医療産業における炭素繊維の革新

股関節と膝のインプラントは、人々の可動性と生活の質を改善するために驚異的ですが、空港の金属探知機では少し厄介です。金属は骨よりもはるかに密度が高いため、X線が容易に通過せず、列ができて、必然的にパットダウンが発生します。

炭素繊維医療用インプラントはそれを変えることができます。股関節と膝関節の炭素繊維の交換作業は継続されていますが、この材料がすでに劇的な影響を及ぼしている多くの医療用途があります。このエキサイティングな分野を理解することは、炭素繊維の医学的価値を理解することから始まり、インプラントやその他の用途に飛び込むことが続きます。

医療用途に有利な炭素繊維の特性

炭素繊維は鋼よりも軽くて丈夫で、航空宇宙、モータースポーツ、自動車の用途で数十年にわたって使用されてきました。炭素繊維は、テープまたはシートから始めて、チタンでさえも、同等の金属よりも堅く、強く、軽く、耐疲労性のある複雑な構造に成形することができます。これにより、重量を節約しながら、より強力な構造とコンポーネントを作成できます。

これらの特性に加えて、炭素繊維には医療専門家が関心を持つ他の3つの特性があります。それは：

• 放射性物質：医用画像に使用される強度のX線が通過します
• 生体適合性：身体は炭素繊維インプラントを受け入れ、証拠は、それらが金属同等物よりもオッセオインテグレーションを促進することを示しています
• 密度と弾力性が骨に似ています

医療機器での炭素繊維の使用

強度と放射線透過性により、炭素繊維は多くのイメージングアプリケーションで好ましい材料になっています。たとえば、CTおよびMRI装置は、患者の体の周りを360度スキャンすることに依存しています。患者が横たわっているテーブルが金属製である場合、それは画像の多くをブロックします。これを防ぐために、患者は、イメージングフィールドにスライドする片持ち式の炭素繊維医療用テーブルに横になります。これらのテーブルは、たわみや放射線科医の視界を制限することなく、200ポンド以上耐えることができます。

炭素繊維のもう1つの医療機器アプリケーションは電動工具です。これらには、どちらの方向にも漏れず、臨床的な洗浄および滅菌レジメンに耐えるシールが必要です。エラストマーシールとは異なり、炭素繊維を充填したPTFEで作られたシールは、これらのプロセスに耐えるのに必要な温度と耐薬品性を備えています。

炭素繊維の補綴用途

切断者は、軽量でありながら丈夫で耐久性のある補綴物を必要とします。そのため、炭素繊維は理想的な素材になっています。多くのメーカーが、炭素繊維から義足のソケットと手足を製造しています。もともと航空宇宙およびモータースポーツ用に開発された製造技術は、義肢の作成に最も一般的に使用されています。これらは、事前に含浸されたテープと圧縮またはオートクレーブ成形で形状を形成することを伴います。ただし、短い炭素繊維で補強されたUltramidポリアミドを使用するこの新しい義足に見られるように、3D印刷の使用が増えています。

炭素繊維の興味深い、そしてやや物議を醸す補綴アプリケーションは足に関係しています。アスリートは、炭素繊維が人間の足よりも優れたエネルギー貯蔵と動的応答を提供することを発見しました。これは、炭素繊維の義足が障害を持つアスリートに利点を与えることを意味します。カーボンファイバーは、スポーツシューズに組み込むとパフォーマンスを向上させることもできます。

炭素繊維医療用インプラント

「インプラントの炭素繊維の生体適合性」で詳述されているような広範な研究により、炭素繊維は医療用インプラントにとって安全であるだけでなく、他のインプラント材料に比べていくつかの利点があります。これらには、ウォルフの法則に従って骨を強化するのに役立つ負荷の優れた伝達、および組織形成を促進する電気的特性が含まれます。

整形外科用インプラントは通常、炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトン（CFR-PEEK）から製造されます。 PEEKは、優れた耐薬品性、高融点、および約289°Fのガラス転移温度を備えた熱可塑性ポリマーです。混合物に短い長さの炭素繊維を追加すると、丈夫で耐疲労性があり、軽量な複合材料が作成されます。射出成形の派生物である複合フロー成形プロセスを使用して、CRF-PEEKインプラントを作成します。

CFR-PEEKは、数年前から骨ネジやインプラントに使用されてきました。脊椎ケージは別の確立されたアプリケーションであり、最近では、医師は椎間板の代わりにこの材料を使用し始めています。膝および股関節置換術でチタンの代替としてCFR-PEEK整形外科インプラントを使用する作業が進行中です。

興味深いことに、インプラントは、炭素繊維の放射線透過性がそれほど有益ではないアプリケーションです。ここでの問題は、そうではないということです。 X線で表示されるため、医療専門家が場所を特定するのが難しくなります。炭素繊維医療用インプラントのメーカーは、X線を散乱させる材料、特にタンタルワイヤーを追加することでこれに対処しています。

何百万人もの人々の生活をより良くする

炭素繊維を航空宇宙、モータースポーツ、および履物や自転車などのスポーツ用品で非常に魅力的にする特性は、多くの医療用途の優れた候補にもなります。これは、放射線透過性であり、人間の骨と同様の機械的特性を有する炭素繊維によってさらにサポートされます。医療機器や補綴物の使用が急増している一方で、インプラントの用途は、臨床転帰を改善し、生活の質を改善する最大の可能性を秘めています。たぶん、彼らは空港の金属探知機での遅延に終止符を打つでしょう！