I materiali compositi in fibra di carbonio sono sempre più utilizzati nei settori della diagnosi, del trattamento, dell'assistenza sanitaria e dei relativi dispositivi medici. Con il graduale aumento della domanda nel mercato medico, anche i materiali medici in fibra di carbonio sono in costante espansione e innovazione nei metodi e nelle forme di applicazione.
La ricerca sui materiali medicali in fibra di carbonio è iniziata già negli anni ’60. A quel tempo, si scoprì che i materiali in fibra di carbonio avevano eccellenti proprietà anti-coagulazione nella ricerca sui materiali anti-coagulazione dei vasi sanguigni artificiali. Dopo il 1970, Bokros propose di utilizzare materiali in fibra di carbonio come dispositivi biomedici. Secondo la ricerca scientifica moderna, i materiali in fibra di carbonio hanno una buona biocompatibilità, bassa irritazione dei tessuti biologici, non-tossicità, non-cancerogenicità, basso peso specifico e modulo elastico simile alle ossa umane. Ha il potenziale vantaggio di diventare la quarta generazione di materiali per impianti.
Vantaggi dei materiali compositi in fibra di carbonio in campo medico
1. Anisotropia e designabilità
I materiali compositi in fibra di carbonio sono materiali anisotropi con proprietà diverse lungo la direzione della fibra e perpendicolare alla direzione della fibra, il che offre grande libertà di progettazione. Modificando il metodo di posa (come angolo di posa, ordine di posa) per modificare l'elasticità e la resistenza del prodotto, è possibile soddisfare i requisiti di utilizzo specifici. I componenti delle apparecchiature mediche spesso agiscono su parti diverse del corpo umano e i requisiti prestazionali specifici dei diversi componenti sono diversi.
2. Elevata trasmittanza dei raggi X-
La trasmittanza dei raggi X- è correlata alla composizione elementare, al numero atomico, alla densità e allo spessore del materiale penetrato. Gli elementi principali che compongono i materiali compositi in fibra di carbonio sono C, H e O, con numeri atomici piccoli e il coefficiente di assorbimento di massa dei raggi X- è molto inferiore a quello dei materiali generali. La trasmittanza dei raggi X-delle piastre in alluminio spesse 1 mm e delle piastre composite in fibra di carbonio è rispettivamente del 78% e del 96%, il consumo di dispersione e assorbimento delle piastre in alluminio è del 22% e quello delle piastre in fibra di carbonio è solo del 4%.
3. Buona resistenza alla fatica
I materiali compositi in fibra di carbonio contengono innumerevoli interfacce fibra/resina. Quando le crepe vengono generate da forze esterne eccessive, queste interfacce possono efficacemente prevenire l'ulteriore espansione delle crepe e ritardare il verificarsi di danni da fatica. I dispositivi medici vengono riutilizzati ogni giorno e la buona resistenza alla fatica dei materiali compositi in fibra di carbonio garantisce la durata dello strumento.
Nel campo delle apparecchiature mediche, i materiali compositi in fibra di carbonio vengono utilizzati per produrre piattaforme mobili per macchine di ispezione a raggi X-utilizzando la loro completa trasmittanza dei raggi X-; Il CFRP viene utilizzato per produrre apparecchiature mediche come ortopedia e trapianti di organi, nonché prodotti riabilitativi come protesi e plantari sfruttando le sue eccellenti proprietà meccaniche.
Utilizzato per piastre base CT, apparecchiature di ispezione a raggi X- e apparecchiature ausiliarie
Questo tipo è la custodia medica in fibra di carbonio più utilizzata e più estesa in Cina. Quelli più rappresentativi sono i pannelli del letto di ispezione a raggi X, TC e B-ultrasuoni, le testate dei letti diagnostici, i pannelli rilevatori a pannello piatto DR ad alta definizione e le staffe.
Le piastre del lettino per TC medica utilizzano principalmente piastre elettriche isolanti, ma la loro trasmissione dei raggi è bassa, le loro proprietà meccaniche sono scarse e la chiarezza dell'immagine è scarsa. Il tasso di assorbimento e il tasso di dispersione dei materiali compositi in fibra di carbonio sono molto inferiori a quelli degli stessi. Durante la diagnosi, è possibile ridurre di conseguenza la dose di raggi X, la potenza della macchina a raggi X, prolungare la durata dello strumento e risparmiare energia elettrica.
Ancora più importante, i materiali compositi in fibra di carbonio hanno un'eccellente trasmittanza dei raggi X-, consentendo ai raggi di essere irradiati sul piano del letto a qualsiasi angolazione senza rifrazione. È necessaria solo una piccola dose di raggi per ottenere immagini chiare, riducendo così i danni ai pazienti e al personale medico.
Fibra di carbonio per ossa artificiali e articolazioni artificiali
Attualmente, i materiali compositi in fibra di carbonio sono stati ampiamente utilizzati nelle placche di fissazione ossea, nei riempitivi ossei, negli steli dell'articolazione dell'anca, nelle radici dei denti degli impianti artificiali, nei materiali per la riparazione del cranio e nei materiali per il cuore artificiale. La resistenza alla flessione delle ossa umane è di circa 100Mpa, il modulo di flessione è di 7~20Gpa, la resistenza alla trazione è di circa 150Mpa e il modulo di trazione è di circa 20Gpa. La resistenza alla flessione dei materiali compositi in fibra di carbonio è di circa 89 Mpa, il modulo di flessione è di 27 Gpa, la resistenza alla trazione è di circa 43 Mpa e il modulo di trazione è di circa 24 Gpa, che è vicino o superiore alla resistenza delle ossa umane.
