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碳纖維及復合材料在醫療方面的應用研究

2017-03-02

碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨,是亂層石墨結構,在沿纖維軸方向表現出很高的強度。隨著碳纖維生產技術的提高和應用研究的深入,人們發現碳纖維及復合材料的優點很多。

碳纖維按原料從來源可分為多種,但已經具有工業價值的主要是聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維。粘膠基碳纖維是最初開發的碳纖維,但因為強度低,目前應用已經很少。目前90%以上都是聚丙烯腈基碳纖維,其他主要是瀝青基碳纖維。碳纖維的性能優越,因此其應用越來越廣泛。


表1、各種纖維和晶須的性質


材料名稱

密度/(g/cm3)

拉伸強度/GPa

拉伸模量/GPa

伸長率/%

熔點(分解)/℃

比模量/104m

比強度/104m

E-玻璃

2.55

3.4

72.4

4.7

1725

2.90

14

S-玻璃

2.50

4.5

86.9

5.2

1725

3.56

18

SiO2

2.19

5.9

72.4

8.1

1728

3.38

27.4

Al2O3

3.95

2.1

380

0.55

2015

9.86

5.3

ZrO2

4.84

2.1

340

0.62

2677

7.26

4.3

高強碳纖維

1.70

4.9

230

2.0

3700

13.5

28.8

高模碳纖維

1.80

4.2

475

0.8

3700

26.3

23.3

硼纖維

2.36

3.4

380

0.89

2030

16.4

12

聚乙烯

0.97

2.59

120

2.2

147

12.4

27.4

芳綸

1.44

4.5

120

3.8

500

8.81

25.7

Al2O3晶須

3.96

21

430

4.9

1982

11.0

53.3

SiC晶須

3.18

21

380

4.4

2700

15.4

66.5

Si2N5晶須

3.18

14

380

3.7

12.1

44.5

石墨晶須

1.66

21

703

3.0

3700

43

128

 

表2、常見材料性能


常見材料性能



碳纖維除了上述優越的力學性能,還有其他的一些特殊性能,如具有良好的X光透光性,碳纖維具有良好的生物相容性,碳纖維耐高低溫性能優越,碳纖維具有良好的耐腐蝕性能,碳纖維具有一定的導電性和導熱性。

正是因為上述的種種特點,碳纖維及其復合材料在醫療器械領域有著越來越廣泛的應用。


一、在X光檢測設備中的應用

X平板探測器是一款多功能的高分辨率X射線平板成像器件,多采用非晶硅薄膜晶體管、光敏二極管陣列及高敏感度碘化銫直接生長閃爍體等先進技術獲得超凡穩定的影像性能。可應用醫療、工業無損檢測。碳纖維是一種能夠傳導微電流,對射線吸收少,透過度高,可以降低電壓減少射線的輻射能量,而獲得清晰的造影,并且由于電壓的降低,節約了能源,由于減少了射線輻射的能量,減少了對病人有害的副作用。因此碳纖維復合材料的片板已經大規模的代替X光檢測設備中傳統的鋁板。

在X光檢測設備中的應用

澳盛科技開發



二、超導磁體構件

核磁共振成像(MRI)檢查已經成為一種常見的影像檢查方式,核磁共振成像作為一種新型的影像檢查技術。核磁共 振儀主要由磁鐵、射頻發射器、檢測器、放大器及記錄儀等組成。磁鐵用來產生磁場,主要有永久磁鐵,電磁鐵,超導磁鐵等。而為了得到較高磁場,必須使用超導磁鐵。而超導必須要在極低溫度下才可實現,目前是在液氦(氦 -268.785℃)下,周圍的力學部件就需要使用特殊的材料。而碳纖維即使在極端低溫下,仍然保持良好的低溫性能,因此目前知名核磁共振廠家多使用碳纖維復合材料制備核磁共振的低溫部位的力學構件。

超導磁體構件

三、醫療床板

除了良好的力學性能,碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性能,就算有酒精,藥物,血漬殘留也不會對面板造成影響,而且清理更方便,長期下來不會對面板造成腐蝕的現象,重量很輕,移動起來很方便,方便醫務人員更好的調節合適的角度,碳纖維材料力學性能,化學穩定性,與人體的生物相容性,使之在醫療器械和生物材料方面受到廣泛的重視。

醫療領域的進步,已經廣泛地將X射線機,計算機斷層掃描儀應用于診斷和治療,但是,現時醫療放射診斷設備的支撐床板,如X射線機,計算機斷層掃描儀多數是采用木質和塑料結構的床板,不但重量較重,對射線的透波性也差,并且,木質和塑料結構的床板又有產生較大折射的趨向,當射線束傾斜地照射在床面時這些問題就更明顯了。為了達到診斷治療的目的,必須提高電壓,使射線輻射能量很大,即對病人產生有害的副作用,而且造影也不清晰,也浪費能源。

另外,對腫瘤患者進行放射治療時,需要保證病人灶部位得到準確劑量。為此目的,放射治療已從常規放療迅速向IMRT(調強適形放射治療)、IGRT(圖像引導放射治療)、IMAT(旋轉調強放射治療)等精確放療技術發展,這些新的放療技術極大的提高了劑量精度,但同時對治療機的床面也提出了更高的要求。目前治療機的床面大多也還是傳統材料,在實施上述精確放療技術時很難避開劑量大問題。為此,采用一種新的材料替換傳統材料,以促進放療技術和診斷技術的順利開展是目前需要解決的重要技術問題。

