Kompozitní materiály z uhlíkových vláken se stále více používají v oblastech diagnostiky, léčby, zdravotní péče a souvisejících lékařských zařízení. S postupným nárůstem poptávky na lékařském trhu se také příslušné lékařské materiály z uhlíkových vláken neustále rozšiřují a inovují v aplikačních metodách a formách.
Výzkum lékařských materiálů z uhlíkových vláken začal již v 60. letech 20. století. V té době bylo zjištěno, že materiály z uhlíkových vláken mají vynikající anti{2}}koagulační vlastnosti při výzkumu anti-koagulačních materiálů umělých cév. Po roce 1970 Bokros navrhl používat materiály z uhlíkových vláken jako biomedicínská zařízení. Podle moderního vědeckého výzkumu mají materiály z uhlíkových vláken dobrou biokompatibilitu, nízkou dráždivost pro biologické tkáně, nejsou-toxické,-karcinogenní, mají nízkou specifickou hmotnost a modul pružnosti podobný lidským kostem. Má potenciální výhodu stát se čtvrtou generací implantačních materiálů.
Výhody kompozitních materiálů z uhlíkových vláken v lékařské oblasti
1. Anizotropie a designovatelnost
Kompozitní materiály z uhlíkových vláken jsou anizotropní materiály s různými vlastnostmi ve směru vlákna a kolmo ke směru vlákna, což přináší velkou volnost při navrhování. Změnou způsobu pokládky (jako je úhel pokládky, pořadí pokládky) za účelem změny pružnosti a pevnosti produktu lze splnit specifické požadavky na použití. Komponenty lékařského vybavení často působí na různé části lidského těla a specifické požadavky na výkon různých komponent jsou různé.
2. Vysoká propustnost rentgenového záření
Propustnost X-paprsků souvisí s elementárním složením, atomovým číslem, hustotou a tloušťkou proniknutého materiálu. Hlavními prvky, které tvoří kompozitní materiály z uhlíkových vláken, jsou C, H a O s malými atomovými čísly a koeficient absorpce hmoty X- záření je mnohem nižší než u běžných materiálů. Propustnost rentgenového záření hliníkových desek o tloušťce 1 mm a kompozitních desek z uhlíkových vláken je 78 % a 96 %, spotřeba rozptylu a absorpce hliníkových desek je 22 % a desek z uhlíkových vláken pouze 4 %.
3. Dobrá odolnost proti únavě
Kompozitní materiály z uhlíkových vláken obsahují nespočet rozhraní vlákno/pryskyřice. Když jsou trhliny vytvářeny nadměrnými vnějšími silami, mohou tato rozhraní účinně zabránit dalšímu rozšiřování trhlin a oddálit vznik únavového poškození. Lékařská zařízení jsou znovu používána každý den a dobrá odolnost kompozitních materiálů z uhlíkových vláken zajišťuje životnost nástroje.
V oblasti lékařského vybavení se kompozitní materiály z uhlíkových vláken používají k výrobě mobilních platforem pro rentgenové inspekční stroje s využitím jejich plné propustnosti pro rentgenové záření; CFRP se používá k výrobě lékařského vybavení, jako je ortopedie a transplantace orgánů, a také rehabilitačních produktů, jako jsou protézy a protetiky, a to díky využití jeho vynikajících mechanických vlastností.
Používá se pro CT základní desky, rentgenová kontrolní zařízení a pomocná zařízení
Tento typ je nejrozšířenějším a nejrozsáhlejším lékařským pouzdrem z uhlíkových vláken v Číně. Ty reprezentativnější jsou panely X-ray, CT a B{2}}ultrazvukové inspekční lůžka, opěrky hlavy diagnostických lůžek, panely s plochým panelem s vysokým-definicí DR a držáky.
Lékařské CT ložné desky většinou používají izolační elektrické desky, ale jejich propustnost paprsků je nízká, jejich mechanické vlastnosti jsou špatné a jejich obrazová čistota je špatná. Míra absorpce a rychlost rozptylu kompozitních materiálů z uhlíkových vláken jsou mnohem menší než u nich. Během diagnostiky lze odpovídajícím způsobem snížit dávku rentgenového záření, snížit výkon rentgenového přístroje, prodloužit životnost přístroje a ušetřit elektřinu.
Ještě důležitější je, že kompozitní materiály z uhlíkových vláken mají vynikající propustnost pro rentgenové záření, což umožňuje paprskům ozařovat prkénko postele v jakémkoli úhlu bez lomu. K získání čistého zobrazení je zapotřebí pouze malá dávka paprsků, čímž se sníží poškození pacientů a zdravotnického personálu.
Karbonové vlákno pro umělé kosti a umělé klouby
V současné době jsou kompozitní materiály z uhlíkových vláken široce používány v kostních fixačních deskách, kostních výplních, dřících kyčelních kloubů, zubních kořenech umělých implantátů, materiálech na opravu lebky a materiálech pro umělé srdce. Pevnost v ohybu lidských kostí je asi 100 Mpa, modul ohybu je 7 ~ 20 Gpa, pevnost v tahu je asi 150 Mpa a modul v tahu je asi 20 Gpa. Pevnost v ohybu kompozitních materiálů z uhlíkových vláken je asi 89 Mpa, modul v ohybu je 27 Gpa, pevnost v tahu je asi 43 Mpa a modul v tahu je asi 24 Gpa, což je blízko nebo přesahuje pevnost lidských kostí.
