复合材料在医疗领域中的应用

文摘 2024-10-12 06:58 山东

碳纤维复材在医疗器械中的应用

　　碳纤维复合材料质量轻，力学性能优异，这使得它在制造工艺要求颇为严格的医疗器械领域也有广泛应用。目前随着碳纤维相关技术的成熟，碳纤维复合材料被更多的医疗器械厂家所接受。

　　碳纤维复合材料在医疗器械应用多样，新的应用也在不断地开拓。今天来列举几种常见的碳纤维医疗器械产品，看看医疗器械中碳纤维复合材料的应用情况。

碳纤维假肢

　　假肢和人体的链接传递部分称为接受腔，主要包裹残肢和传递力量。这个部分承重要求高、且不能太重，碳纤维材料也可作为制作此部位的材料。包容残肢的部分可用聚乙烯板，支撑体可使用碳纤维制作框架结构，实现轻松支撑和传递力量。

　　人体的脚踝和脚的连动对于身体的平衡和支撑有着关键的作用，碳纤维制作的踝关节能够实现人体跳跃功能，另外脚踝和小腿假肢的衔接部分也可用碳纤维实现，制作出来的整体非常精美。

碳纤维医疗床板

　　碳纤维在医疗床板上的应用可以说是比较多的。在CT诊断和放射治疗的时候，射线的剂量准确到达患者病灶是十分重要的。碳纤维复合材料被广泛应用于X光数字机、PET机、CT机、MR机、SPECT机；放射治疗已从常规放疗迅速向IMRT（调强适形放射治疗）、IGRT（图像引导放射治疗）、IMAT（旋转调强放射治疗）等精确放疗技术发展，这些新的放疗技术极大的提高了剂量精度，同时也对治疗机的床面也提出了更高的要求。

　　采用碳纤维复合材料制作的床板，表面光洁平整，X射线透过率高；并允许射线以任何倾斜角度照射在床板上，而不产生折射和投射射线方面的较大偏差，并且使用较少的材料，达到设计结构强度、刚度，减轻了重量，抗拉强度高。

碳纤维轮椅

　　碳纤维的密度只有1.7g/cm3，同规格的配件比铝合金材质的还要轻一半以上，但是强度要大得多，另外，碳纤维还具有很强的耐腐蚀性，相当比例的轮椅患者面临着大小便失禁以及要经常与针剂药水接触等问题，在此情况下，碳纤维复合材料的配件就展现出一般金属材质所难以匹敌的耐用性。

　　目前碳纤维复合材料主要用于扶手、臂托、脚托、腿托、靠背、护裙板以及框架管等配件中，这些配件大都可以调节高度，碳纤维复合材料便于通过机械连接与轮椅整体进行装配，最为重要的是这些配件在使用了碳纤维复合材料后，轮椅的整体重量得到了明显的缩减，而且作为使用频率很高的部件，也变得更加结实耐用。

　　电动轮椅配件为例，使用了碳纤维复合材料的电动轮椅整车重量仅14kg，相较传统铝合金电动轮椅的21kg减轻了约33%；在承重方面，传统铝合金轮椅承重100kg，而使用了碳纤维材料的电动轮椅可承重200kg，适合更多人群；在最为关注的续航方面，得益于碳纤维的轻量化特性，该款碳纤维电动轮椅一次充电可行驶40km，时速最高可达8km/h，而传统电动轮椅的行驶距离只有20km，行驶距离提高了50%，相较传统轮椅配件材料，使用了碳纤维材料的电动轮椅各方面都有大幅度提升。

　　随着科学技术的进步，碳纤维的应用变得多样化。由于碳纤维复合材料所拥有的优异性能，在医疗器械材料方面成为主流是不可避免的，复材企业也顺应趋势积极优化自身技术，为大家提供更多优质的碳纤维医疗器械产品。

先进复合材料在医疗领域的应用概述

　　先进复合材料可制造轻质、耐用且生物相容的医疗产品。碳纤维、玻璃纤维和先进聚合物等复合材料可用于假肢、手术器械、助听器、牙科植入物、支架、健康监测带、内窥镜器械、针和板、髋关节置换术、手术机器人和外骨骼，以提供更高效、更适合患者的医疗保健解决方案。

先进复合材料在医疗应用中的优势包括：

强度重量比——这可以降低医疗设备的整体重量，同时不影响强度或功能。
高耐腐蚀性——复合材料可以承受灭菌过程，这使其非常适合在医疗环境中重复使用。
适应性设计——这允许在设计和功能上进行定制，例如用于定制假肢时。
生物相容性——某些先进复合材料具有生物相容性（对活组织无害或无毒），可用于植入物等医疗应用。

医疗用途的历史和演变

　　复合材料最早于 20 世纪 70 年代初用于医疗应用，此后得到了迅速发展和应用。据报道，罗伯特·马蒂斯于 1967 年想到了“非骨水泥等弹性髋关节柄”，作为约翰·查恩利爵士金属髋关节植入物的替代品。这种等弹性髋关节柄是一种由聚甲醛共聚物制成的复合假体，于 1973 年首次植入。最初，复合材料的使用受到成本和制造复杂性的限制。然而，随着技术的进步，这些材料变得更加可行，复合材料开始用于假肢、手术器械和成像设备。

