Innovations en matière de fibre de carbone dans l'industrie médicale

Les implants de hanche et de genou ont fait des merveilles pour améliorer la mobilité et la qualité de vie des personnes, mais ils sont un peu gênants pour le détecteur de métaux de l'aéroport. Le métal est beaucoup plus dense que l'os, donc les rayons X ne le traversent pas facilement, ce qui conduit à des files d'attente et à l'inévitable palpation.

Les implants médicaux en fibre de carbone peuvent changer cela. Alors que les travaux sur les remplacements de fibre de carbone pour les articulations de la hanche et du genou se poursuivent, il existe de nombreuses applications médicales où ce matériau a déjà un impact dramatique. La compréhension de ce domaine passionnant commence par une appréciation de la valeur médicale de la fibre de carbone, suivie d'une plongée dans les implants et d'autres applications.

Caractéristiques de la fibre de carbone favorables aux applications médicales

Plus légère et plus résistante que l'acier, la fibre de carbone est utilisée depuis plusieurs décennies dans les applications aérospatiales, sportives et automobiles. À partir d'un ruban ou d'une feuille, la fibre de carbone peut être moulée dans des structures complexes qui sont rigides, solides, légères et plus résistantes à la fatigue que n'importe quel équivalent métallique, même le titane. Cela permet de gagner du poids tout en créant des structures et des composants plus solides.

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

• Radiotransparent :les rayons X de l'intensité utilisée pour l'imagerie médicale le traversent
• Biocompatible :le corps accepte les implants en fibre de carbone, et les preuves montrent qu'ils facilitent l'ostéointégration mieux que les équivalents métalliques
• Similaire en densité et élasticité à l'os

Utilisations de la fibre de carbone dans les équipements médicaux

La résistance et la radiotransparence font de la fibre de carbone un matériau préféré dans de nombreuses applications d'imagerie. Par exemple, les appareils de tomodensitométrie et d'IRM dépendent d'un balayage à 360° autour du corps d'un patient. Si la table sur laquelle les patients étaient allongés était en métal, cela bloquerait 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 le champ d'imagerie. Ces tables peuvent supporter plus de deux cents livres sans déviation et sans restreindre la vue du radiologue.

Les outils électriques sont une autre application de la fibre de carbone dans les équipements médicaux. Ceux-ci nécessitent des joints qui ne fuient dans aucun sens et qui résistent aux régimes de nettoyage et de stérilisation cliniques. Contrairement aux joints élastomères, ceux fabriqués avec du PTFE chargé de fibres de carbone ont la température et la résistance chimique nécessaires pour supporter ces processus.

Applications prothétiques de la fibre de carbone

Les amputés ont besoin de prothèses légères, mais solides et durables, ce qui fait de la fibre de carbone le matériau idéal. Un certain nombre de fabricants produisent des emboîtures et des membres prothétiques en fibre de carbone. Les techniques de fabrication développées à l'origine pour l'aérospatiale et les sports mécaniques sont le plus souvent utilisées pour créer des prothèses. Il s'agit de former la forme avec du ruban pré-imprégné et un moulage par compression ou en autoclave. Cependant, l'utilisation de l'impression 3D se développe, comme en témoigne cette nouvelle jambe prothétique, qui utilise un polyamide Ultramid renforcé de fibre de carbone courte.

Une application prothétique intéressante et quelque peu controversée de la fibre de carbone concerne les pieds. 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 les pieds prothétiques en fibre de carbone donnent un avantage aux athlètes handicapés. La fibre de carbone peut également apporter des gains de performances lorsqu'elle est incorporée dans des chaussures de sport.

Implants médicaux en fibre de carbone

Des recherches approfondies, telles que celles détaillées dans « La biocompatibilité de la fibre de carbone pour les implants », confirment que la fibre de carbone est non seulement sans danger pour les implants médicaux, mais qu'elle confère plusieurs avantages par rapport aux autres matériaux d'implant. Ceux-ci incluent un transfert supérieur des charges, qui, conformément à la loi de Wolff, aide à renforcer les os et les propriétés électriques qui encouragent la formation de tissus.

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

Le CFR-PEEK est utilisé dans les vis à os et les implants 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 d'implants orthopédiques CFR-PEEK comme alternatives au titane dans les arthroplasties du genou et de la hanche.

Fait intéressant, les implants sont une application où la radiotransparence de la fibre de carbone n'est pas si bénéfique. Le problème ici est que ce n'est pas apparaissent sur les rayons X, ce qui rend plus difficile pour les professionnels de la santé de déterminer l'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.

Améliorer la vie de millions de personnes

Les propriétés qui rendent la fibre de carbone si attrayante dans l'aérospatiale, les sports motorisés et les articles de sport, comme les chaussures et les vélos, en font également un excellent candidat pour une multitude d'utilisations médicales. Ceci est en outre soutenu par la fibre de carbone étant radiotransparente et ayant des propriétés mécaniques similaires à l'os humain. Alors que l'utilisation des équipements médicaux et des prothèses est en plein essor, les applications d'implants ont le plus grand potentiel pour améliorer les résultats cliniques et la qualité de vie. Peut-être qu'ils mettront même un terme aux retards dans les détecteurs de métaux des aéroports !