V současné době některé společnosti vyvinuly použití kompozitních materiálů z uhlíkových vláken k výrobě umělých kostí a kloubů. Pevnost v ohybu této umělé kosti je bližší skutečným lidským kostem než umělým kostem vyrobeným z jiných biomateriálů, což má pro ortopedickou medicínu velký význam. Odolnost proti opotřebení umělých kloubů z něj vyrobených je také vyšší než u ultra-polyethylenu s vysokou molekulovou hmotností a kovových výrobků na pohyblivém kloubu.
Jiná společnost vyvinula kontinuální plasty vyztužené uhlíkovými vlákny nebo plstí pro opravu kostí. Pryskyřičná matrice používá polymethylmethakrylát a hmotnostní podíl uhlíkových vláken je 20 %-60 %. Vzhledem k tomu, že materiál je lehký, neruší vyšetření magnetickou rezonancí a má dobrou biokompatibilitu, dlouhodobá implantace v těle nemá žádné nepříznivé reakce na biologické tkáně, krev, mozkomíšní mok apod. a nedochází k rejekci, je vhodný pro použití jako materiál pro fixaci zlomeniny nebo jako materiál pro vnitřní fixaci zlomeniny nebo materiál pro opravu kosti.
Obnova zubů
V Evropě a Spojených státech se v klinické praxi stále více používá systém předtvarovaných vláknitých čepů s nekovovou výplní- a postupně se považuje za účinnou alternativu k tradičnímu systému kovových čepů a jádra pro opravu zbytkových kořenů a korunek zubů. Studie fyzikálních a chemických vlastností a biologických vlastností čepů z uhlíkových vláken ukazují, že čepy z uhlíkových vláken mají mechanické vlastnosti, které jsou více kompatibilní se zubními tkáněmi. Jejich modul pružnosti, který je podobný modulu dentinu, může způsobit rovnoměrnější rozložení napětí podél těla čepu, což je výhodné pro ochranu kořene zubu; současně mají mnoho výhod, jako je dobrá biokompatibilita a odolnost proti korozi, snadné odstranění a pohodlná sekundární oprava.
Protéza z uhlíkových vláken
Spojovací a přenosová část mezi protézou a lidským tělem se nazývá přijímací dutina, která obaluje především zbytkovou končetinu a přenáší sílu. Tento díl má vysoké{1}}požadavky na nosnost a nemůže být příliš těžký. Jako materiály pro výrobu tohoto dílu lze také použít materiály z uhlíkových vláken. Část, která obsahuje zbytkovou končetinu, může být vyrobena z polyetylenové desky a nosné tělo může být vyrobeno z uhlíkových vláken, aby se vytvořila rámová konstrukce pro dosažení snadné podpory a přenosu síly.
Spojení mezi kotníkem a chodidlem lidského těla hraje klíčovou roli v rovnováze a podpoře těla. Kotník vyrobený z uhlíkových vláken dokáže realizovat skokovou funkci lidského těla. Spojovací část mezi kotníkem a lýtkovou protézou může být navíc realizována z uhlíkových vláken. Celkový produkt je velmi vynikající a také funguje dobře z hlediska bezpečnosti proti poškození.
Invalidní vozík z uhlíkových vláken
Hustota uhlíkových vláken je pouze 1,7 g/cm3. Příslušenství stejné specifikace je o více než polovinu lehčí než příslušenství z hliníkové slitiny, ale pevnost je mnohem větší. Kromě toho jsou uhlíková vlákna také velmi odolná vůči korozi-. Značná část pacientů na invalidním vozíku se potýká s problémy, jako je inkontinence a častý kontakt s injekcemi a léky. V tomto případě doplňky vyrobené z kompozitních materiálů z uhlíkových vláken vykazují odolnost, která se jen těžko srovnává s obecnými kovovými materiály.
V současnosti se kompozitní materiály z uhlíkových vláken používají především v doplňcích, jako jsou područky, područky, stupačky, podnožky, zádové opěrky, sukně a rámové trubky. Většinu těchto doplňků lze výškově nastavit. Kompozitní materiály z uhlíkových vláken lze snadno sestavit s invalidním vozíkem jako celkem pomocí mechanického spojení. Nejdůležitější je, že po použití těchto doplňků v kompozitních materiálech z uhlíkových vláken se výrazně snížila celková hmotnost vozíku a jako často používaný komponent se stal pevnějším a odolnějším.
Kompozitní materiály z uhlíkových vláken mají vynikající výkon a jsou široce používány v civilním každodenním životě. Byly také ověřeny desítkami let používání. Jsou bezpečné a spolehlivé pro životní prostředí a lidské zdraví.
S neustálým pokrokem v lékařské technologii se také zdravotnické vybavení neustále inovuje a vyvíjí. Investice a aplikace uhlíkových vláken ve zdravotnických pomůckách představují nový trend a směr a do budoucna jistě znamenají širší uplatnění.
