碳纤维复合材料在医疗领域的应用

高科技碳纤维复合材料在诊疗、保健及相关领域的应用越来越广泛，随着医疗市场需求的逐步增大，有关碳纤维医用材料也在应用途径和形式上不断拓展和创新。

医用碳材料的研究最早从本世纪60年代开始，当时的人造血管的抗血凝材料研究中发现了碳纤维材料具有优秀的抗血凝性能，1970年以后，Bokros提出碳材料作为生物医学器件。根据现代科学研究表明，碳材料具有良好的生物相容性，对生体组织刺激性小、无毒、不致癌、比重小、弹性模量与人骨相近等优点，有成为第四代植入材料潜在优势。

根据最新的市场研究报告显示，全球医疗复合材料市场2016～2020年的年复合增长率达到6.91%。高性能碳纤维已广泛应用于医学的各个领域。

碳纤维复合材料在医疗领域的应用优势
各向异性和可设计性：碳纤维复合材料是各向异性材料，沿纤维方向和垂直于纤维方向的性能不同，给设计带来很大的自由度，通过改变铺层方式（例如铺层角度、铺层顺序）来改变产品的弹性和强度等特性，满足具体使用要求。而医疗设备部件，往往作用于不同的人体部位，不同部件具体性能要求不—样。

X射线透过率高：X射线的透过率和所穿透物质的元素组成、原子序数、密度、厚度有关，组成碳纤维复合材料的主要元素为C、H、O，原子序数小，X射线质量吸收系数远低于—般材料。1mm厚的铝板和碳纤维复合材料板，它们的X射线透过率分别为78%和96%，铝板散射和吸收消耗为22%，碳纤维板只有4%。

良好的抗疲劳性：碳纤维复合材料中包含无数纤维/树脂界面，当受到过大的外力产生裂纹，这些界面能有效阻止裂纹的进—步扩大，推迟疲劳破坏的产生。医疗器械每天都在重复使用，碳纤维复合材料良好的抗疲劳性能保证仪器的使用寿命。

在医疗器械领域，利用其X射线全透射性，其被用于制造X光检查仪用移动平台；利用CFRP优异的机械性能，其被用于制造骨科用和器官移植用等医疗器械，以及制造假肢、矫形器等康复产品。

用于CT床板、X光检查等设备及辅助设备
这类是目前国内应用最多和最广泛的碳纤维医用案例，较有代表性的有X光、CT和B超检查床面板、诊断床用头托、高清DR平板探测仪用面板，以及支架等等。

医疗用CT床板多采用绝缘电板，但其射线透过率低，力学性能差，成像清晰度差。碳纤维复合材料的吸收率和散射率与其相比要小得多，在诊断时可以相应地降低X射线剂量，降低X光机的功率，延长仪器使用寿命，节省电能。更重要的是碳纤维复合材料因为这种优异的X射线透过性能，允许射线以任何角度照射在床板上而不产生折射，只需小剂量的射线即可获得清晰的造影，从而减少了对患者及医护人员的危害。

此前，日本医疗器械设计制造展览会上，帝人集团展示了旗下碳纤维复合材料在医疗领域的应用产品——脑外科手术应用的碳纤维支架。目前，国内的这类产品技术已经相当成熟，例如，无锡威盛新材早在几年前就开始为牙科诊疗提供轻量化碳纤维头托，碳纤维泡沫夹芯床面板、乳腺X光检查碳纤维面板等医疗器械产品也早已进入批量化生产阶段。

用于人工骨和人工关节的碳纤维
目前碳纤维复合材料已广泛应用于骨内固定板、骨填料、髋关节柄、人工种植齿根、颅骨补修材料以及人工心脏材料等。人体骨骼的弯曲强度在100Mpa左右，弯曲模量在7~20Gpa，拉伸强度约150Mpa，抗拉模量约在20Gpa。而碳纤维复合材料的弯曲强度为89Mpa左右，弯曲模量为27Gpa，拉伸强度约43Mpa、抗拉模量约24Gpa，相较而言已接近或超越人体骨骼的强度。

目前有公司研究出使用碳纤维复合材料制作人工骨和关节，这种人工骨的抗弯曲强度较其他生物材料制成的人工骨，更接近于真实的人骨，这对矫形医学意义重大。用它制成的人工关节在活动连接处的耐磨性也比超高相对分子质量聚乙烯及金属制品要高。

Invibio公司是医疗器械的知名供应商，它所开发的短切碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK），具有优良的力学强度和抗拉蠕变性，可承载骨头、血液及人体组织所需的负荷，与人体的相容性良好。这种人工骨的抗弯曲强度较其他生物材料制成的人工骨，更接近于真实的人骨，这对矫形医学意义重大。用它制成的人工关节在活动连接处的耐磨性也比超高相对分子质量聚乙烯及金属制品要高。

上海杰事杰新材料股份有限公司开发了骨骼修复用连续碳纤维或其毡增强塑料，树脂基体采用聚甲基丙烯酸甲酯，碳纤维的质量分数为20%-60%。由于该材料质轻、对核磁共振成像检查无干扰等特点，同时经生物毒理性试验证明符合国家标准，还具有很好的生物相容性，长期植入生物体内对生物体组织、血液和脑脊液等无不良反应，无排异反应，因此适用作骨折处固定用材料或骨折内固定或骨骼修补材料。

牙体修复
在欧美国家，非金属修复–预成纤维桩系统正越来越多地应用于临床，并逐渐被认为可有效替代传统的金属桩核系统修复牙齿的残根残冠。对碳纤维桩的理化性能、生物学性能研究表明，碳纤维桩具有与牙体组织更匹配的机械性能，其近似于牙本质的弹性模量可以使应力沿着桩体更均匀地分布，有利于保护牙根；同时具有良好的生物相容性及耐腐蚀性，易拆除、便于二次修复等众多优点。

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，在破损安全性方面也表现出色。

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。

碳纤维固定骨板
用骨板固定骨折部位时，一方面要保证患者肢体能够正常活动，另一方面固定部位还要有足够的挠曲性，使骨折区也能存在一定程度的活动性，这样才能促进桥状外骨痂快速形成，促进骨折的愈合。

过去临床上曾使用的是不锈钢材质的骨板，但是不锈钢材质的弹性模量与人体骨骼的弹性模量相差太大，而且金属对疲劳应力的耐性差，不能承受小范围内的高频次的反复性活动，临床使用发现这种材料容易引起骨质脆弱，增加再次骨折的风险，使用效果并不理想。

而碳纤维增强复合材料的弹性模量更接近于人体骨骼，耐疲劳强度比钢大得多，在临床试验中发现，采用碳纤维材质的固定骨板有利于减少骨折部位的感染，并能明显促进愈合。

碳纤维复合材料性能优异，已经广泛应用于民用日常生活中，也经过了几十年的应用验证，其对环境和人体健康是安全可靠的。随着医疗技术的不断进步，医疗设备也在不断创新发展，因此碳纤维在医疗器械方面的投入应用代表着新的趋势和方向。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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