Kompozitni materijali od karbonskih vlakana sve se više koriste u oblastima dijagnostike, liječenja, zdravstvene zaštite i srodnih medicinskih uređaja. Uz postupno povećanje potražnje na medicinskom tržištu, relevantni medicinski materijali od karbonskih vlakana se također stalno šire i inoviraju u metodama i oblicima primjene.
Istraživanje medicinskih materijala od karbonskih vlakana počelo je još 1960-ih godina. Tada je utvrđeno da materijali od karbonskih vlakana imaju odlična anti-koagulaciona svojstva u istraživanju anti-materijala za zgrušavanje vještačkih krvnih sudova. Nakon 1970. Bokros je predložio korištenje materijala od karbonskih vlakana kao biomedicinskih uređaja. Prema savremenim naučnim istraživanjima, materijali od karbonskih vlakana imaju dobru biokompatibilnost, nisku iritaciju bioloških tkiva, ne-toksičnost, ne-karcinogenost, nisku specifičnu težinu i modul elastičnosti sličan ljudskim kostima. Ima potencijalnu prednost da postane četvrta generacija implantoloških materijala.
Prednosti kompozitnih materijala od karbonskih vlakana u medicinskom polju
1. Anizotropija i mogućnost projektovanja
Kompozitni materijali od karbonskih vlakana su anizotropni materijali s različitim svojstvima duž smjera vlakana i okomito na smjer vlakana, što donosi veliku slobodu dizajna. Promjenom metode polaganja (kao što je ugao polaganja, red polaganja) kako bi se promijenila elastičnost i čvrstoća proizvoda, mogu se ispuniti specifični zahtjevi za korištenje. Komponente medicinske opreme često djeluju na različite dijelove ljudskog tijela, a specifični zahtjevi za performanse različitih komponenti su različiti.
2. Visoka propusnost X{1}} zraka
Transmitantnost X- zraka je povezana sa elementarnim sastavom, atomskim brojem, gustinom i debljinom materijala koji se prodire. Glavni elementi koji čine kompozitne materijale od karbonskih vlakana su C, H i O, sa malim atomskim brojevima, a koeficijent masene apsorpcije X- zraka je mnogo niži nego kod općih materijala. Propustljivost X-zraka aluminijumskih ploča debljine 1 mm i kompozitnih ploča od ugljeničnih vlakana je 78%, odnosno 96%, potrošnja raspršenja i apsorpcije aluminijumskih ploča je 22%, a ploča od ugljeničnih vlakana samo 4%.
3. Dobra otpornost na zamor
Kompozitni materijali od karbonskih vlakana sadrže bezbroj vlakana/smole interfejsa. Kada se pukotine stvaraju prekomjernim vanjskim silama, ova sučelja mogu efikasno spriječiti daljnje širenje pukotina i odgoditi pojavu oštećenja od zamora. Medicinski uređaji se ponovo koriste svaki dan, a dobra otpornost na zamor kompozitnih materijala od karbonskih vlakana osigurava vijek trajanja instrumenta.
U oblasti medicinske opreme, kompozitni materijali od karbonskih vlakana koriste se za proizvodnju mobilnih platformi za mašine za X-inspekciju koristeći njihovu punu propusnost X- zraka; CFRP se koristi za proizvodnju medicinske opreme kao što je ortopedija i transplantacija organa, kao i proizvoda za rehabilitaciju kao što su proteze i ortoze koristeći svoja izvrsna mehanička svojstva.
Koristi se za CT krevetne ploče, opremu za X-inspekciju i pomoćnu opremu
Ovaj tip je najrasprostranjeniji i najopsežniji medicinski slučaj od karbonskih vlakana u Kini. Reprezentativniji su rendgenski, CT i B-ultrazvučni paneli za inspekciju kreveta, dijagnostički nasloni za krevete, DR ravni detektorski paneli visoke{3}}detektorske rezolucije i nosači.
Medicinske CT krevetne ploče uglavnom koriste izolacijske električne ploče, ali je njihova propusnost zraka niska, njihova mehanička svojstva su loša, a njihova jasnoća slike je loša. Brzina apsorpcije i brzina raspršenja kompozitnih materijala od karbonskih vlakana su mnogo manji od njih. Tokom dijagnoze, doza X- zraka se može smanjiti u skladu s tim, snaga rendgenskog aparata - može se smanjiti, vijek trajanja instrumenta može se produžiti, a električna energija se može uštedjeti.
Što je još važnije, kompozitni materijali od karbonskih vlakana imaju odličnu propusnost X- zraka, omogućavajući zračenje na dasku kreveta pod bilo kojim uglom bez prelamanja. Za dobijanje jasne slike potrebna je samo mala doza zraka, čime se smanjuje šteta za pacijente i medicinsko osoblje.
Ugljična vlakna za umjetne kosti i umjetne zglobove
Trenutno se kompozitni materijali od karbonskih vlakana naširoko koriste u pločama za fiksiranje kostiju, filerima za kosti, stabljikama zglobova kuka, korijenima umjetnih implantata, materijalima za popravku lubanje i umjetnim materijalima za srce. Čvrstoća na savijanje ljudskih kostiju je oko 100Mpa, modul savijanja je 7~20Gpa, vlačna čvrstoća je oko 150Mpa, a zatezni modul je oko 20Gpa. Čvrstoća na savijanje kompozitnih materijala od karbonskih vlakana je oko 89Mpa, modul savijanja je 27Gpa, vlačna čvrstoća je oko 43Mpa, a vlačni modul je oko 24Gpa, što je blizu ili premašuje snagu ljudskih kostiju.
