一文简要了解医疗领域中的碳纤维创新解决方案

髋关节和膝关节植入物在改善人们的活动能力和生活质量方面创造了奇迹，但它们对机场金属探测器来说有点麻烦。 金属比骨头密度大得多，因此 X 射线无法轻易穿透，导致排队和不可避免的搜身。

碳纤维医疗植入物可能会改变这一点。 尽管对碳纤维髋关节和膝关节置换术的研究仍在继续，但这些材料已经在许多医疗应用中产生了巨大影响。

01.碳纤维特性有利于医疗应用

碳纤维比钢更轻、更坚固，几十年来一直用于民用航空、运动和车辆应用。 碳纤维最初是双向条带或片材，可以加工成比金属（甚至钛）更坚固、更轻且更耐疲劳的复杂结构。 这样可以减轻重量，同时生产更坚固的结构和部件。

除此功能外，碳纤维还具有其他三个功能，引起了医疗专业人士的兴趣。 主要包括：

射线可透性：医学成像中使用的 X 射线可以穿过它

生物相容性：人体接受碳纤维植入物，有证据表明碳纤维植入物比金属植入物更好地促进骨整合。

密度和弹性与骨相似

02.碳纤维在医疗器械中的应用

碳纤维的刚度和射线可透过性使其成为许多成像应用的首选材料。 例如，CT和MRI设备依赖于对患者身体的360°扫描。 如果患者所躺的椅子是金属的，则会阻碍大部分成像。 为了避免这些情况，患者躺在滑入成像区域的悬臂式碳纤维医疗台上。 该椅子可以支撑超过 200 磅的重量，而不会移动或限制放射科医生的视野。

碳纤维的另一个医疗设备应用是电动工具。 这些要求密封件不会在任何方向泄漏，并且还能够承受临床清洁和灭菌协议。 与弹性密封件不同，由碳纤维填充 PTFE 制成的密封件具有承受该过程所需的空气温度和物理阻力。

03.碳纤维在修复中的应用

对轻质、坚固且耐用的盲人假肢的需求使得碳纤维成为理想的材料。 许多制造商正在用碳纤维生产假肢塞和假肢。 最初为民用航空航天和赛车运动开发的制造技术通常用于制造假肢。

这需要使用预浸带并进行压缩或热压罐成型处理。 但 3D 打印的使用正在增加，例如这款新型假肢，它使用短碳纤维增强的聚丙烯复合材料。

碳纤维在假肢中的一个有趣且有些争议的应用与脚有关。 运动员发现碳纤维比人脚提供更大的能量存储和动态响应。 这意味着碳纤维假脚为残疾运动员带来了优势。 碳纤维融入运动鞋后还可以提高性能。

04.碳纤维医疗植入物

大量研究否认碳纤维可安全用于医疗植入物以外的任何领域，并且与其他植入材料相比具有一些优势。 这包括卓越的负载转移，根据沃尔夫定理，有助于抬起骨骼，并促进组织产生的电特性。

外科植入物通常由碳纤维增强硅醚酮（CFR-PEEK）制成。 PEEK 是一种热塑性聚合物，具有优异的物理耐受性、高熔点和约 289°F 的玻璃化转变温度。 在混合物中添加短切碳纤维可产生坚硬、抗疲劳且重量轻的复合材料。 复合材料旋压成型工艺是注塑成型的衍生工艺，用于制造 CRF-PEEK 植入物。

CFR-PEEK 多年来一直用于接骨螺钉和植入物。 脊柱笼是另一种成熟的应用，最近，医生已经开始使用这些材料来替代椎间盘。 使用 CFR-PEEK 外科植入物替代膝关节和髋关节置换术中的钛的工作也在进行中。

有趣的是，碳纤维射线可透性对于植入物来说并不是一个很好的特征，因为它不会出现在 X 射线上，这使得医疗专业人员更难以确定位置。 而且，碳纤维医疗植入物制造商通过添加散射 X 射线的材料（特别是钽丝）解决了这个问题。