8.2 生物医学碳纤维复合材料
碳纤维是一种含碳量在90%的石墨结构，在沿纤维轴方向表现出很高的强度。随着碳纤维生产技术的提高和应用研究的深入，人们发现碳纤维及复合材料的优点很多。
碳纤维除了上述优越的力学性能，还有其他的一些特殊性能，如具有良好的X光透光性，有良好的生物相容性，耐高低温性能优越，具有良好的耐腐蚀性能，也具有一定的导电性和导热性。
由于上述的种种特点，碳纤维及其复合材料在医疗器械领域有着越来越广泛的应用。主要有：
1）在X射线检测设备中的应用
X射线平板探测器是一款多功能的高分辨率X射线平板成像器件，多采用非晶硅薄膜晶体管、光敏二极管阵列及高敏感度碘化铯直接生长闪烁体等先进技术获得超凡稳定的影像性能（图8.2）。可应用医疗、工业无损检测。碳纤维是一种能够传导微电流，对射线吸收少，透过度高，可以降低电压减少射线的辐射能量，而获得清晰的造影，并且由于电压的降低，节约了能源，由于减少了射线辐射的能量，减少了对患者有害的副作用。因此碳纤维复合材料的片板已经大规模地代替X射线检测设备中传统的铝板（表8.1）。
图8.2 X射线平板探测器
表8.1 各种碳纤维和晶须的性能
2）核磁共振构件
核磁共振成像（MRI）检查已经成为一种常见的影像检查方式，核磁共振成像作为一种新型的影像检查技术。核磁共振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器、放大器及记录仪等组成。磁铁用来产生磁场，主要有永久磁铁、电磁铁、超导磁铁等（图8.3）。而为了得到较高磁场，必须使用超导磁铁。超导必须要在极低温度下才可实现，目前是在液氦（氦-268.785℃）下，周围的力学部件就需要使用特殊的材料。碳纤维即使在极端低温下，仍然保持良好的低温性能，因此目前知名核磁共振厂家多使用碳纤维复合材料制备核磁共振的低温部位的力学构件（表8.2）。
表8.2 碳纤维与常见材料性能比较
3）医疗床板
医疗领域的进步，已经广泛地将X射线机、计算机断层扫描仪应用于诊断和治疗，但是，现时医疗放射诊断设备的支撑床板，如X射线机、计算机断层扫描仪多数是采用木质和塑料结构的床板，不但质量较重，对射线的透波性也差，而且木质和塑料结构的床板又有产生较大折射的趋向，当射线束倾斜地照射在床面时这些问题会更明显。因此，为了达到诊断治疗的目的，必须提高电压，使射线辐射能量很大，即对患者产生有害的副作用，而且造影也不清晰，也浪费能源。
此外，对肿瘤患者进行放射治疗时，需要保证患者灶部位得到准确剂量。为此目的，放射治疗已从常规放疗迅速向调强适形放射治疗（IMRT）、图像引导放射治疗（IGRT）、旋转调强放射治疗（IMAT）等精确放疗技术发展，这些新的放疗技术极大地提高了剂量精度，但同时对治疗机的床面也提出了更高的要求。目前治疗机的床面大多也还是传统材料，在实施上述精确放疗技术时很难避开剂量大问题。为此，采用一种新的材料替换传统材料，以促进放疗技术和诊断技术的顺利开展是目前需要解决的重要技术问题（图8.4）。(https://www.daowen.com)
采用碳纤维复合材料制作的床板，允许射线以任何倾斜角度照射在床板上，而不产生折射和投射射线方面的较大偏差，并且使用较少的材料，达到设计结构强度、刚度，减轻了质量，提高了抗拉强度。
图8.3 核磁共振构件
图8.4 医疗床板
4）假肢
2008年北京残奥会上，奥斯卡是当之无愧的明星，他一举夺得100 m、200 m以及400 m比赛的金牌。赛场上，特别引人注目的是奥斯卡膝盖下那两条闪着寒光黑色刀锋形状碳纤维假肢，那是他的专用比赛假肢——“猎豹”。使用碳纤维复合材料设计制作的假肢强度高、质量轻，功能更完善（图8.5）。同时，它的脚部还能根据场合需要变换外观，如宴会的高跟鞋、日常生活的休闲鞋、运动中的瑜伽鞋等。碳纤维复合材料在假肢中应用如下：①接受腔作用。承担人体质量、控制假肢，悬吊假肢，它使残肢在腔内舒适自如，而且碳纤维框架也达到了支撑体重和力的传递要求。②碳纤维膝关节。