中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

碳纤维复合材料在医疗领域的应用优势

2021-04-21

碳纤维复合材料在诊疗、保健及相关医疗器械领域的应用越来越广泛,随着医疗市场需求的逐步增大,有关碳纤维医用材料也在应用途径和形式上不断拓展和创新。

医用碳纤维材料的研究最早从本世纪60年代开始,当时在人造血管的抗血凝材料研究中发现了碳纤维材料具有优秀的抗血凝性能。


1878年爱迪生和他的第二个留声机
1879年,美国发明大王爱迪生曾以竹、亚麻或棉纱为原料,首先制得碳纤维并获得专利,但当时制得的纤维力学性能很低,工艺也不能工业化,未能获得发展。

1970年,美国人J.C.博克罗斯将热解碳涂于金属表面用于临床。此后,碳涂层材料即得到迅速发展,并成为制造人工心瓣膜提出将碳纤维材料作为生物医学器件。


根据现代科学研究表明,碳纤维材料具有良好的生物相容性,对生物体组织刺激性小、无毒、不致癌、比重小、弹性模量与人骨相近等优点,有成为第四代植入材料的潜在优势。

碳纤维应用:人工骨骼和人工关节
目前碳纤维复合材料广泛应用于骨内固定板、骨填料、髋关节柄、人工种植齿根、颅骨补修材料以及人工心脏材料等医疗领域中。

有公司更是研究出,使用碳纤维复合材料或其他生物材料制成的人工骨,更接近于真实的人骨,这对矫形医学意义重大。

用它制成的人工关节在活动连接处的耐磨性也比超高相对分子质量聚乙烯及金属制品要高。


Invibio公司是医疗器械的知名供应商,它所开发的短切碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK),具有优良的力学强度和抗拉蠕变性,可承载骨头、血液及人体组织所需的负荷,与人体的相容性良好。

这种人工骨的抗弯曲强度较其他生物材料制成的人工骨,更接近于真实的人骨,这对矫形医学意义重大。用它制成的人工关节在活动连接处的耐磨性也比超高相对分子质量聚乙烯及金属制品要高。

在国内,新材料知名公司上海杰事杰开发了骨骼修复用连续碳纤维,树脂基体采用聚甲基丙烯酸甲酯,碳纤维的质量分数为20%-60%。


由于该材料质轻、对核磁共振成像检查无干扰,同时经生物毒理性试验证明符合国家标准,还具有很好的生物相容性,长期植入生物体内对生物体组织、血液和脑脊液等无不良反应,无排异反应,因此适用作骨折处固定用材料或骨折内固定或骨骼修补材料。

那么总结一下,碳纤维复合材料在医疗领域的应用,有哪些显著的优势呢?

01
各向异性和可设计性

碳纤维复合材料是各向异性材料,沿纤维方向和垂直于纤维方向的性能不同,给设计带来很大的自由度,通过改变铺层方式(例如铺层角度、铺层顺序)来改变产品的弹性和强度等特性,满足具体使用要求。

而医疗设备部件往往作用于不同的人体部位,不同部件具体性能要求不—样。

02
X射线透过率高

X射线的透过率和所穿透物质的元素组成、原子序数、密度、厚度有关,组成碳纤维复合材料的主要元素为C、H、O,原子序数小,X射线质量吸收系数远低于—般材料。

1mm厚的铝板和碳纤维复合材料板,它们的X射线透过率分别为78%和96%,铝板散射和吸收消耗为22%,碳纤维板只有4%。

03
抗疲劳性极为良好

碳纤维复合材料中包含无数纤维/树脂界面,当受到过大的外力产生裂纹,这些界面能有效阻止裂纹的进—步扩大,推迟疲劳破坏的产生。

医疗器械每天都在重复使用,碳纤维复合材料良好的抗疲劳性能保证仪器的使用寿命。

在医疗器械领域,利用其X射线全透射性,碳纤维复合材料被用于制造X光检查仪用移动平台;利用CFRP优异的机械性能,其被用于制造骨科用和器官移植用等医疗器械,以及制造假肢、矫形器等康复产品。

04
用于CT床板设备及辅助设备

这类是目前国内应用最多和最广泛的碳纤维医用案例,较有代表性的有X光、CT和B超检查床面板、诊断床用头托、高清DR平板探测仪用面板,以及支架等。

医疗用CT床板多采用绝缘电板,但其射线透过率低,力学性能差,成像清晰度差。碳纤维复合材料的吸收率和散射率与其相比要小得多,在诊断时可以相应地降低X射线剂量,降低X光机的功率,延长仪器使用寿命,节省电能。

更重要的是碳纤维复合材料因为这种优异的X射线透过性能,允许射线以任何角度照射在床板上而不产生折射,只需小剂量的射线即可获得清晰的造影,从而减少了对患者及医护人员的危害。

总结
碳纤维复合材料性能优异,已经广泛应用于民用日常生活中,随着医疗技术的不断进步,不断创新发展,碳纤维在医疗器械方面的投入应用代表着新的趋势和方向,未来必将迎来更加广阔的应用前景!

文章来源:新材料研习社