Kohlenstofffaser-Innovationen in der Medizinindustrie

Hüft- und Knieimplantate haben Wunder bewirkt, um die Mobilität und Lebensqualität der Menschen zu verbessern, aber am Flughafen-Metalldetektor sind sie ein bisschen lästig. Metall ist viel dichter als Knochen, daher können Röntgenstrahlen nicht ohne weiteres durchdringen, was zu Warteschlangen und dem unvermeidlichen Klopfen führt.

Medizinische Implantate aus Kohlefaser können das ändern. Während an Carbonfaser-Ersatzteilen für Hüft- und Kniegelenke gearbeitet wird, gibt es viele medizinische Anwendungen, bei denen dieses Material bereits dramatische Auswirkungen hat. Das Verständnis dieses spannenden Gebiets beginnt mit einer Wertschätzung des medizinischen Wertes von Kohlefasern, gefolgt von einem Tauchgang in Implantate und andere Anwendungen.

Eigenschaften von Kohlefaser, die für medizinische Anwendungen günstig sind

Leichter und stärker als Stahl wird Kohlefaser seit mehreren Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport und in der Automobilindustrie eingesetzt. Ausgehend von einem Band oder einer Platte kann Kohlefaser zu komplexen Strukturen geformt werden, die steif, fest, leicht und ermüdungsbeständiger sind als jedes andere Metalläquivalent, sogar Titan. Dies spart Gewicht und schafft gleichzeitig stärkere Strukturen und Komponenten.

Neben diesen Eigenschaften hat Kohlefaser drei weitere Eigenschaften, die Mediziner interessieren. Es ist:

• Röntgendurchlässig:Röntgenstrahlen mit der Intensität, die für die medizinische Bildgebung verwendet wird, passieren es
• Biokompatibel:Der Körper akzeptiert Kohlefaserimplantate und es gibt Hinweise darauf, dass sie die Osseointegration besser erleichtern als Metalläquivalente
• Ähnlich in Dichte und Elastizität wie Knochen

Verwendung von Kohlefasern in medizinischen Geräten

Festigkeit und Strahlendurchlässigkeit machen Kohlefaser zu einem bevorzugten Material in vielen Bildgebungsanwendungen. CT- und MRT-Geräte benötigen beispielsweise einen 360°-Scan um den Körper eines Patienten. Wenn der Tisch, auf dem die Patienten lagen, aus Metall bestand, würde dies einen Großteil der Bildgebung blockieren. Um dies zu verhindern, liegen die Patienten auf einem freitragenden medizinischen Tisch aus Kohlefaser, der in das Bildgebungsfeld geschoben wird. Diese Tische können ohne Durchbiegung und ohne Einschränkung der Sicht des Radiologen mehr als zweihundert Pfund tragen.

Eine weitere Anwendung von Kohlefaser in medizinischen Geräten sind Elektrowerkzeuge. Diese erfordern Dichtungen, die in keiner Richtung undicht sind und die klinischen Reinigungs- und Sterilisationsregimes standhalten. Im Gegensatz zu Elastomerdichtungen haben Dichtungen aus kohlefasergefülltem PTFE die erforderliche Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, um diesen Prozessen standzuhalten.

Prothetische Anwendungen von Kohlefaser

Amputierte benötigen Prothesen, die leicht, aber dennoch stark und langlebig sind, was Kohlefaser zum idealen Material macht. Eine Reihe von Herstellern produzieren Prothesenschäfte und Prothesen aus Kohlefaser. Herstellungstechniken, die ursprünglich für die Luft- und Raumfahrt und den Motorsport entwickelt wurden, werden am häufigsten zur Herstellung von Prothesen verwendet. Diese beinhalten das Formen der Form mit vorimprägniertem Band und das Pressen oder das Autoklavieren. Der Einsatz des 3D-Drucks nimmt jedoch zu, wie bei dieser neuen Beinprothese zu sehen ist, bei der ein Ultramid-Polyamid verwendet wird, das mit kurzen Kohlefasern verstärkt ist.

Eine interessante und etwas umstrittene prothetische Anwendung von Kohlefaser betrifft die Füße. Sportler haben festgestellt, dass Kohlefaser eine größere Energiespeicherung und dynamische Reaktion bietet, als der menschliche Fuß bieten kann. Das bedeutet, dass die Carbonfaser-Prothesenfüße Sportlern mit einer Behinderung einen Vorteil verschaffen. Kohlefaser kann auch zu Leistungssteigerungen führen, wenn sie in Sportschuhe integriert wird.

Medizinische Implantate aus Kohlefaser

Umfangreiche Forschungen, wie sie in „Kohlenstofffaser-Biokompatibilität für Implantate“ beschrieben sind, bestätigen, dass Kohlefaser nicht nur für medizinische Implantate sicher ist, sondern auch mehrere Vorteile gegenüber anderen Implantatmaterialien bietet. Dazu gehören eine hervorragende Lastübertragung, die gemäß dem Wolffschen Gesetz zur Stärkung des Knochens beiträgt, und elektrische Eigenschaften, die die Gewebebildung fördern.

Orthopädische Implantate werden typischerweise aus kohlenstofffaserverstärktem Polyetheretherketon (CFR-PEEK) hergestellt. PEEK ist ein thermoplastisches Polymer mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit, einem hohen Schmelzpunkt und einer Glasübergangstemperatur von etwa 289 °F. Durch das Hinzufügen kurzer Kohlefasern zur Mischung entsteht ein Verbundwerkstoff, der stark, ermüdungsbeständig und leicht ist. Für die Herstellung von CRF-PEEK-Implantaten wird ein Verbund-Flow-Molding-Verfahren verwendet, das eine Ableitung des Spritzgießens ist.

CFR-PEEK wird seit mehreren Jahren in Knochenschrauben und Implantaten eingesetzt. Wirbelsäulenkäfige sind eine weitere etablierte Anwendung, und in jüngerer Zeit verwenden Ärzte das Material, um Bandscheiben zu ersetzen. Es wird daran gearbeitet, orthopädische Implantate aus CFR-PEEK als Alternative zu Titan bei Knie- und Hüftprothesen einzusetzen.

Interessanterweise sind Implantate eine Anwendung, bei der die Strahlendurchlässigkeit von Kohlefasern nicht so vorteilhaft ist. Das Problem dabei ist, dass es nicht ist auf Röntgenbildern auftauchen, was es medizinischen Fachkräften erschwert, den Standort zu bestimmen. Hersteller medizinischer Implantate aus Kohlefaser gehen dies an, indem sie Materialien hinzufügen, die Röntgenstrahlen streuen, insbesondere Tantaldraht.

Das Leben von Millionen verbessern

Die Eigenschaften, die Kohlefaser in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport und in Sportartikeln wie Schuhen und Fahrrädern so attraktiv machen, machen sie auch zu einem hervorragenden Kandidaten für eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen. Dies wird weiter dadurch unterstützt, dass Kohlefasern strahlendurchlässig sind und ähnliche mechanische Eigenschaften wie menschlicher Knochen aufweisen. Während die Verwendung von medizinischen Geräten und Prothesen boomt, haben die Implantatanwendungen das größte Potenzial zur Verbesserung der klinischen Ergebnisse und der Lebensqualität. Vielleicht machen sie sogar den Verspätungen bei den Metalldetektoren am Flughafen ein Ende!