Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken se vedno pogosteje uporabljajo na področju diagnostike, zdravljenja, zdravstvene oskrbe in povezanih medicinskih pripomočkov. S postopnim povečevanjem povpraševanja na medicinskem trgu se ustrezni medicinski materiali iz ogljikovih vlaken nenehno širijo in uvajajo inovacije v metodah in oblikah uporabe.
Raziskave medicinskih materialov iz ogljikovih vlaken so se začele že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Takrat je bilo ugotovljeno, da imajo materiali iz ogljikovih vlaken odlične anti-koagulacijske lastnosti pri raziskavah anti-koagulacijskih materialov umetnih krvnih žil. Po letu 1970 je Bokros predlagal uporabo materialov iz ogljikovih vlaken kot biomedicinskih naprav. Glede na sodobne znanstvene raziskave imajo materiali iz ogljikovih vlaken dobro biokompatibilnost, nizko draženje bioloških tkiv, ne-toksičnost, ne-rakotvornost, nizko specifično težo in modul elastičnosti, podoben človeškim kostem. Ima potencialno prednost, da postane četrta generacija materialov za vsadke.
Prednosti kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken na medicinskem področju
1. Anizotropija in načrtovanost
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken so anizotropni materiali z različnimi lastnostmi vzdolž smeri vlaken in pravokotno na smer vlaken, kar prinaša veliko svobodo pri oblikovanju. S spreminjanjem načina polaganja (kot je kot polaganja, vrstni red polaganja) za spremembo elastičnosti in trdnosti izdelka je mogoče izpolniti posebne zahteve glede uporabe. Komponente medicinske opreme pogosto delujejo na različne dele človeškega telesa in posebne zahteve glede delovanja različnih komponent so različne.
2. Visoka prepustnost rentgenskih-žarkov
Prepustnost rentgenskih žarkov je povezana z elementarno sestavo, atomskim številom, gostoto in debelino materiala, v katerega prodremo. Glavni elementi, ki sestavljajo kompozitne materiale iz ogljikovih vlaken, so C, H in O z majhnimi atomskimi števili, koeficient masne absorpcije rentgenskih žarkov pa je veliko nižji kot pri običajnih materialih. Prepustnost rentgenskih žarkov 1 mm debelih aluminijastih plošč in kompozitnih plošč iz ogljikovih vlaken je 78 % oziroma 96 %, poraba sipanja in absorpcije aluminijastih plošč je 22 %, plošč iz ogljikovih vlaken pa samo 4 %.
3. Dobra odpornost proti utrujenosti
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken vsebujejo nešteto vmesnikov vlakna/smola. Ko razpoke nastanejo zaradi prekomernih zunanjih sil, lahko ti vmesniki učinkovito preprečijo nadaljnje širjenje razpok in odložijo nastanek poškodb zaradi utrujenosti. Medicinski pripomočki se vsak dan znova uporabljajo, dobra odpornost na utrujenost kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken pa zagotavlja življenjsko dobo instrumenta.
Na področju medicinske opreme se kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken uporabljajo za izdelavo mobilnih platform za rentgenske pregledovalne naprave z uporabo njihove polne prepustnosti rentgenskih žarkov; CFRP se uporablja za proizvodnjo medicinske opreme, kot je ortopedija in presaditev organov, ter rehabilitacijskih izdelkov, kot so proteze in ortotični pripomočki, z uporabo njegovih odličnih mehanskih lastnosti.
Uporablja se za posteljne plošče CT, opremo za rentgenske preglede in pomožno opremo
Ta vrsta je najpogosteje uporabljen in najobsežnejši medicinski kovček iz ogljikovih vlaken na Kitajskem. Bolj reprezentativne so rentgenske, CT in B-ultrazvočne pregledovalne posteljne plošče, diagnostični posteljni vzglavniki, ploščati detektorski paneli DR z visoko-ločljivostjo in nosilci.
Plošče za medicinsko CT večinoma uporabljajo izolacijske električne plošče, vendar je njihova prepustnost žarkov nizka, njihove mehanske lastnosti so slabe in njihova jasnost slike je slaba. Stopnja absorpcije in stopnja razprševanja kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken sta veliko manjši kot pri njih. Med diagnostiko lahko ustrezno zmanjšamo dozo rentgenskega sevanja, zmanjšamo moč rentgenskega aparata, podaljšamo življenjsko dobo instrumenta in prihranimo elektriko.
Še pomembneje pa je, da imajo kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken odlično prepustnost rentgenskih žarkov, kar omogoča, da žarki sevajo na posteljno desko pod katerim koli kotom brez loma. Za jasno sliko je potrebna le majhna doza žarkov, s čimer se zmanjša škoda za bolnike in medicinsko osebje.
Ogljikova vlakna za umetne kosti in umetne sklepe
Trenutno se kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken pogosto uporabljajo v ploščah za pritrjevanje kosti, kostnih polnilih, steblih kolčnih sklepov, zobnih koreninah umetnih vsadkov, materialih za popravilo lobanje in materialih za umetno srce. Upogibna trdnost človeških kosti je približno 100Mpa, upogibni modul je 7~20Gpa, natezna trdnost je približno 150Mpa, natezni modul pa približno 20Gpa. Upogibna trdnost kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken je približno 89Mpa, upogibni modul je 27Gpa, natezna trdnost je približno 43Mpa, natezni modul pa je približno 24Gpa, kar je blizu ali presega trdnost človeških kosti.