采用碳纖維復合材料制作的床板,允許射線以任何傾斜角度照射在床板上,而不產生折射和投射射線方面的較大偏差,并且使用較少的材料,達到設計結構強度、剛度,減輕了重量,抗拉強度高。

醫療床板


四、在假肢中應用

2008年北京殘奧會上,奧斯卡也是當之無愧的明星。他一舉奪得100米、200米以及400米比賽的三金。賽場上,特別引人注目的是奧斯卡膝蓋下那兩條閃著寒光黑色刀鋒形狀碳纖維假肢,那是他的專用比賽假肢——“獵豹”。

在假肢中應用

 在假肢中應用 在假肢中應用

Blatchford’s The Intelligent Prosthesis Plus. Automatically adjusts the swing of the knee to match the individual amputee’s walking speeds. Source: Courtesy of Chas A Blatchford & Sons Ltd.,Basingstoke, UK.


使用碳纖維復合材料設計制作假肢,強度高、重量輕,使假肢功能更完善。同時,它的腳部還能根據場合需要變換外觀,如宴會的高跟鞋、日常生活的休閑鞋、運動中的瑜伽鞋等等。碳纖維復合材料在假肢中應用如下:

1、接受腔作用

承擔人體重量、控制假肢,懸吊假肢,它使殘肢在腔內舒適自如, 而且碳纖維框架也達到支撐體重和力的傳遞要求

2、碳纖維膝關節

碳纖維膝關節其比強度是目前所用材料中最優的,因此,目前世界上流行的20多種膝關節的外框均采用碳纖維復合材料制作。由于在膝關節中引入了碳纖維復合材料,減掉了很多重量,從而使人工膝關節得以實現多種效能

3、碳纖維踝關節

踝關節與假腳的動作,對膝關節的支撐穩定性有重要的影響。(柔性腳中采用碳纖維復合材料做踝關節,可以彈跳。碳纖維固定軟跟足踝、碳纖維萬向足踝等人工踝關節。)

4、連接管

足踝與小腿假肢連接管也可采用碳纖維復合材料制作,從而使踝關節輕巧美觀。

5、碳纖維假腳

假腳的主要功能是支撐體質量,在運動中產生推力,同時可代償小腿三頭肌和屈肌的作用。儲能腳由于特殊的設計和材料,放/儲能比一般在50%以上,高于傳統假腳。在儲能腳中,采用高彈性、高強度的碳纖維復合材料的假腳最高,可達95%以上,同時由于其質量輕,患者行走時較為省力而廣受歡迎。


十、碳纖維復合材料在矯形器中的應用

是指裝配于人體四肢、軀干等部位的體外器具的總稱,其目的是為了預防或矯正四肢、軀干的畸形或治療骨關節及神經肌肉疾病并補償其功能。

碳纖維復合材料在矯形器中的應用 碳纖維復合材料在矯形器中的應用 碳纖維復合材料在矯形器中的應用

矯形器的要求:1、防止跌倒 2、使前足在擺動期保持中立位 3、穩定踝部 4、在凸起部位 5、能量利用效率高 6、耐久 7、重量輕 8、必須適合穿鞋 9、沒有笨重不方便的設計 10、易于穿脫 11、不限制肌肉活動 12、輔助提高血液循環質量。

碳纖維矯形器優點:碳纖維制成的矯形器異常輕便,但又非常穩固它不僅有重量輕、適應性好的特征,還可以儲存能量,減輕患者的能耗。

常用碳纖矯形器有:

1、碳纖AFO

碳纖維動態踝足矯形器碳纖維腳的后跟和前部富有彈性,因此無論路面是否平坦,步態都更加輕松自然。因此,行走時消耗的能量更少,能夠順利地走更長的距離。 

小腿部由凱夫拉纖維覆蓋的獨特的Y-型碳板設計 竹碳纖維護踝

2、碳纖FO

前十字韌帶損傷型矯形器

3、碳纖KAFO

碳纖KAFO 電子控制E-MAG

松下AWN-03動力外骨骼裝置

碳纖KAFO

松下AWN-03動力外骨骼裝置,它采用松下最新的小型高功率馬達控制體積,碳纖維材料和樹脂傳動齒輪的利用使其相比金屬制品輕了50%。而且,這也是實實在在的一款智能硬件,它的核心功能還在于可以通過腰部集成的姿態檢測傳感器,來實現對人體姿勢的檢測,方便不同行動之間的模式轉換,不礙事也不會造成損傷。實時分析使用者的活動信息,并給予恰當的力量輔助,讓使用者用很小的力就可以搬起各種重物,甚至還可以做到高難度的調高、攀爬動作。


十一、保健用品

碳纖維在通電情況下會發熱,碳纖維發熱75%以上的熱能以遠紅外方式、且波長為7-14um、當兩段波長相等相互作用時就會產生共振現象。而人體是生物體,人體70%-80%以上是由水分子組成,在共振作用下,首先激活了水分子的振動,而產生一系列生理上的反應,可促進人體皮膚和皮下組織中的細胞溫度上升,使人體由內至外產生熱傳遞,促進和改善了人體的血液循環;有利于消除人體疲勞和肌體機能恢復,增強新陳代謝,提高人體免疫功能。因此具有一定的保健功能。

保健用品 保健用品


十二.其他

輪椅

輪椅 輪椅

Andrew Slorance 在14歲的時候患上脊椎損傷,后來自己設計的輪椅

輪椅 輪椅

手術器械等


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