Koolstofvezelinnovaties in de medische industrie

Heup- en knie-implantaten hebben wonderen gedaan voor het verbeteren van de mobiliteit en kwaliteit van leven van mensen, maar ze zijn een beetje hinderlijk bij de metaaldetector op de luchthaven. Metaal is veel dichter dan bot, dus röntgenstralen gaan er niet gemakkelijk doorheen, wat leidt tot wachtrijen en de onvermijdelijke pat-down.

Medische implantaten van koolstofvezel kunnen daar verandering in brengen. Terwijl het werk aan koolstofvezelvervangingen voor heup- en kniegewrichten doorgaat, zijn er veel medische toepassingen waar dit materiaal al een dramatische impact heeft. Het begrijpen van dit opwindende veld begint met een appreciatie van de medische waarde van koolstofvezel, gevolgd door een duik in implantaten en andere toepassingen.

Kenmerken van koolstofvezel die gunstig zijn voor medische toepassingen

Lichter en sterker dan staal, koolstofvezel wordt al tientallen jaren gebruikt in lucht- en ruimtevaart-, motorsport- en automobieltoepassingen. Begonnen als tape of een plaat, kan koolstofvezel worden gevormd tot complexe structuren die stijf, sterk, licht en meer vermoeidheidsbestendig zijn dan welk metalen equivalent dan ook, zelfs titanium. Dit bespaart gewicht en creëert sterkere structuren en componenten.

Naast deze eigenschappen heeft koolstofvezel nog drie andere kenmerken die medische professionals interesseren. Het is:

• Radiolucent:röntgenstralen met de intensiteit die wordt gebruikt voor medische beeldvorming gaan er doorheen
• Biocompatibel:het lichaam accepteert implantaten van koolstofvezel en er is bewijs dat ze de osseo-integratie beter vergemakkelijken dan metaalequivalenten
• Vergelijkbaar in dichtheid en elasticiteit aan bot

Gebruik van koolstofvezel in medische apparatuur

Sterkte en radiolucentie maken koolstofvezel tot een voorkeursmateriaal in veel beeldvormingstoepassingen. CT- en MRI-machines zijn bijvoorbeeld afhankelijk van het maken van een 360°-scan rond het lichaam van een patiënt. Als de tafel waarop de patiënten lagen van metaal was, zou dat een groot deel van de beeldvorming blokkeren. Om dit te voorkomen, lagen patiënten op een vrijdragende medische tafel van koolstofvezel die in het beeldveld schuift. Deze tafels kunnen meer dan tweehonderd pond dragen zonder doorbuiging en zonder het zicht van de radioloog te beperken.

Een andere toepassing van koolstofvezel in medische apparatuur is elektrisch gereedschap. Deze vereisen afdichtingen die in geen van beide richtingen lekken en die bestand zijn tegen klinische reinigings- en sterilisatieregimes. In tegenstelling tot elastomere afdichtingen, hebben die gemaakt met met koolstofvezel gevuld PTFE de temperatuur en chemische weerstand die nodig zijn om deze processen aan te kunnen.

Prothetische toepassingen van koolstofvezel

Geamputeerden hebben protheses nodig die lichtgewicht, maar toch sterk en duurzaam zijn, waardoor koolstofvezel het ideale materiaal is. Een aantal fabrikanten produceert prothesekokers en ledematen van koolstofvezel. Productietechnieken die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor ruimtevaart en motorsport worden het meest gebruikt om protheses te maken. Deze omvatten het vormen van de vorm met voorgeïmpregneerde tape en pers- of autoclaafgieten. Het gebruik van 3D-printen neemt echter toe, zoals te zien is in dit nieuwe beenprothese, dat gebruik maakt van een Ultramid-polyamide dat is versterkt met korte koolstofvezel.

Een interessante, en enigszins controversiële, prothetische toepassing van koolstofvezel betreft voeten. Atleten hebben ontdekt dat koolstofvezel een grotere energieopslag en dynamische respons biedt dan de menselijke voet kan bieden. Dit betekent dat voetprothesen van koolstofvezel sporters met een handicap een voordeel geven. Koolstofvezel kan ook prestatiewinst opleveren als het wordt verwerkt in sportschoenen.

Koolstofvezel medische implantaten

Uitgebreid onderzoek, zoals beschreven in "Biocompatibiliteit van koolstofvezels voor implantaten", bevestigt dat koolstofvezel niet alleen veilig is voor medische implantaten, maar verschillende voordelen biedt ten opzichte van andere implantaatmaterialen. Deze omvatten superieure overdracht van belastingen, die, in overeenstemming met de wet van Wolff, helpt het bot te versterken, en elektrische eigenschappen die weefselvorming stimuleren.

Orthopedische implantaten worden doorgaans gemaakt van met koolstofvezel versterkt polyetheretherketon (CFR-PEEK). PEEK is een thermoplastisch polymeer met uitstekende chemische weerstand, een hoog smeltpunt en een glasovergangstemperatuur van ongeveer 289 ° F. Door koolstofvezel van korte lengte aan de mix toe te voegen, ontstaat een composiet dat sterk, vermoeidheidsbestendig en lichtgewicht is. Een composiet stroomvormproces, dat is afgeleid van spuitgieten, wordt gebruikt om CRF-PEEK-implantaten te maken.

CFR-PEEK wordt al enkele jaren gebruikt in botschroeven en implantaten. Wervelkolomkooien zijn een andere gevestigde toepassing en meer recentelijk zijn artsen het materiaal gaan gebruiken om tussenwervelschijven te vervangen. Er wordt gewerkt aan het gebruik van CFR-PEEK orthopedische implantaten als alternatief voor titanium bij knie- en heupprothesen.

Interessant is dat implantaten een toepassing zijn waarbij de radiolucentie van koolstofvezel niet zo gunstig is. Het probleem hier is dat het niet verschijnen op röntgenfoto's, waardoor het moeilijker wordt voor medische professionals om de locatie te bepalen. Fabrikanten van medische implantaten van koolstofvezel pakken dit aan door materialen toe te voegen die röntgenstralen verstrooien, met name tantaaldraad.

Het leven van miljoenen mensen beter maken

De eigenschappen die koolstofvezel zo aantrekkelijk maken in de lucht- en ruimtevaart, motorsport en sportartikelen, zoals schoenen en fietsen, maken het ook een uitstekende kandidaat voor tal van medische toepassingen. Dit wordt verder ondersteund doordat koolstofvezel radiolucent is en vergelijkbare mechanische eigenschappen heeft als menselijk bot. Terwijl het gebruik van medische apparatuur en protheses sterk in opkomst is, hebben implantaattoepassingen het grootste potentieel om klinische resultaten te verbeteren en de kwaliteit van leven te verbeteren. Misschien maken ze zelfs een einde aan vertragingen bij metaaldetectoren op luchthavens!