най-важното е, че след като тези аксесоари се използват в композитни материали от въглеродни влакна, общото тегло на инвалидната количка е значително намалено и като често използван компонент, тя е станала по-здрава и по-издръжлива.
Композитните материали от въглеродни влакна имат отлична производителност и са широко използвани в цивилното ежедневие. Те също са проверени от десетилетия на приложение. Те са безопасни и надеждни за околната среда и човешкото здраве.
С непрекъснатия напредък на медицинската технология, медицинското оборудване също постоянно се обновява и развива. Инвестицията и приложението на въглеродни влакна в медицински устройства представлява нова тенденция и посока и със сигурност ще постави началото на по-широка перспектива за приложение в бъдеще.
