Innovaciones en fibra de carbono en la industria médica

Los implantes de cadera y rodilla han hecho maravillas para mejorar la movilidad y la calidad de vida de las personas, pero son un poco molestos en el detector de metales del aeropuerto. El metal es mucho más denso que el hueso, por lo que los rayos X no lo atraviesan fácilmente, lo que genera colas y el inevitable cacheo.

Los implantes médicos de fibra de carbono pueden cambiar eso. Si bien continúa el trabajo en los reemplazos de fibra de carbono para las articulaciones de la cadera y la rodilla, hay muchas aplicaciones médicas en las que este material ya está teniendo un impacto dramático. La comprensión de este apasionante campo comienza con una apreciación del valor médico de la fibra de carbono, seguida de una inmersión en los implantes y otras aplicaciones.

Características de la fibra de carbono favorables para aplicaciones médicas

Más liviana y resistente que el acero, la fibra de carbono se ha utilizado en aplicaciones aeroespaciales, deportivas y automotrices durante varias décadas. Comenzando como una cinta o una hoja, la fibra de carbono se puede moldear en estructuras complejas que son rígidas, fuertes, ligeras y más resistentes a la fatiga que cualquier equivalente metálico, incluso el titanio. Esto ahorra peso al tiempo que crea estructuras y componentes más fuertes.

Además de estas propiedades, la fibra de carbono tiene otras tres características que interesan a los profesionales médicos. Es:

• Radiotransparente:rayos X de la intensidad utilizada para las imágenes médicas pasan a través de él
• Biocompatible:el cuerpo acepta implantes de fibra de carbono y la evidencia muestra que facilitan la osteointegración mejor que los equivalentes de metal
• Similar en densidad y elasticidad al hueso

Usos de la fibra de carbono en equipos médicos

La resistencia y la radiotransparencia hacen de la fibra de carbono un material preferido en muchas aplicaciones de imágenes. Por ejemplo, las máquinas de tomografía computarizada y resonancia magnética dependen de realizar una exploración de 360 ​​° alrededor del cuerpo de un paciente. Si la mesa sobre la que se acuestan los pacientes fuera de metal, bloquearía gran parte de las imágenes. Para evitar esto, los pacientes se acuestan en una mesa médica de fibra de carbono en voladizo que se desliza hacia el campo de imágenes. Estas mesas pueden soportar más de doscientas libras sin desviarse y sin restringir la vista del radiólogo.

Otra aplicación de la fibra de carbono para equipos médicos son las herramientas eléctricas. Estos requieren sellos que no goteen en ninguna dirección y que resistan los regímenes clínicos de limpieza y esterilización. A diferencia de los sellos elastoméricos, los fabricados con PTFE relleno de fibra de carbono tienen la temperatura y la resistencia química necesarias para resistir estos procesos.

Aplicaciones protésicas de fibra de carbono

Los amputados necesitan prótesis ligeras, pero fuertes y duraderas, lo que hace que la fibra de carbono sea el material ideal. Varios fabricantes están produciendo prótesis y extremidades a partir de fibra de carbono. Las técnicas de fabricación desarrolladas originalmente para los deportes de motor y aeroespacial se utilizan con mayor frecuencia para crear prótesis. Éstos implican formar la forma con cinta preimpregnada y moldeo por compresión o autoclave. Sin embargo, el uso de la impresión 3D está creciendo, como se ve en esta nueva prótesis de pierna, que utiliza una poliamida Ultramid reforzada con fibra de carbono corta.

Una aplicación protésica interesante y algo controvertida de la fibra de carbono se refiere a los pies. Los atletas han descubierto que la fibra de carbono ofrece un mayor almacenamiento de energía y una respuesta dinámica que el pie humano puede proporcionar. Esto significa que los pies protésicos de fibra de carbono brindan una ventaja a los atletas con discapacidad. La fibra de carbono también puede mejorar el rendimiento cuando se incorpora al calzado deportivo.

Implantes médicos de fibra de carbono

Una extensa investigación, como la detallada en “Biocompatibilidad de la fibra de carbono para implantes”, confirma que la fibra de carbono no solo es segura para los implantes médicos, sino que confiere varias ventajas sobre otros materiales de implantes. Estos incluyen una transferencia superior de cargas que, de acuerdo con la ley de Wolff, ayuda a fortalecer los huesos y las propiedades eléctricas que fomentan la formación de tejido.

Los implantes ortopédicos se producen típicamente a partir de polieteretercetona reforzada con fibra de carbono (CFR-PEEK). PEEK es un polímero termoplástico con excelente resistencia química, un alto punto de fusión y una temperatura de transición vítrea de alrededor de 289 ° F. Agregar fibra de carbono de longitud corta a la mezcla crea un compuesto que es fuerte, resistente a la fatiga y liviano. Para fabricar implantes CRF-PEEK se utiliza un proceso de moldeo por flujo compuesto, que es una derivación del moldeo por inyección.

CFR-PEEK se ha utilizado en implantes y tornillos para huesos durante varios años. Las jaulas espinales son otra aplicación establecida y, más recientemente, los médicos han comenzado a usar el material para reemplazar los discos espinales. Se está trabajando en el uso de implantes ortopédicos CFR-PEEK como alternativas al titanio en reemplazos de rodilla y cadera.

Curiosamente, los implantes son una aplicación donde la radiotransparencia de la fibra de carbono no es tan beneficiosa. El problema aquí es que no aparecen en las radiografías, lo que dificulta a los profesionales médicos determinar la ubicación. Los fabricantes de implantes médicos de fibra de carbono abordan este problema agregando materiales que dispersan los rayos X, en particular alambre de tantalio.

Mejorar la vida de millones

Las propiedades que hacen que la fibra de carbono sea tan atractiva en la industria aeroespacial, los deportes de motor y los artículos deportivos, como el calzado y las bicicletas, también la convierten en un candidato excelente para una gran cantidad de usos médicos. Esto se ve reforzado por el hecho de que la fibra de carbono es radiotransparente y tiene propiedades mecánicas similares a las de los huesos humanos. Si bien el uso de equipos médicos y prótesis está en auge, las aplicaciones de implantes tienen el mayor potencial para mejorar los resultados clínicos y mejorar la calidad de vida. ¡Quizás incluso pongan fin a las demoras en los detectores de metales de los aeropuertos!