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碳纖維復合材料在醫療器械領域的應用

碳纖維復合材料在醫療器械領域的應用

  • 分類:公司新聞
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2021-06-30
  • 訪問量:

【概要描述】碳纖維復合材料在診療、保健及相關醫療器械領域的應用越來越廣泛,隨著醫療市場需求的逐步增大,有關碳纖維醫用材料也在應用途徑和形式上不斷拓展和創新。

碳纖維復合材料在醫療器械領域的應用

【概要描述】碳纖維復合材料在診療、保健及相關醫療器械領域的應用越來越廣泛,隨著醫療市場需求的逐步增大,有關碳纖維醫用材料也在應用途徑和形式上不斷拓展和創新。

  • 分類:公司新聞
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2021-06-30
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碳纖維復合材料在診療、保健及相關醫療器械領域的應用越來越廣泛,隨著醫療市場需求的逐步增大,有關碳纖維醫用材料也在應用途徑和形式上不斷拓展和創新。

醫用碳纖維材料的研究最早從本世紀60年代開始,當時在人造血管的抗血凝材料研究中發現了碳纖維材料具有優秀的抗血凝性能。1970年以后,Bokros提出將碳纖維材料作為生物醫學器件。根據現代科學研究表明,碳纖維材料具有良好的生物相容性,對生物體組織刺激性小、無毒、不致癌、比重小、彈性模量與人骨相近等優點,有成為第四代植入材料的潛在優勢。

碳纖維復合材料在醫療領域的應用優勢

1、各向異性和可設計性碳纖維復合材料是各向異性材料,沿纖維方向和垂直于纖維方向的性能不同,給設計帶來很大的自由度,通過改變鋪層方式(例如鋪層角度、鋪層順序)來改變產品的彈性和強度等特性,滿足具體使用要求。而醫療設備部件往往作用于不同的人體部位,不同部件具體性能要求不—樣。

2、X射線透過率高X射線的透過率和所穿透物質的元素組成、原子序數、密度、厚度有關,組成碳纖維復合材料的主要元素為C、H、O,原子序數小,X射線質量吸收系數遠低于—般材料。1mm厚的鋁板和碳纖維復合材料板,它們的X射線透過率分別為78%和96%,鋁板散射和吸收消耗為22%,碳纖維板只有4%。

3、良好的抗疲勞性碳纖維復合材料中包含無數纖維/樹脂界面,當受到過大的外力產生裂紋,這些界面能有效阻止裂紋的進—步擴大,推遲疲勞破壞的產生。醫療器械每天都在重復使用,碳纖維復合材料良好的抗疲勞性能保證儀器的使用壽命。在醫療器械領域,利用其X射線全透射性,碳纖維復合材料被用于制造X光檢查儀用移動平臺;利用CFRP優異的機械性能,其被用于制造骨科用和器官移植用等醫療器械,以及制造假肢、矯形器等康復產品。

用于CT床板、X光檢查等設備及輔助設備

這類是目前國內應用較多和較廣泛的碳纖維醫用案例,較有代表性的有X光、CT和B超檢查床面板、診斷床用頭托、高清DR平板探測儀用面板,以及支架等。

醫療用CT床板多采用絕緣電板,但其射線透過率低,力學性能差,成像清晰度差。碳纖維復合材料的吸收率和散射率與其相比要小得多,在診斷時可以相應地降低X射線劑量,降低X光機的功率,延長儀器使用壽命,節省電能。

更重要的是碳纖維復合材料因為這種優異的X射線透過性能,允許射線以任何角度照射在床板上而不產生折射,只需小劑量的射線即可獲得清晰的造影,從而減少了對患者及醫護人員的危害。

此前,日本醫療器械設計制造展覽會上,帝人集團展示了旗下碳纖維復合材料在醫療領域的應用產品——腦外科手術應用的碳纖維支架。

用于人工骨和人工關節的碳纖維

目前碳纖維復合材料已廣泛應用于骨內固定板、骨填料、髖關節柄、人工種植齒根、顱骨補修材料以及人工心臟材料等。人體骨骼的彎曲強度在100Mpa左右,彎曲模量在7~20Gpa,拉伸強度約150Mpa,抗拉模量約在20Gpa。而碳纖維復合材料的彎曲強度為89Mpa左右,彎曲模量為27Gpa,拉伸強度約43Mpa、抗拉模量約24Gpa,相較而言已接近或超越人體骨骼的強度。

