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Innovations en fibre de carbone pour l'industrie médicale

Jul. 20, 2022
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Hanche et implants du genou ont fait des merveilles pour améliorer la mobilité et la qualité de vie des personnes, mais ils sont un peu gênants dans les détecteurs de métaux des aéroports. Le métal est beaucoup plus dense que l'os, de sorte que les rayons X ne le traversent pas facilement, ce qui peut entraîner des lignes et d'inévitables fouilles par palpation.

Les implants médicaux en fibre de carbone peuvent changer cela. Alors que les travaux se poursuivent sur les remplacements en fibre de carbone pour les articulations de la hanche et du genou, ce matériau a déjà un impact énorme dans de nombreuses applications médicales. Comprendre ce domaine passionnant commence par comprendre la valeur médicale de la fibre de carbone avant de se plonger dans les implants et autres applications.

Articulation du genou

Articulation du genou

Propriétés de la fibre de carbone favorables aux applications médicales

Plus légères et plus résistantes que l'acier, les fibres de carbone sont utiles dans les applications aérospatiales, automobiles et automobiles depuis des décennies. En commençant par des bandes ou des feuilles, les fibres de carbone peuvent être moulées dans des structures complexes qui sont plus rigides, plus solides, plus légères et plus résistantes à la fatigue que n'importe quel équivalent métallique ou même le titane. Cela permet de réaliser des économies de poids tout en créant des structures et des composants plus solides.

En plus de ces propriétés, la fibre de carbone possède trois autres propriétés qui intéressent les professionnels de la santé. C'est

Radio-opaque : des rayons X de l'intensité utilisée pour l'imagerie médicale le traversent

Biocompatibilité : le corps accepte les implants en fibre de carbone et il est prouvé qu'ils favorisent mieux l'ostéointégration que leurs équivalents métalliques

Densité et élasticité similaires à celles des os.

Articulation de hanche à quatre barres

Articulation de hanche à quatre barres

Utilisations de la fibre de carbone dans les dispositifs médicaux

La résistance et la perméabilité aux rayons font des fibres de carbone le matériau de choix pour de nombreuses applications d'imagerie. Par exemple, les appareils de tomodensitométrie et d'IRM s'appuient sur une vision à 360°.° scan du corps du patient. Si le patient est allongé sur une table en métal, cela peut bloquer une grande partie de l’imagerie. Pour éviter cela, les patients s'allongent sur une table médicale en porte-à-faux en fibre de carbone qui glisse dans la zone d'imagerie. Ces tables peuvent supporter plus de 200 livres sans déviation et sans restreindre la vue du radiologue.

Une autre application de dispositifs médicaux pour la fibre de carbone concerne les outils électriques. Ceux-ci nécessitent des joints qui ne fuient pas dans les deux sens et peuvent résister aux protocoles cliniques de nettoyage et de stérilisation. Contrairement aux joints en élastomère, les joints en PTFE chargé de fibres de carbone ont la résistance thermique et chimique nécessaire pour résister à ces processus.

Articulation de genou pneumatique à quatre barres

Articulation de genou pneumatique à quatre barres

Applications prothétiques pour fibres de carbone

Les amputés ont besoin de prothèses légères, solides et durables, ce qui fait de la fibre de carbone un matériau idéal. De nombreux fabricants produisent des nids et des membres prothétiques en fibre de carbone. Les techniques de fabrication développées à l’origine pour l’aérospatiale et les sports automobiles sont les plus couramment utilisées pour créer des membres prothétiques. Ceux-ci nécessitent l’utilisation de ruban pré-imprégné et un moulage par compression ou en autoclave pour former la forme.

Une application intéressante et controversée de la fibre de carbone pour les prothèses concerne le pied. Les athlètes ont découvert que la fibre de carbone offre un stockage d’énergie et une réponse dynamique supérieurs à ceux que le pied humain peut fournir. Cela signifie que pieds prothétiques en fibre de carbone offrir un avantage aux athlètes handicapés. Les fibres de carbone peuvent également améliorer les performances lorsqu’elles sont incorporées dans des chaussures de sport.

Sac de stockage d'énergie en fibre de carbone

Sac de stockage d'énergie en fibre de carbone

Implants médicaux en fibre de carbone

Des recherches approfondies, telles que celles détaillées dans « Biocompatibilité de la fibre de carbone pour les implants », ont confirmé que la fibre de carbone est non seulement sans danger pour les implants médicaux, mais qu'elle offre également plusieurs avantages par rapport aux autres matériaux d'implants. Ceux-ci incluent un transfert de charge supérieur qui, selon la loi de Wolff, contribue à renforcer les os et des propriétés électriques qui favorisent la formation de tissus.

Les implants orthopédiques sont généralement fabriqués à partir de polyétheréthercétone renforcé de fibres de carbone (CFR-PEEK), un polymère thermoplastique doté d'une excellente résistance chimique, d'un point de fusion élevé et d'une température de transition vitreuse d'environ 289.°F. L'ajout de courtes longueurs de fibre de carbone au mélange donne un composite solide, résistant à la fatigue et léger. Le processus de moulage par flux composite est un dérivé du moulage par injection et est utilisé pour fabriquer des implants CRF-PEEK.

Articulation mécanique de hanche à axe unique en acier inoxydable

Articulation mécanique de hanche à axe unique en acier inoxydable

Le CFR-PEEK est utilisé dans les vis et implants osseux depuis plusieurs années. Les cages vertébrales sont une autre application établie et, plus récemment, les médecins ont commencé à utiliser ce matériau pour remplacer les disques vertébraux. Des travaux sont en cours sur l'utilisation des implants orthopédiques CFR-PEEK comme alternatives au titane dans les arthroplasties du genou et de la hanche.

Il est intéressant de noter que les implants constituent une application dans laquelle la radiotransparence de la fibre de carbone n’est pas si bénéfique. Le problème ici est que ce n'est pas le cas'n’apparaissent pas sur les radiographies, ce qui rend plus difficile pour les professionnels de la santé de déterminer leur emplacement. Les fabricants d'implants médicaux en fibre de carbone résolvent ce problème en ajoutant des matériaux qui diffusent les rayons X, notamment du fil de tantale.

Rendre la vie meilleure pour des millions de personnes

Les mêmes propriétés qui rendent la fibre de carbone si attrayante dans l’aérospatiale, les sports automobiles et les articles de sport tels que les chaussures et les vélos en font également un excellent candidat pour de nombreuses utilisations médicales. Ceci est également corroboré par le fait que les fibres de carbone sont perméables aux rayons et possèdent des propriétés mécaniques similaires à celles des os humains. Alors que l’utilisation de dispositifs médicaux et de prothèses est en plein essor, les applications d’implants ont le plus grand potentiel pour améliorer les résultats cliniques et améliorer la qualité de vie. Peut-être qu’ils mettront même fin aux retards des détecteurs de métaux dans les aéroports !

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