Innovazioni in fibra di carbonio per l'industria medica

Anca e protesi del ginocchio hanno fatto miracoli per migliorare la mobilità e la qualità della vita delle persone, ma sono un po' fastidiosi nei metal detector degli aeroporti. Il metallo è molto più denso dell'osso, quindi i raggi X non lo attraversano facilmente, il che può portare alla formazione di linee e alle inevitabili perquisizioni.

Gli impianti medici in fibra di carbonio possono cambiare la situazione. Mentre continuano i lavori sulle sostituzioni in fibra di carbonio per le articolazioni dell’anca e del ginocchio, questo materiale sta già avendo un enorme impatto in molte applicazioni mediche. La comprensione di questo entusiasmante campo inizia con la comprensione del valore medico della fibra di carbonio prima di approfondire gli impianti e altre applicazioni.

Articolazione del ginocchio

Proprietà della fibra di carbonio favorevoli per applicazioni mediche

Più leggere e resistenti dell'acciaio, le fibre di carbonio sono utili da decenni nelle applicazioni aerospaziali, degli sport motoristici e automobilistici. A partire da nastri o fogli, le fibre di carbonio possono essere modellate in strutture complesse che sono più rigide, più forti, più leggere e più resistenti alla fatica di qualsiasi equivalente metallico o persino del titanio. Ciò consente un risparmio di peso creando strutture e componenti più resistenti.

Oltre a queste proprietà, la fibra di carbonio ha altre tre proprietà che interessano i professionisti del settore medico. È

Radiopaco: i raggi X dell'intensità utilizzata per l'imaging medico lo attraversano

Biocompatibilità: il corpo accetta gli impianti in fibra di carbonio ed è dimostrato che promuovono l’osteointegrazione meglio dei loro equivalenti metallici

Densità ed elasticità simili a quelle dell'osso.

Articolazione dell'anca a quattro barre

Usi della fibra di carbonio nei dispositivi medici

La resistenza e la permeabilità ai raggi rendono le fibre di carbonio il materiale preferito per molte applicazioni di imaging. Ad esempio, le macchine TC e MRI si affidano a un 360° scansione del corpo del paziente. Se il paziente è sdraiato su un tavolo metallico, questo può bloccare gran parte dell'imaging. Per evitare ciò, i pazienti giacciono su un lettino medico a sbalzo in fibra di carbonio che scorre nell’area di imaging. Questi tavoli possono supportare oltre 200 libbre senza deviazione e senza limitare la visuale del radiologo.

Un'altra applicazione dei dispositivi medici per la fibra di carbonio sono gli utensili elettrici. Ciò richiede guarnizioni che non perdano in nessuna delle direzioni e che possano resistere ai protocolli di pulizia e sterilizzazione clinica. A differenza delle guarnizioni elastomeriche, le guarnizioni realizzate in PTFE caricato con fibra di carbonio hanno la resistenza alla temperatura e agli agenti chimici necessarie per resistere a questi processi.

Giunto pneumatico per ginocchio a quattro barre

Applicazioni protesiche per fibre di carbonio

Gli amputati necessitano di protesi leggere, resistenti e durevoli, il che rende la fibra di carbonio un materiale ideale. Molti produttori producono nidi e arti protesici in fibra di carbonio. Le tecniche di produzione originariamente sviluppate per il settore aerospaziale e degli sport motoristici sono più comunemente utilizzate per creare arti protesici. Questi richiedono l'uso di nastro preimpregnato e stampaggio a compressione o in autoclave per formare la forma.

Un’applicazione interessante e controversa della fibra di carbonio per le protesi coinvolge il piede. Gli atleti hanno scoperto che la fibra di carbonio fornisce un maggiore accumulo di energia e una risposta dinamica maggiore di quella che il piede umano può fornire. Ciò significa che piedi protesici in fibra di carbonio offrire un vantaggio agli atleti con disabilità. Le fibre di carbonio possono anche fornire miglioramenti delle prestazioni se incorporate nelle calzature sportive.

Piede Sachs per l'accumulo di energia in fibra di carbonio

Impianti medici in fibra di carbonio

Ricerche approfondite, come quella dettagliata in "Biocompatibilità della fibra di carbonio per gli impianti", hanno confermato che la fibra di carbonio non solo è sicura per gli impianti medici, ma offre anche numerosi vantaggi rispetto ad altri materiali per impianti. Questi includono un trasferimento di carico superiore, che, secondo la legge di Wolff, aiuta a rafforzare l'osso, e proprietà elettriche che promuovono la formazione dei tessuti.

Gli impianti ortopedici sono generalmente realizzati in polietereterchetone rinforzato con fibra di carbonio (CFR-PEEK), un polimero termoplastico con eccellente resistenza chimica, un elevato punto di fusione e una temperatura di transizione vetrosa di circa 289°F. L'aggiunta di brevi tratti di fibra di carbonio alla miscela si traduce in un composito forte, resistente alla fatica e leggero. Il processo di flow moulding del composito è un derivato dello stampaggio a iniezione e viene utilizzato per realizzare impianti CRF-PEEK.

Giunto meccanico dell'anca ad asse singolo in acciaio inossidabile

Il CFR-PEEK è utilizzato da diversi anni nelle viti e negli impianti ossei. Le gabbie spinali sono un’altra applicazione consolidata e, più recentemente, i medici hanno iniziato a utilizzare il materiale per sostituire i dischi spinali. Sono in corso lavori sull'utilizzo di impianti ortopedici CFR-PEEK come alternative al titanio nelle protesi del ginocchio e dell'anca.

È interessante notare che gli impianti sono un’applicazione in cui la radiolucenza della fibra di carbonio non è così vantaggiosa. Il problema qui è che non è così’Non si vedono ai raggi X, rendendo più difficile per i professionisti medici determinarne la posizione. I produttori di impianti medici in fibra di carbonio risolvono questo problema aggiungendo materiali che diffondono i raggi X, in particolare fili di tantalio.

Rendere la vita migliore a milioni di persone

Le stesse proprietà che rendono la fibra di carbonio così attraente nel settore aerospaziale, negli sport motoristici e negli articoli sportivi come calzature e biciclette la rendono anche un ottimo candidato per molti usi medici. Ciò è ulteriormente supportato dal fatto che le fibre di carbonio sono permeabili ai raggi e hanno proprietà meccaniche simili a quelle delle ossa umane. Mentre l’uso di dispositivi medici e protesi è in forte espansione, le applicazioni implantari hanno il maggiore potenziale per migliorare i risultati clinici e migliorare la qualità della vita. Forse metteranno fine anche ai ritardi dei metal detector negli aeroporti!