Koolstofvezelcomposietmaterialen worden steeds vaker gebruikt op het gebied van diagnose, behandeling, gezondheidszorg en aanverwante medische apparatuur. Met de geleidelijke toename van de vraag op de medische markt worden relevante medische materialen van koolstofvezel ook voortdurend uitgebreid en vernieuwd in toepassingsmethoden en -vormen.
Het onderzoek naar medische koolstofvezelmaterialen begon al in de jaren zestig. Destijds werd ontdekt dat koolstofvezelmaterialen uitstekende anti-stollingseigenschappen hadden bij het onderzoek naar anti-stollingsmaterialen van kunstmatige bloedvaten. Na 1970 stelde Bokros voor om koolstofvezelmaterialen te gebruiken als biomedische apparaten. Volgens modern wetenschappelijk onderzoek hebben koolstofvezelmaterialen een goede biocompatibiliteit, lage irritatie van biologische weefsels, niet-toxiciteit, niet-carcinogeniteit, een laag soortelijk gewicht en een elastische modulus die vergelijkbaar is met die van menselijke botten. Het heeft het potentiële voordeel dat het de vierde generatie implantaatmaterialen wordt.
Voordelen van koolstofvezelcomposietmaterialen op medisch gebied
1. Anisotropie en ontwerpbaarheid
Koolstofvezelcomposietmaterialen zijn anisotrope materialen met verschillende eigenschappen langs de vezelrichting en loodrecht op de vezelrichting, wat een grote ontwerpvrijheid met zich meebrengt. Door de legmethode (zoals leghoek, legvolgorde) te veranderen om de elasticiteit en sterkte van het product te veranderen, kan aan de specifieke gebruikseisen worden voldaan. Componenten van medische apparatuur werken vaak in op verschillende delen van het menselijk lichaam en de specifieke prestatie-eisen van verschillende componenten zijn verschillend.
2. Hoge röntgentransmissie-
De transmissie van röntgenstraling- hangt samen met de elementaire samenstelling, het atoomnummer, de dichtheid en de dikte van het materiaal dat wordt gepenetreerd. De belangrijkste elementen waaruit koolstofvezelcomposietmaterialen bestaan, zijn C, H en O, met kleine atoomnummers, en de massaabsorptiecoëfficiënt voor röntgenstraling is veel lager dan die van algemene materialen. De röntgendoorlating van 1 mm dikke aluminiumplaten en koolstofvezelcomposietplaten is respectievelijk 78% en 96%, het verstrooiings- en absorptieverbruik van aluminiumplaten is 22% en dat van koolstofvezelplaten slechts 4%.
3. Goede weerstand tegen vermoeidheid
Koolstofvezelcomposietmaterialen bevatten talloze vezel/hars-grensvlakken. Wanneer scheuren worden veroorzaakt door overmatige externe krachten, kunnen deze grensvlakken effectief voorkomen dat de scheuren verder uitzetten en het optreden van vermoeiingsschade vertragen. Medische apparaten worden elke dag hergebruikt en de goede weerstand tegen vermoeidheid van koolstofvezelcomposietmaterialen garandeert de levensduur van het instrument.
Op het gebied van medische apparatuur worden koolstofvezelcomposietmaterialen gebruikt om mobiele platforms voor röntgeninspectiemachines te vervaardigen door gebruik te maken van hun volledige röntgentransmissie; CFRP wordt gebruikt voor de vervaardiging van medische apparatuur zoals orthopedie en orgaantransplantaties, maar ook voor revalidatieproducten zoals prothesen en orthesen door gebruik te maken van de uitstekende mechanische eigenschappen.
Gebruikt voor CT-bedplaten, röntgeninspectieapparatuur en hulpapparatuur
Dit type is de meest gebruikte en meest uitgebreide medische koffer van koolstofvezel in China. De meest representatieve zijn röntgen-, CT- en B-ultrasone inspectiebedpanelen, diagnostische bedhoofdsteunen, DR-flatpaneldetectorpanelen met hoge-definitie en beugels.
Medische CT-bedplaten maken meestal gebruik van isolerende elektrische platen, maar hun stralingstransmissie is laag, hun mechanische eigenschappen zijn slecht en hun beeldhelderheid is slecht. De absorptiesnelheid en verstrooiingssnelheid van koolstofvezelcomposietmaterialen zijn veel kleiner dan die van hen. Tijdens de diagnose kan de röntgendosis dienovereenkomstig worden verlaagd, kan het vermogen van het röntgenapparaat worden verminderd, kan de levensduur van het instrument worden verlengd en kan elektriciteit worden bespaard.
Belangrijker nog is dat koolstofvezelcomposietmaterialen een uitstekende röntgendoorlaatbaarheid hebben, waardoor de stralen onder elke hoek en zonder breking op het bed kunnen worden gestraald. Er is slechts een kleine dosis straling nodig om duidelijke beelden te verkrijgen, waardoor de schade voor patiënten en medisch personeel wordt beperkt.
Koolstofvezel voor kunstmatige botten en kunstgewrichten
Momenteel worden koolstofvezelcomposietmaterialen op grote schaal gebruikt in botfixatieplaten, botvullers, heupgewrichtstelen, tandwortels voor kunstmatige implantaten, materialen voor schedelreparatie en kunstmatige hartmaterialen. De buigsterkte van menselijke botten is ongeveer 100 MPa, de buigmodulus is 7 ~ 20 Gpa, de treksterkte is ongeveer 150 MPa en de trekmodulus is ongeveer 20 GPa. De buigsterkte van koolstofvezelcomposietmaterialen is ongeveer 89 MPa, de buigmodulus is 27 Gpa, de treksterkte is ongeveer 43 MPa en de trekmodulus is ongeveer 24 GPa, wat dichtbij of groter is dan de sterkte van menselijke botten.