假肢和矫形器中的先进复合材料

　　先进复合材料可广泛用于假肢和矫形器，如夹板、鞋垫、支架、脊柱护套和头盔。其他应用包括膝关节和髋关节置换、导管、手术网、医疗器械、缓释药丸壳、植入物等。碳纤维、玻璃纤维和其他复合材料的创新使用创造了更具弹性、更持久和更有效的辅助器具，大大提高了用户的生活质量。这一进步标志着技术进步和向更加个性化和响应迅速的医疗保健解决方案迈出的一大步。

设计和定制灵活性

　　高级复合材料具有非凡的设计灵活性。这些材料可以模压和塑形以适应个人身体的独特轮廓，确保更精确和舒适的贴合。这种定制还延伸到美学方面，允许一系列饰面和颜色来匹配佩戴者的喜好，从而增强设备的个人和情感舒适度。

复合材料在手术设备中的应用

　　手术设备中复合材料的演变是由对工具的需求推动的，这些工具既要能承受复杂医疗程序的严苛要求，又要确保患者安全和手术效率。先进的复合材料用于手术设备，例如手术牵开器和扩张器、内窥镜器械、骨科植入物（针和板）、牙钻和牙套。它们还用于手术机器人组件，以提高机器人辅助手术的精确度。

手术器械的精密度和耐用性

　　先进复合材料对手术器械的精度和耐用性贡献巨大。它们的高强度重量比使制造出既轻便又坚固的工具成为可能，从而减轻了外科医生在漫长的手术过程中的疲劳。这种精度水平对于精细的手术至关重要，因为精确的动作和稳定性至关重要。此外，复合材料的耐用性确保这些器械能够经受反复消毒和严格使用，并长期保持其完整性和性能。

微创手术工具的创新

　　微创手术领域尤其受益于复合材料的创新。这些进步推动了工具的开发，这些工具不仅更小、更易于操作，而且通过较小的切口更有效地执行复杂手术。这种微创方法得益于复合材料技术，可缩短患者的恢复时间并减轻术后不适；这是外科护理和患者结果向前迈出的重要一步。

牙科应用中的复合材料

　　复合材料已成为各种牙科手术中不可或缺的一部分，既提高了牙科手术的功能性，又提高了美观性。它们用于复合树脂填充物、牙冠和牙桥、牙套、牙贴面和牙科粘合剂。强度、美观性和生物相容性的结合使牙科解决方案更有效、更持久，彻底改变了口腔保健方法。

　　复合材料的进步改善了各种过程，例如牙种植体中的骨整合；其中种植体与颌骨整合，作为牙齿替换的长期解决方案。在正畸学中，复合材料使更不显眼、更舒适的牙套和矫正器的发展成为可能，大大改善了患者的体验。此外，由碳纤维增强塑料 (CFRP) 等复合材料制成的仪器可以与 X 射线机器配合使用，而金属材料会干扰 X 射线机器。

生物相容性和美学效益

　　先进复合材料的生物相容性是一大优势，因为它可以最大限度地降低过敏反应和身体排斥植入物的风险。从美学角度来看，这些材料可以与牙齿的自然颜色相匹配，为牙齿修复提供无缝自然的外观。生物相容性和美学吸引力的结合显著提高了患者对牙科治疗的满意度和效果。

复合医疗器械的新兴趋势

　　复合材料现在被用于制造具有功能和生物力学特性的增强型假肢，例如能够感知温度和触觉。约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL)对此进行了研究，将温度传感器嵌入到先进的假肢中。这使得志愿者自上肢截肢以来第一次能够感受到冷饮罐。其他未来趋势可能包括复合材料在组织工程和再生疗法中发挥作用。

可穿戴医疗技术

　　可穿戴医疗设备包括先进的生物传感器和药物输送系统，由于复合材料的灵活性和轻质性，它们变得越来越复杂。它们提供持续的健康监测和管理功能，为患者和医疗保健提供者提供重要数据和见解。例子包括先进的助听器、健身追踪器、健康监测带和用于康复的外骨骼。

未来方向和研究机会

　　复合医疗器械的未来潜力巨大，可探索再生医学和个性化医疗器械。Nobio抗菌修复材料等复合材料的开发正在兴起，这些复合材料释放出具有强大、集中静电应力的颗粒，可在牙科应用中杀死细菌和病毒。此外，高性能聚合物（如Magnolia Trinity PEEK，于 2023 年 10 月首次用于制造医疗器械）结合了碳纤维、羟基磷灰石和聚醚醚酮。这种强大的材料组合可提供结构支撑，促进骨骼生长，并抵抗关节置换和假肢中的磨损。

复合材料在医疗应用中的挑战和考虑因素

复合材料在医疗应用中的使用虽然具有优势，但也带来了一些挑战和注意事项。需要认真关注这些问题，以确保复合材料医疗器械的安全性、有效性和可行性。

监管和安全问题

一个值得关注的领域是监管和安全方面。使用复合材料的医疗器械必须遵守严格的监管标准，以确保其安全使用。这涉及对生物相容性、稳定性和潜在毒性的严格测试。复合材料的复杂性可能使这一过程具有挑战性，因为了解它们在一段时间内如何与人体相互作用至关重要。

平衡成本和性能

另一个考虑因素是平衡成本和性能。虽然复合材料具有优越的品质，但它们可能比传统材料更昂贵。因此，必须考虑成本效益比，特别是在预算受限的医疗保健环境中。挑战在于开发复合材料和制造工艺，以保持高性能而不会过度增加成本。

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