Trenutno so nekatera podjetja razvila uporabo kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken za izdelavo umetnih kosti in sklepov. Upogibna trdnost te umetne kosti je bližje pravim človeškim kostem kot umetnim kostem iz drugih biomaterialov, kar je za ortopedsko medicino zelo pomembno. Tudi odpornost proti obrabi umetnih sklepov iz njega je višja od polietilena ultra-visokomolekularne mase in kovinskih izdelkov na gibljivem spoju.
Drugo podjetje je razvilo plastiko, ojačano z neprekinjenimi ogljikovimi vlakni ali klobučevino, za popravilo kosti. Smolna matrica uporablja polimetil metakrilat, masni delež ogljikovih vlaken pa je 20%-60%. Ker je material lahek, ne moti MRI preiskav in ima dobro biokompatibilnost, dolgotrajna implantacija v telo nima škodljivih reakcij na biološka tkiva, kri, cerebrospinalno tekočino itd. in nima zavrnitvene reakcije, je primeren za uporabo kot material za fiksacijo zlomov ali notranjo fiksacijo zlomov ali material za popravilo kosti.
Obnova zob
V Evropi in Združenih državah se v klinični praksi čedalje pogosteje uporablja ne-restavracija-predoblikovan sistem zatičev iz vlaken, ki se postopoma obravnava kot učinkovita alternativa tradicionalnim sistemom kovinskih zatičev in jedra za popravilo preostalih korenin in kron zob. Študije o fizikalnih in kemijskih lastnostih ter bioloških lastnostih zatičev iz ogljikovih vlaken kažejo, da imajo zatiči iz ogljikovih vlaken mehanske lastnosti, ki so bolj združljive z zobnimi tkivi. Njihov elastični modul, ki je podoben modulu dentina, lahko naredi napetost bolj enakomerno porazdeljeno vzdolž telesa čepa, kar je koristno za zaščito zobne korenine; hkrati pa imajo številne prednosti, kot so dobra biokompatibilnost in odpornost proti koroziji, enostavno odstranjevanje in priročno sekundarno popravilo.
Proteza iz ogljikovih vlaken
Vez in prenosni del med protezo in človeškim telesom se imenuje sprejemna votlina, ki v glavnem ovija preostali ud in prenaša silo. Ta del ima visoke-zahteve glede nosilnosti in ne sme biti pretežek. Materiali iz ogljikovih vlaken se lahko uporabljajo tudi kot materiali za izdelavo tega dela. Del, ki vsebuje preostalo okončino, je lahko izdelan iz polietilenske plošče, podporno telo pa je lahko izdelano iz ogljikovih vlaken, da se naredi struktura okvirja za enostavno podporo in prenos sile.
Povezava med gležnjem in stopalom človeškega telesa ima ključno vlogo pri ravnotežju in podpori telesa. Gleženj iz ogljikovih vlaken lahko uresniči skakalno funkcijo človeškega telesa. Poleg tega se lahko povezovalni del med gležnjem in protezo meča izvede tudi z ogljikovimi vlakni. Celoten izdelek je zelo izvrsten in se dobro obnese tudi glede varnosti pred poškodbami.
Invalidski voziček iz ogljikovih vlaken
Gostota ogljikovih vlaken je le 1,7g/cm3. Dodatki iste specifikacije so za več kot polovico lažji od tistih iz aluminijeve zlitine, vendar je trdnost veliko večja. Poleg tega so ogljikova vlakna tudi zelo-odporna proti koroziji. Precejšen delež bolnikov na invalidskih vozičkih se sooča s težavami, kot so inkontinenca in pogost stik z injekcijami in zdravili. V tem primeru dodatki iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken kažejo vzdržljivost, ki je težko primerljiva s splošnimi kovinskimi materiali.
Trenutno se kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken uporabljajo predvsem v dodatkih, kot so nasloni za roke, nasloni za roke, nasloni za noge, nasloni za noge, naslonjala, krila in cevi okvirja. Večino teh dodatkov je mogoče nastaviti po višini. Kompozitne materiale iz ogljikovih vlaken je enostavno sestaviti z invalidskim vozičkom kot celoto z mehansko povezavo. Najpomembnejša stvar je, da se je po uporabi teh dodatkov v kompozitnih materialih iz ogljikovih vlaken skupna teža invalidskega vozička znatno zmanjšala in kot pogosto uporabljena komponenta je postal močnejši in vzdržljivejši.
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken imajo odlične lastnosti in se pogosto uporabljajo v civilnem vsakdanjem življenju. Preverjena so tudi z desetletji uporabe. So varni in zanesljivi za okolje in zdravje ljudi.
Z nenehnim napredkom medicinske tehnologije se tudi medicinska oprema nenehno inovira in razvija. Naložbe in uporaba ogljikovih vlaken v medicinskih napravah predstavljajo nov trend in smer ter bodo v prihodnosti zagotovo odprle možnosti širše uporabe.