目前有公司研究出使用碳纖維復合材料制作人工骨和關節,這種人工骨的抗彎曲強度較其他生物材料制成的人工骨,更接近于真實的人骨,這對矯形醫學意義重大。用它制成的人工關節在活動連接處的耐磨性也比超高相對分子質量聚乙烯及金屬制品要高。

Invibio公司是醫療器械的知名供應商,它所開發的短切碳纖維增強聚醚醚酮(PEEK),具有優良的力學強度和抗拉蠕變性,可承載骨頭、血液及人體組織所需的負荷,與人體的相容性良好。這種人工骨的抗彎曲強度較其他生物材料制成的人工骨,更接近于真實的人骨,這對矯形醫學意義重大。用它制成的人工關節在活動連接處的耐磨性也比超高相對分子質量聚乙烯及金屬制品要高。

還有一家公司開發了骨骼修復用連續碳纖維或其氈增強塑料,樹脂基體采用聚甲基丙烯酸甲酯,碳纖維的質量分數為20%-60%。由于該材料質輕、對核磁共振成像檢查無干擾,還具有很好的生物相容性,長期植入生物體內對生物體組織、血液和腦脊液等無不良反應,無排異反應,因此適用作骨折處固定用材料或骨折內固定或骨骼修補材料。

牙體修復

在歐美國家,非金屬修復–預成纖維樁系統正越來越多地應用于臨床,并逐漸被認為可有效替代傳統的金屬樁核系統修復牙齒的殘根殘冠。對碳纖維樁的理化性能、生物學性能研究表明,碳纖維樁具有與牙體組織更匹配的機械性能,其近似于牙本質的彈性模量可以使應力沿著樁體更均勻地分布,有利于保護牙根;同時具有良好的生物相容性及耐腐蝕性,易拆除、便于二次修復等眾多優點。

碳纖維假肢

假肢和人體的鏈接傳遞部分稱為接受腔,主要包裹殘肢和傳遞力量。這個部分承重要求高、且不能太重,碳纖維材料也可作為制作此部位的材料。包容殘肢的部分可用聚乙烯板,支撐體可使用碳纖維制作框架結構,實現輕松支撐和傳遞力量。

人體的腳踝和腳的連動對于身體的平衡和支撐有著關鍵的作用,碳纖維制作的踝關節能夠實現人體跳躍功能,另外腳踝和小腿假肢的銜接部分也可用碳纖維實現,制作出來的產品整體非常精美,在破損安全性方面也表現出色。

碳纖維輪椅

碳纖維的密度只有1.7g/cm3,同規格的配件比鋁合金材質的還要輕一半以上,但是強度要大得多,另外,碳纖維還具有很強的耐腐蝕性,相當比例的輪椅患者面臨著大小便失禁以及要經常與針劑藥水接觸等問題,在此情況下,碳纖維復合材料的配件就展現出一般金屬材質所難以匹敵的耐用性。

目前碳纖維復合材料主要用于扶手、臂托、腳托、腿托、靠背、護裙板以及框架管等配件中,這些配件大都可以調節高度,碳纖維復合材料便于通過機械連接與輪椅整體進行裝配,最為重要的是這些配件在使用了碳纖維復合材料后,輪椅的整體重量得到了明顯的縮減,而且作為使用頻率很高的部件,也變得更加結實耐用。

碳纖維復合材料性能可靠,已經廣泛應用于民用日常生活中,也經過了幾十年的應用驗證,其對環境和人體健康是安全可靠的。

隨著醫療技術的不斷進步,醫療設備也在不斷創新發展,碳纖維在醫療器械方面的投入應用代表著新的趨勢和方向,未來必將迎來更加廣闊的應用前景。

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