Allo stato attuale, alcune aziende hanno sviluppato l’uso di materiali compositi in fibra di carbonio per realizzare ossa e articolazioni artificiali. La resistenza alla flessione di questo osso artificiale è più vicina a quella delle vere ossa umane rispetto alle ossa artificiali realizzate con altri biomateriali, il che è di grande importanza per la medicina ortopedica. Anche la resistenza all'usura delle articolazioni artificiali realizzate con questo materiale è superiore a quella del polietilene ad altissimo peso molecolare e dei prodotti metallici sul giunto mobile.
Un'altra azienda ha sviluppato plastica continua rinforzata con fibra di carbonio o feltro per la riparazione ossea. La matrice in resina utilizza polimetilmetacrilato e la frazione in massa di fibra di carbonio è del 20%-60%. Poiché il materiale è leggero, non interferisce con gli esami MRI e ha una buona biocompatibilità, l'impianto a lungo termine nel corpo non ha reazioni avverse ai tessuti biologici, al sangue, al liquido cerebrospinale, ecc. e nessuna reazione di rigetto, è adatto per l'uso come materiale per il fissaggio di fratture o per la fissazione interna di fratture o materiale per la riparazione ossea.
Restauro dei denti
In Europa e negli Stati Uniti, il sistema di perni in fibra preformati per restauri non metallici-- viene sempre più utilizzato nella pratica clinica e viene gradualmente considerato un'alternativa efficace al tradizionale sistema di perni e monconi in metallo per riparare radici e corone residue di denti. Gli studi sulle proprietà fisiche e chimiche e sulle proprietà biologiche dei perni in fibra di carbonio mostrano che i perni in fibra di carbonio hanno proprietà meccaniche più compatibili con i tessuti dentali. Il loro modulo elastico, simile a quello della dentina, può distribuire le sollecitazioni in modo più uniforme lungo il corpo del perno, il che è benefico per la protezione della radice del dente; allo stesso tempo, presentano molti vantaggi come buona biocompatibilità e resistenza alla corrosione, facile rimozione e conveniente riparazione secondaria.
Protesi in fibra di carbonio
La parte di collegamento e trasmissione tra la protesi ed il corpo umano è chiamata cavità ricevente, che avvolge principalmente il moncone e trasmette la forza. Questa parte ha requisiti di carico-elevati e non può essere troppo pesante. I materiali in fibra di carbonio possono anche essere utilizzati come materiali per realizzare questa parte. La parte che contiene il moncone può essere realizzata in pannello di polietilene e il corpo di supporto può essere realizzato in fibra di carbonio per creare una struttura a telaio per ottenere un facile supporto e trasmissione della forza.
Il collegamento tra la caviglia e il piede del corpo umano gioca un ruolo chiave nell'equilibrio e nel sostegno del corpo. L'articolazione della caviglia in fibra di carbonio può realizzare la funzione di salto del corpo umano. Inoltre la parte di collegamento tra la caviglia e la protesi del polpaccio può essere realizzata anche in fibra di carbonio. Il prodotto complessivo è molto raffinato e funziona bene anche in termini di sicurezza contro i danni.
Sedia a rotelle in fibra di carbonio
La densità della fibra di carbonio è di soli 1,7 g/cm3. Gli accessori con la stessa specifica sono più della metà più leggeri di quelli in lega di alluminio, ma la resistenza è molto maggiore. Inoltre, la fibra di carbonio è anche molto resistente alla corrosione-. Una percentuale considerevole di pazienti su sedia a rotelle deve affrontare problemi come l'incontinenza e il contatto frequente con iniezioni e medicinali. In questo caso, gli accessori realizzati con materiali compositi in fibra di carbonio mostrano una durabilità difficile da eguagliare con i materiali metallici generali.
Attualmente, i materiali compositi in fibra di carbonio vengono utilizzati principalmente in accessori come braccioli, braccioli, poggiapiedi, poggiagambe, schienali, gonne e tubi del telaio. La maggior parte di questi accessori possono essere regolati in altezza. I materiali compositi in fibra di carbonio sono facili da assemblare con la sedia a rotelle nel suo insieme tramite collegamento meccanico. La cosa più importante è che, dopo l'utilizzo di questi accessori in materiali compositi in fibra di carbonio, il peso complessivo della sedia a rotelle è stato significativamente ridotto e, essendo un componente di uso frequente, è diventato più resistente e durevole.
I materiali compositi in fibra di carbonio hanno prestazioni eccellenti e sono stati ampiamente utilizzati nella vita quotidiana civile. Sono stati verificati anche da decenni di applicazione. Sono sicuri e affidabili per l’ambiente e la salute umana.
Con il continuo progresso della tecnologia medica, anche le attrezzature mediche sono in costante innovazione e sviluppo. L’investimento e l’applicazione della fibra di carbonio nei dispositivi medici rappresenta una nuova tendenza e direzione e sicuramente introdurrà una prospettiva di applicazione più ampia in futuro.
