医疗行业的碳纤维创新

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，但在机场金属探测器上却有点麻烦。金属比骨头的密度大得多，所以 X 射线不容易穿过它，这会导致排队和不可避免的拍打。

碳纤维医疗植入物可以改变这一点。虽然用于髋关节和膝关节的碳纤维替代品的工作仍在继续，但在许多医疗应用中，这种材料已经产生了巨大的影响。了解这个令人兴奋的领域，首先要了解碳纤维的医疗价值，然后深入了解植入物和其他应用。

碳纤维有利于医疗应用的特性

几十年来，碳纤维比钢更轻、更坚固，已被用于航空航天、赛车运动和汽车应用。从胶带或片材开始，碳纤维可以模制成复杂的结构，比任何金属等价物（甚至是钛）都坚硬、坚固、轻便且更耐疲劳。这样可以减轻重量，同时创造更坚固的结构和组件。

除了这些特性之外，碳纤维还有其他三个让医疗专业人士感兴趣的特性。它是：

• 射线可透：用于医学成像的强度的 X 射线穿过它
• 生物相容性：身体接受碳纤维植入物，证据表明它们比金属等价物更能促进骨整合
• 密度和弹性与骨骼相似

碳纤维在医疗设备中的应用

强度和射线可透性使碳纤维成为许多成像应用中的首选材料。例如，CT 和 MRI 机器依赖于对患者身体进行 360° 扫描。如果病人躺着的桌子是金属的，它会阻挡大部分成像。为了防止这种情况发生，患者躺在一张滑入成像区域的悬臂式碳纤维医疗台上。这些桌子可以承受超过 200 磅的重量而不会偏转，也不会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。这些要求密封件在任一方向都不会泄漏，并且能够承受临床清洁和灭菌方案。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这些过程所需的温度和耐化学性。

碳纤维假肢应用

截肢者需要重量轻但坚固耐用的假肢，这使得碳纤维成为理想的材料。许多制造商正在使用碳纤维生产假肢窝和假肢。最初为航空航天和赛车运动开发的制造技术最常用于制造假肢。这些需要用预浸带和压缩或高压釜成型来形成形状。然而，3D 打印的使用正在增长，正如这条新的假腿所见，它使用了用短碳纤维增强的 Ultramid 聚酰胺。

碳纤维的一个有趣且有些争议的假肢应用与脚有关。运动员发现，碳纤维提供的能量储存和动态响应比人脚所能提供的更大。这意味着碳纤维假脚为残障运动员提供了优势。碳纤维在融入运动鞋中时还可以提高性能。

碳纤维医用植入物

广泛的研究，如“植入物的碳纤维生物相容性”中详述的研究，证实碳纤维不仅对医疗植入物安全，而且与其他植入物材料相比具有多项优势。这些包括卓越的负载转移，根据沃尔夫定律，这有助于加强骨骼，以及促进组织形成的电特性。

骨科植入物通常由碳纤维增强聚醚醚酮 (CFR-PEEK) 制成。 PEEK 是一种热塑性聚合物，具有出色的耐化学性、高熔点和约 289°F 的玻璃化转变温度。在混合物中添加短长度的碳纤维可以形成一种坚固、抗疲劳且重量轻的复合材料。复合流延成型工艺是注射成型的衍生技术，用于制造CRF-PEEK植入物。

CFR-PEEK 已用于接骨螺钉和植入物多年。脊柱笼是另一种成熟的应用，最近，医生们开始使用这种材料来代替椎间盘。在膝关节和髋关节置换术中使用 CFR-PEEK 骨科植入物替代钛的工作正在进行中。

有趣的是，植入物是一种应用，其中碳纤维的射线可透性不是那么有益。这里的问题是它没有 出现在 X 射线上，使医疗专业人员更难确定位置。碳纤维医疗植入物的制造商通过添加散射 X 射线的材料（特别是钽丝）来解决这个问题。

让数百万人的生活更美好

使碳纤维在航空航天、赛车运动和运动用品（如鞋类和自行车）中如此有吸引力的特性也使其成为许多医疗用途的绝佳候选者。碳纤维是射线可透的并且具有与人体骨骼相似的机械性能，这进一步支持了这一点。虽然医疗设备和假肢的使用正在蓬勃发展，但植入物应用在改善临床结果和提高生活质量方面具有最大的潜力。也许他们甚至会结束机场金属探测器的延误！