Momenteel hebben sommige bedrijven het gebruik van koolstofvezelcomposietmaterialen ontwikkeld om kunstmatige botten en gewrichten te maken. De buigsterkte van dit kunstbot ligt dichter bij echte menselijke botten dan bij kunstbotten van andere biomaterialen, wat van groot belang is voor de orthopedische geneeskunde. De slijtvastheid van kunstgewrichten die hiervan worden gemaakt, is ook hoger dan die van polyethyleen met ultra-hoogmoleculair gewicht en metalen producten bij het beweegbare gewricht.
Een ander bedrijf heeft continu met koolstofvezel of vilt versterkte kunststoffen ontwikkeld voor botreparatie. De harsmatrix maakt gebruik van polymethylmethacrylaat en de massafractie van koolstofvezel is 20%-60%. Omdat het materiaal licht is, geen interferentie veroorzaakt met MRI-onderzoeken en een goede biocompatibiliteit heeft, langdurige implantatie in het lichaam geen nadelige reacties op biologische weefsels, bloed, hersenvocht, enz. heeft en geen afstotingsreactie geeft, is het geschikt voor gebruik als materiaal voor breukfixatie of interne breukfixatie of botreparatiemateriaal.
Tand restauratie
In Europa en de Verenigde Staten wordt in de klinische praktijk steeds vaker een niet-metalen restauratie-voorgevormd vezelstiftsysteem gebruikt, dat langzamerhand wordt beschouwd als een effectief alternatief voor het traditionele metalen stift- en kernsysteem voor het repareren van resterende wortels en kronen van tanden. Uit onderzoek naar de fysische, chemische en biologische eigenschappen van stiften van koolstofvezel blijkt dat stiften van koolstofvezel mechanische eigenschappen hebben die beter compatibel zijn met tandweefsel. Hun elastische modulus, die vergelijkbaar is met die van dentine, kan ervoor zorgen dat de spanning gelijkmatiger over het postlichaam wordt verdeeld, wat gunstig is voor de bescherming van de tandwortel; tegelijkertijd hebben ze veel voordelen, zoals goede biocompatibiliteit en corrosieweerstand, gemakkelijke verwijdering en gemakkelijke secundaire reparatie.
Prothese van koolstofvezel
Het verbindings- en transmissiedeel tussen de prothese en het menselijk lichaam wordt de ontvangstholte genoemd, die voornamelijk het stomp omhult en kracht overbrengt. Dit onderdeel heeft hoge draaglasten- en mag niet te zwaar zijn. Koolstofvezelmaterialen kunnen ook worden gebruikt als materialen voor het maken van dit onderdeel. Het deel dat het restledemaat bevat, kan gemaakt zijn van polyethyleenplaat en het steunlichaam kan gemaakt zijn van koolstofvezel om een framestructuur te maken om gemakkelijke ondersteuning en krachtoverbrenging te bereiken.
De verbinding tussen de enkel en de voet van het menselijk lichaam speelt een sleutelrol in de balans en ondersteuning van het lichaam. Het enkelgewricht van koolstofvezel kan de springfunctie van het menselijk lichaam realiseren. Daarnaast kan het verbindingsdeel tussen de enkel en de kuitprothese ook met koolstofvezel worden gerealiseerd. Het algehele product is zeer voortreffelijk en presteert ook goed op het gebied van schadeveiligheid.
Rolstoel van koolstofvezel
De dichtheid van koolstofvezel bedraagt slechts 1,7 g/cm3. De accessoires met dezelfde specificatie zijn meer dan de helft lichter dan die van een aluminiumlegering, maar de sterkte is veel groter. Bovendien is koolstofvezel ook zeer corrosie-bestendig. Een aanzienlijk deel van de rolstoelpatiënten heeft te maken met problemen als incontinentie en veelvuldig contact met injecties en medicijnen. In dit geval vertonen accessoires gemaakt van koolstofvezelcomposietmaterialen een duurzaamheid die moeilijk te evenaren is met algemene metalen materialen.
Momenteel worden koolstofvezelcomposietmaterialen vooral gebruikt in accessoires zoals armleuningen, armleuningen, voetsteunen, beensteunen, rugleuningen, rokken en framebuizen. De meeste van deze accessoires zijn in hoogte verstelbaar. Koolstofvezelcomposietmaterialen zijn eenvoudig te monteren met de rolstoel als geheel door mechanische verbinding. Het allerbelangrijkste is dat nadat deze accessoires zijn gebruikt in koolstofvezelcomposietmaterialen, het totale gewicht van de rolstoel aanzienlijk is verminderd en als veelgebruikt onderdeel sterker en duurzamer is geworden.
Koolstofvezelcomposietmaterialen presteren uitstekend en worden veel gebruikt in het dagelijks leven van burgers. Ze zijn ook geverifieerd door tientallen jaren van toepassing. Ze zijn veilig en betrouwbaar voor het milieu en de menselijke gezondheid.
Met de voortdurende vooruitgang van de medische technologie wordt ook medische apparatuur voortdurend geïnnoveerd en ontwikkeld. De investering en toepassing van koolstofvezel in medische apparatuur vertegenwoordigt een nieuwe trend en richting, en zal in de toekomst zeker een breder toepassingsperspectief inluiden.
