Die Entwicklung leichter Verbundwerkstoffe in der Medizinindustrie

Leichte Materialien in der Medizintechnik

Experten schätzen, dass der Markt für Medizinprodukte bis 2023 409,5 Mrd. $ erreichen wird. Leichte Materialien mit Verbundwerkstoffen haben den Markt revolutioniert. Weitere Fortschritte führen zu mehr praktischen Anwendungen für die Medizin.

Schauen wir uns an, wie Verbundwerkstoffe entstanden sind. Während wir die Geschichte der Verbundwerkstoffe erforschen, können wir spekulieren, wohin sie uns in Zukunft führen werden.

Entwicklung von Verbundwerkstoffen

Wenn wir zwei oder mehr verschiedene Materialien miteinander verschmelzen, ist das Ergebnis ein Verbundwerkstoff.
Schauen wir uns an, wie die menschliche Technologie die Fähigkeiten von Verbundwerkstoffen verbessert hat.

Frühe Composites

Die Herstellung von Verbundwerkstoffen reicht bis ins Jahr 1500 v. Chr. zurück. Zu dieser Zeit stellten die alten Ägypter eine Mischung aus Schlamm und Stroh her, um starke, haltbare Ziegel herzustellen. Sie entwickelten diese Mischung weiter und verwendeten sie als Verstärkung in der Töpferei und im Bootsbau.

Auf ähnliche Weise erfanden die Mongolen um 1200 n. Chr. die ersten Kompositbögen. Sie verwendeten eine Kombination aus Knochen, Holz und Tierleim, um kraftvolle und präzise Bögen zu schaffen. Diese Bögen halfen der Armee von Dschingis Khan, ihre militärische Vorherrschaft zu behaupten.

Geburt des Kunststoffs

Ein Großteil der Verbundtechnologie blieb bis zum Aufkommen von Verbundkunststoffen rudimentär.

Wissenschaftler begannen mit der Entwicklung komplexer Harze, die die Bindungsfähigkeit deutlich verbesserten. Als Bindemittel wurden bisher ausschließlich Naturharze aus Pflanzen und Tieren verwendet. In den frühen 1900er Jahren entwickelten Wissenschaftler Kunststoffe wie:

• Vinyl
• Polystyrol
• Phenolisch
• Polyester

Diese neuen, synthetischen Verbindungen übertrafen die einzelnen Harze aus natürlichen Quellen bei weitem. Kunststoffe eignen sich zwar gut als Bondage-Klebstoffe, bieten jedoch wenig strukturelle Unterstützung. Sie benötigten immer noch zusätzliche Unterstützung, um Stärke und Struktur zu verleihen. Dies reduzierte die Lebensfähigkeit von Kunststoffen als leichtes Material.

1935 fand der Wissenschaftler Owens Corning mit seiner Erfindung des Fiberglases die Lösung. Die Kombination von Glasfaser mit Kunststoff revolutionierte den Markt für leichte Verbundwerkstoffe. Es war nicht nur superstark und unterstützend, sondern auch superleicht.

Dieser Fortschritt brachte den Beginn der faserverstärkten Polymerindustrie (FRP).

Militärische Fortschritte

So düster der Krieg auch ist, Kriegsstrategien haben bedeutende Fortschritte in der Technologie gemacht.

Der Zweite Weltkrieg brachte eine Nachfrage nach Fortschritten bei Verbundwerkstoffen mit sich. Während viele litten, florierte die FRP-Industrie.

Vor allem Militärflugzeuge erforderten neuere, bessere Verbundwerkstoffe. Diese Strukturen mit Sprengwaffen mussten unter feindlichem Feuer in der Luft bleiben. Diese Fortschritte würden später dem Design und dem Bau von Raumschiffen weichen.

Ingenieure entdeckten später die sekundären Vorteile von Verbundwerkstoffen. Ingenieure haben beispielsweise erfahren, dass Glasfaser für die Funkfrequenzen durchlässig ist. Anschließend passten sie diese Materialien an das Gehäuse elektronischer Radargeräte an.

Markterweiterung

Das Ende des Krieges führte nicht zum Untergang der FVK-Industrie.
Während die Nachfrage nach militärischen Anwendungen gering war, blieb die Dynamik der Verbundwerkstoff-Innovatoren bestehen. Der Transport wurde zum Hauptaugenmerk der Branche. Zum Beispiel der erste kommerzielle Bootsrumpf aus Verbundwerkstoffen, der 1946 auf den Markt kam.