Trenutno su neke kompanije razvile upotrebu kompozitnih materijala od karbonskih vlakana za izradu umjetnih kostiju i zglobova. Čvrstoća na savijanje ove umjetne kosti bliža je pravim ljudskim kostima nego umjetnim kostima napravljenim od drugih biomaterijala, što je od velikog značaja za ortopedsku medicinu. Otpornost na habanje umjetnih spojeva napravljenih od njega je također veća od otpornosti polietilena ultra{2}}visoke molekularne težine i metalnih proizvoda na pokretnom spoju.
Druga kompanija razvila je kontinuiranu plastiku ojačanu karbonskim vlaknima ili filcom za popravku kostiju. Matrica smole koristi polimetil metakrilat, a maseni udio karbonskih vlakana je 20%-60%. Budući da je materijal lagan, ne ometa MRI preglede i ima dobru biokompatibilnost, dugotrajna implantacija u tijelo nema štetnih reakcija na biološka tkiva, krv, cerebrospinalnu tekućinu itd., te nema reakciju odbacivanja, pogodan je za upotrebu kao materijal za fiksaciju prijeloma ili unutrašnju fiksaciju prijeloma ili materijal za popravku kosti.
Restauracija zuba
U Evropi i Sjedinjenim Američkim Državama, u kliničkoj praksi se sve više koristi ne-preformirani sistem za nadoknadu- od vlakana i postepeno se smatra efikasnom alternativom tradicionalnom metalnom kočiću i sistemu jezgra za popravku rezidualnih korijena i krunica zuba. Studije o fizičkim i kemijskim svojstvima i biološkim svojstvima kolčića od karbonskih vlakana pokazuju da stupovi od karbonskih vlakana imaju mehanička svojstva koja su kompatibilnija sa zubnim tkivom. Njihov modul elastičnosti, sličan modulu dentina, može učiniti da se napon ravnomjernije rasporedi duž tijela kočića, što je korisno za zaštitu korijena zuba; u isto vrijeme, oni imaju mnoge prednosti kao što su dobra biokompatibilnost i otpornost na koroziju, lako uklanjanje i pogodna sekundarna popravka.
Proteza od karbonskih vlakana
Veza i transmisioni dio između proteze i ljudskog tijela naziva se prijemna šupljina, koja uglavnom obavija zaostali ekstremitet i prenosi silu. Ovaj dio ima visoke zahtjeve-nosivosti i ne može biti pretežak. Materijali od karbonskih vlakana mogu se koristiti i kao materijali za izradu ovog dijela. Dio koji sadrži zaostali krak može biti izrađen od polietilenske ploče, a potporno tijelo može biti izrađeno od karbonskih vlakana kako bi se napravila struktura okvira za postizanje lakšeg oslonca i prijenosa sile.
Veza između skočnog zgloba i stopala ljudskog tijela igra ključnu ulogu u ravnoteži i podršci tijelu. Zglob skočnog zgloba napravljen od karbonskih vlakana može ostvariti funkciju skakanja ljudskog tijela. Osim toga, spojni dio između skočnog zgloba i proteze potkoljenice može se realizovati i karbonskim vlaknima. Cjelokupni proizvod je vrlo izvrstan i također se dobro ponaša u pogledu sigurnosti od oštećenja.
Invalidska kolica od karbonskih vlakana
Gustina karbonskih vlakana je samo 1,7 g/cm3. Dodatna oprema iste specifikacije je više nego upola lakša od one od legure aluminijuma, ali je čvrstoća mnogo veća. Osim toga, karbonska vlakna su također vrlo otporna na koroziju-. Značajan dio pacijenata u invalidskim kolicima suočava se s problemima kao što su inkontinencija i česti kontakti s injekcijama i lijekovima. U ovom slučaju, dodaci od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana pokazuju izdržljivost koju je teško uskladiti s općim metalnim materijalima.
Trenutno se kompozitni materijali od karbonskih vlakana uglavnom koriste u dodacima kao što su nasloni za ruke, nasloni za ruke, nasloni za noge, nasloni za noge, nasloni za leđa, suknje i cijevi okvira. Većina ovih dodataka može se podesiti po visini. Kompozitni materijali od karbonskih vlakana lako se sklapaju sa invalidskim kolicima kao celinom putem mehaničkog povezivanja. Najvažnije je da je nakon upotrebe ovih dodataka u kompozitnim materijalima od karbonskih vlakana ukupna težina invalidskih kolica značajno smanjena, a kao često korištena komponenta postala je jača i izdržljivija.
Kompozitni materijali od karbonskih vlakana imaju odlične performanse i naširoko se koriste u civilnom svakodnevnom životu. Provjerene su i decenijama primjene. Sigurni su i pouzdani za okoliš i zdravlje ljudi.
Uz kontinuirani napredak medicinske tehnologije, medicinska oprema se također konstantno inovira i razvija. Ulaganje i primjena karbonskih vlakana u medicinske uređaje predstavlja novi trend i pravac, te će zasigurno uvesti širu perspektivu primjene u budućnosti.
