碳纖維材料在醫療領域的應用

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據最新的一項市場研究報告稱,全球醫療復合材料市場預計從2016~2020年的年復合增長率將達到6.91%。

作為醫用碳材料的研究,是本世紀60年代開始的,當時在人造血管的抗血凝材料研究中發現了碳材料具有優良的抗血凝性能。l 9 70年以后,Bokros提出碳材料作為生物醫學器件的開拓性工作以后,引起了廣泛的關注。研究表明,碳材料具有良好的生物相容性,對生體組織刺激性小,無毒,不致癌,比重小,彈性模量與人骨相近等優點,有成為第四代植入材料潛在優勢。

高科技纖維中的功能纖維、智能纖維和某些高性能纖維,已廣泛應用于醫學的各個領域。其中醫藥級的碳纖維及其復合材料、中空纖維分離膜、納米纖維及其非織造布、碳納米管、各種富有個性的功能纖維以及新近出現的一系列傳感探測用智能纖維,都是醫療領域的重要品種。

醫用纖維的應用領域:

牙體修復

近十年來,在歐美國家,非金屬修復–預成纖維樁系統正越來越多地應用于臨床,并逐漸被認為可有效替代傳統的金屬樁核系統修復牙齒的殘根殘冠。對碳纖維樁的理化性能、生物學性能研究表明,碳纖維樁具有與牙體組織更匹配的機械性能,其近似于牙本質的彈性模量可以使應力沿著樁體更均勻地分布,有利于保護牙根;同時具有良好的生物相容性及耐腐蝕性;易拆除、便于二次修復等眾多優點。

骨骼修復材料

上海杰事杰新材料股份有限公司開發了骨骼修復用連續碳纖維或其氈增強塑料,樹脂基體采用聚甲基丙烯酸甲酯,碳纖維的質量分數和理性試驗證明符合國家標準,還具有很好的生物相容性,長期植入生物體內對生物體組織、血液和腦脊液等無不良反應,無排異反應,因此適用作骨折處固定用材料或骨折內固定或骨骼修補材料。

中空纖維分離膜

中空纖維分離膜在醫療領域占有舉足輕重的地位。中空纖維透析膜(人工腎)95%以上為中空纖維型;目前全球最大的中空纖維透析膜廠家是德國Fresenius醫療保健公司,所用中空纖維材質為聚砜。中空纖維人工肺:通過氣體分離用中空纖維膜可以將空氣中的氧濃度由21%提高至30%~40%,用于醫用急救。最大的生產廠家是美國空氣產品與化學品公司,選用聚砜的中空纖維膜,商品名“Prism”。此外,還有美國Praxair公司采用創新的膜系統,中空纖維材質選用有涂層的聚砜膜。

再生醫療和創傷治愈

再生醫療的目標是改善、修復或交換人體的組織或臟器,而納米纖維的立足點是把再生醫療的酵素或觸媒固定在創傷的部位,即作為床上繃帶或適合作人造血管的基材,還可用于阻止手術后與傷口粘連的屏障,以及控制藥物傳遞體系的介質。應用于再生醫療的靜電紡絲納米纖維及纖維網,必須考慮到素材的選擇、纖維的方向、多孔性、表面改性、組織結構的應用等,可選用具有生物體適應性和生物學功能的骨膠原、藻朊酸鹽、蠶絲蛋白質、透明阮酸、纖維阮原、殼聚糖、淀粉等天然高分子。同時,可通過與合成聚合物相混合,改善細胞的互換性。例如靜電紡絲法所制成的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)纖維網片,其孔隙率達90%以上,表面積很大,細胞很容易附著,形成高密度的生物活性分子,而且由于具有不同直徑的納米纖維形成了許多不勻的粘合點,因此是再生醫療的理想基礎材料,可應用于包含在血管、骨頭、神經、腱、韌帶等的各種細胞的再生。

醫療輔助設備

包括:①X-光、CT和B超床板:碳纖維復合材料;②診斷床用頭托:碳纖維復合材料;③輕量輪椅和擔架:碳纖維復合材料;④藥物動態試驗裝置及預防醫學元件。

2015年在日本醫療器械設計制造展覽會上,帝人集團展示了旗下碳纖維復合材料在醫療領域的應用產品:腦外科手術應用的碳纖維支架

在腦外科手術中,用來固定患者頭部的立架般果用金屬制造。但是金屬本身不品被x射線穿迢,會干擾腦部血管造影,影響醫生的讀斷。但是為了保證忠者的頭部在腦外科手術中本晃動,固定主架衛必須保證足夠的剛度。有鑒于此,該公司用了與金屬剛度相當甚至更憂的碳纖維復合材料。使用碳纖維和聚酰胺亞胺樹脂制成,對x射線的穿透影響最小。除此之件,碳纖維可導電卻無磁性。

急救用品與治療用品

①醫用富氧:氣體分離用中空纖維,使空氣中的氧濃度由21%提高至30%~40%;②血漿交換治療:中空纖維膜元件;③腹水濃縮治療:中空纖維透析器;④尿毒癥治療:中空纖維透析器;⑤由大腸桿菌抽出蛇腹毒素遺傳因子:導電性中空纖維;⑥醫用雙氧水:用中空纖維氣體分離膜濃縮過氧化氫等。

手術縫合線包括:①醫用縫合線:超高相對分子質量聚乙烯纖維等;②吸收性或自降解性縫合線:身體吸收性纖維和自降解纖維。醫院護理用品包括:①手術罩布:防菌透氣的超細纖維非織造布;②特種手術衣:超細纖維非織造布和一次性自降解纖維布;③特種病人服:抗菌消臭纖維和一次性微生物降解纖維;④床上用品:抗菌消臭纖維和微生物降解纖維;⑤特種口罩:活性碳纖維、超細纖維非織造布及氈和竹碳纖維。

藥物控釋載體

通過選用該材料可達到最有效傳遞藥物的作用,減少供藥次數和供藥量,提高利用率。例如,將抗癌藥物紫杉醇和阿霉素嵌入納米PLA纖維中,就可提高療效。

隨著近代外科醫療技術的不斷提高,對可植入人體的生物材料的需求也在增大,這種應用條件, 一方面材料要具有能承擔一定功能的力學性質, 另一方面也要求植入假體能滿足生物相容性的要求。任何人工材料, 要同時滿足這兩方面的要求, 存在著相當的困準和復雜性, 這正是生物醫學材料的研究工作所必須解的問題。

不難看出高科技纖維在醫學及其相關保健領域、醫療器械等方面的應用十分廣泛,新型復合材料有規律地進入市場,而且還在不斷拓展新的醫用領域和研發新的醫用纖維,在這方面我國與發達國家特別是美、日、德的差距比較大,我國應加大在主要醫用纖維及其新醫用領域的研發投入,逐步實現主要品種及其制品的商品化和國產化,為今后邁入世界醫用纖維強國打下堅實基礎。

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