Ein Innovator überragte die anderen:Brandt Goldsworthy, „Großvater der Verbundwerkstoffe“. Goldsworthy hat die Branche mit neuen Herstellungsmethoden und Produkten vorangebracht. Mit dem Fiberglas-Surfbrett hat er beispielsweise den Surfsport revolutioniert.

Goldsworthy erhielt großes Lob für ein von ihm entwickeltes Herstellungsverfahren, das als Pultrusion bekannt ist. Es ist eine Methode, die Produkte mit Glasfaser verstärkt, um stark und haltbar zu sein. Noch heute werden Produkte mit dieser Methode erstellt, wie zum Beispiel:

• Leiterschienen
• Werkzeuggriffe
• Rohre
• Pfeilschäfte
• Rüstung
• Bahnhöfe
• Medizinische Geräte

Moderne Verbundwerkstoffe

Die 1970er Jahre brachten einen weiteren Wandel in der Verbundwerkstoffindustrie.

Die Verfahren zur Herstellung von Kunststoffharzen sind mit der Verbesserung der Verstärkungsfasern ausgereift. Jetzt wurde eine Aramidfaser namens Kevlar entwickelt, die sich perfekt für Körperschutz eignet. Kevlar besitzt eine hohe Zugfestigkeit und hohe Dichte und bleibt dennoch leicht. Ebenso begann die Entwicklung von Kohlefaser, die Stahlkomponenten in meinen Strukturen ersetzte.

Die Composites-Industrie entwickelt sich weiter. Der Fokus liegt auf der Verbesserung erneuerbarer Energiemethoden und der Aufrüstung medizinischer Geräte.

Medizinische Anwendungen für leichte Verbundwerkstoffe

Es gibt Millionen von Verbundprodukten, die zur Diagnose und Behandlung von Verletzungen verwendet werden. Der Markt für Medizinprodukte reicht von einfachen Steckbecken bis hin zu komplexen Prothesen.

Schauen wir uns einige sich entwickelnde Anwendungen von Verbundwerkstoffen im medizinischen Bereich an. Während viele Anwendungen bereits auf dem Markt verfügbar sind, befinden sich die folgenden noch in der Forschung. Hoffen wir, dass sie bald verfügbar sind!

Kohlenstoff-Nanoröhren

Forscher verwenden Carbon-Nanotube-(CNT)-Polymer-Komposite, um zytotoxische T-Zellen zu inkubieren. Dies sind weiße Blutkörperchen, die Krebszellen angreifen und abtöten.

Diese neue Technik wird derzeit für den Einsatz in der adoptiven Immuntherapie getestet. Bei dieser Behandlung werden dem Patienten Zellen entnommen, im Labor mit CNTs angereichert und dann dem Patienten wieder injiziert. Dies verbessert die Fähigkeit des Patienten, Infektionen und Krebs zu bekämpfen.

Komposite Traumaplatten

Seit Jahrzehnten verlässt sich die Knochenbruchchirurgie auf Metall, um komplizierte Brüche und schwere Brüche zu reparieren.

Verbundplatten haben eine strukturelle Festigkeit im Vergleich zu Metall, weisen jedoch eine größere Flexibilität auf. Sie haben auch Röntgendurchlässigkeit, was bedeutet, dass sie auf Röntgenstrahlen fast transparent sind. Die Platten sind auch sicherer, da sie eine geringe Gewebeadhäsion aufweisen und biologisch inert sind.

Verbundknorpel

Tissue Engineering gewinnt als Methode zum Ersatz von geschädigtem Gewebe an Bedeutung. Es ist die Praxis, Zellen mit konstruierten Verbundstoffen und biologisch aktiven Molekülen zu kombinieren. Dadurch entsteht funktionelles Gewebe.

Einige technisch hergestellte Gewebe haben es auf den kommerziellen Markt geschafft, beispielsweise solche für die Wundversorgung. Viele andere, wie Verbundknorpel, befinden sich noch in der intensiven Forschungsphase.

Abschließende Composites

Wie Sie gelesen haben, haben leichte Verbundwerkstoffe viele Märkte revolutioniert, einschließlich der Medizin.

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Lassen Sie uns zusammenfassend wissen, wie SMI Ihnen bei medizinischen Verbundwerkstoffen helfen kann.