碳纤维膝关节其比强度是目前所用材料中最优的，因此，目前世界上流行的20多种膝关节的外框均采用碳纤维复合材料制作。由于在膝关节中引入了碳纤维复合材料，减掉了很多质量，从而使人工膝关节得以实现多种效能。③碳纤维踝关节与假脚的动作，对膝关节的支撑稳定性有重要的影响。柔性脚中采用碳纤维复合材料做踝关节，可以弹跳。碳纤维固定软跟足踝、碳纤维万向足踝等人工踝关节。④连接管足踝与小腿假肢连接管也可采用碳纤维复合材料制作，从而使踝关节轻巧美观。⑤碳纤维假脚。假脚的主要功能是支撑体质量，在运动中产生推力，同时可代偿小腿三头肌和屈肌的作用。储能脚由于特殊的设计和材料，放/储能比一般在50%以上，高于传统假脚。在储能脚中，采用高弹性、高强度的碳纤维复合材料的假脚最高，可达95%以上，同时由于其质量轻，患者行走时较为省力而广受欢迎。
图8.5 碳纤维假肢
5）矫形器
矫形器是装配于人体四肢、躯干等部位的体外器具的总称，其目的是预防或矫正四肢、躯干的畸形或治疗骨关节及神经肌肉疾病并补偿其功能。
对矫形器的要求：防止跌倒、使前足在摆动期保持中立位、稳定踝部、在凸起部位能量利用效率高、耐久、质量轻、必须适合穿鞋、无笨重不方便的设计、易于穿脱、不限制肌肉活动、辅助提高血液循环质量。碳纤维矫形器优点：碳纤维制成的矫形器异常轻便，但又非常稳固它不仅有质量轻、适应性好的特征，还可以储存能量，减轻患者的能耗。常用碳纤矫形器有：①碳纤AFO。碳纤维动态踝足矫形器碳纤维脚的后跟和前部富有弹性，因此无论路面是否平坦，步态都更加轻松自然。因此，行走时消耗的能量更少，能够顺利地走更长的距离。小腿部由凯夫拉纤维覆盖的独特的Y-形碳板设计，竹碳纤维护踝。②碳纤FO前十字韧带损伤型矫形器。③松下AWN-O3动力外骨骼装置。由碳纤KAFO电子控制E-MAG和动力外骨骼装置组成。它采用松下最新的小型高功率马达控制体积，碳纤维材料和树脂传动齿轮的利用使其相比金属制品轻了50%。而且，这也是实实在在的一款智能硬件，它的核心功能还在于可以通过腰部集成的姿态检测传感器，来实现对人体姿势的检测，方便不同行动之间的模式转换，不碍事也不会造成损伤。实时分析使用者的活动信息，并给予恰当的力量辅助，让使用者用很小的力就可以搬起各种重物，甚至还可以做到高难度的跳高、攀爬动作。
6）保健用品
碳纤维在通电情况下会发热，碳纤维发热75%以上的热能以远红外方式且波长为7～14μm，当两段波长相等相互作用时就会产生共振现象。而人体是生物体，人体70%～80%以上是由水分子组成，在共振作用下，首先激活了水分子的振动，而产生一系列生理上的反应，可促进人体皮肤和皮下组织中的细胞温度上升，使人体由内至外产生热传递，促进和改善人体的血液循环；有利于消除人体疲劳和肌体机能恢复，增强新陈代谢，提高人体免疫功能，因此具有一定的保健功能。
7）其他医学用途
应用成熟的是碳纤维轮椅，为满足行动不便人群对日常生活及出行的多方面需求，轮椅的设计与制作越来越追求轻量化、多功能化、智能化及设计的人性化（图8.6）。但与此同时，轮椅的使用便捷性、安全性和舒适性都必须得到有效保证。总的说来，质量轻、强度高、耐腐蚀、减震性能好等方面，都是轮椅选材时的主要考虑因素。碳纤维复合材料密度小、比强度高、耐蚀性和耐疲劳性都很好，还可以通过整体成形方式构建较为复杂的整体结构，是高端轮椅理想的轻量化材料（图8.7）。
图8.6 碳纤维轮椅
8）碳/碳生物医学骨修复合材料
碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。在骨修复上，碳/碳复合材料能控制孔隙的形态，这是很重要的特性，因为多孔结构经处理后，可使天然骨骼融入材料之中。故C/C复合材料是一种极有潜力的新型生物医用材料，在人体骨修复与骨替代方面有较好的应用前景。目前C/C复合材料在临床上已有骨盘骨夹板和骨针的应用，人工心脏瓣膜、中耳修复材料也有研究报道，人工齿根已取得了很好的临床应用效果。
图8.7 碳/碳复合材料轮椅