深入到醫療應用領域

在過去的十年,聚合物複合材料、增強塑料和先進複合材料已被用來製造醫療假肢和植入物。先進複合材料,含大約60%的耐連續纖維,由碳、玻璃或芳族聚西先胺材料製成,在手術器械、骨科產品和生物相容的植入物等手術器械中日益得到廣泛的使用,AngelicaBuan在這份有關醫療應用市場的報告中為你細細道來。

醫療複合材料市場的佳音
 

骨折不僅僅是要應對受傷所帶來的疼痛,更多時候,尤其是在沒有及時治療的情況下,此身體狀況會導致更嚴重的併發症,並使病人變得衰弱。在嚴重的情況下,病人可能需要骨科器械。 

根據GrandViewResearch,日益增加的老年人口和運動受傷的人數成為全球骨科植入物市場的主要驅動力,此市場在2024年將達到62億美元。越來越多的交通事故和運動損傷,以及老齡化人口(65歲以上的人),是造成骨科疾病數量不斷上升的因素。 

對較低成本但高品質的設備的需要,支撐了植入物、假肢、夾板及其他類似設備的需求增長。因此,複合材料可否派上用場? 

ResearchandMarkets在其最新的報告《全球醫療複合材料市場2016–2020年》中指出,預計在2016年至2020年,全球醫療複合材料市場將取得6.91%的年均複合增長率,且朝著醫療應用需求增加的方向前進。 
該報告說,由碳纖維和玻璃纖維製成的複合材料不適合用作假肢材料,盡管它們具備高拉伸強度,但是卻易于損壞。這項局限性導致使用尼龍、聚酯和丙烯酸及環氧樹脂製造假肢與矯形裝置。該報告指出,樹脂和纖維的粘合特性與機械特性會影響這些產品的性能。

研究公司Technavio在其《全球骨科醫療複合材料市場》報告中指出,醫學複合材料被用來製造植入式醫療裝置;這些複合材料對生物相容性和骨傳導性有幫助。可生物降解聚合物使用陶瓷部件改良後成為植入物。碳纖維/PEEK聚合物複合材料也被用來製造矯形植入材料,這是因為其他材料可導致骨質溶解和植入物鬆動。

利用複合材料改善機器人設備

在一項有關推動複合材料,以改善機器人設備的功能的發展中,來自美國機構國家科學基金會(NSF)的一個小組,正對使用合成材料,離子聚合物—金屬複合材料的點子做出修整,這是一種電活性聚合物,可透過電力運行來改變形狀,成為人造肌肉。 

這些設備也稱為軟機器人,它們更加機動和可與人類更好的互動。研究人員補充說,使用複合材料製造人造肌肉帶動了軟機器人技術的進步,這將讓世界各地的殘障人士受惠。

進行複合材料肌肉研究工作的小組以內華達大學的KwangKim為首,連同來自韓國和日本的研究人員。其他美國的合作者包括猶他州大學、倫斯勒理工學院,以及紐約大學理工學院。 

研究人員指出,創造人造肌肉不僅需要研發出強大、靈活的材料,了解如何精確地控制和巧妙地製造有關材料也很重要。找到適合的材料是軟機器人技術的一大挑戰,它必須“是柔軟,但卻能產生足夠的力量來做很多不同的事情。”

這項研究仍處於起步階段,它獲得國家科學基金會的國際研究和教育夥伴關係(PIRE)計劃的支持,該計劃支持在所有科學和工程領域的全球研究工作。

可生物降解複合材料用于生物可吸收植入物

同樣的,生物可吸收聚合物也在醫療複合材料市場佔據一個顯著的份額。市場調查公司MarketsandMarkets報導說,主要應用如骨科及藥物輸送,推動了生物可吸收聚合物的需求。以價值而言,市場規模于2021年有望達到14億美元,2016年至2021年的年均複合增長率保持在13.42%。

同樣重要的是,在骨科應用方面,帶動市場增長的是藥物輸送應用,MarketsandMarkets估計在5年內取得最高增長率。

在藥物輸送應用,由于病人不喜歡採取注射和其他重複性程序,可在病人體內植入一個生物可吸收藥物控釋基質。這麼一來,鼓勵消費者支付更多以獲得更優質的產品,且無需通過二次手術來除去,因為一旦完成任務後,植入物將在體內被吸收。

與此同時,美國布朗大學的研究人員說,透過不同溫度和壓力的處理方式,可以降低可生物降解聚合物聚乳酸(PLA)的降解率,從而擴大其潛在的醫療應用範圍。PLA是一種半結晶材料,其分子結構部分被排列成晶體,其餘則無序,或非晶態,就像玻璃。先前的研究工作顯示,加熱處理PLA可提高材料的晶體結構,這有助增加其強度。

研究人員在不同溫度和壓力條件下,于不同的時間處理PLA樣品。處理過程增加了材料的結晶區域數量,但也得出另一個令人驚喜的發現。在較高的溫度和壓力下,該材料的非晶態部分變成雙折射,這意味著它們所折射的光線取決于光如何被極化。通常雙折射只在晶體材料觀察到,而在PLA的非晶態區域看到雙折射是讓人驚喜的發現。

研究人員指出,新的非晶態相加上處理的樣品的結晶度的整體增長,可對材料的機械性能帶來顯著影響。較高的結晶度可使材料更強大,而更有序的非晶態部分則能提高材料的耐用性。較慢的降解速率在醫療應用中特別有用。 

若能控制PLA的降解率,就可改變藥物的輸送率。有趣的是,在鋼板和螺絲釘中使用PLA用于穩定骨折。PLA成分的植入物的一項優點是,它們經過一段時間后會降解,因此病人無需進行第二次手術將植入物去除。在其中的一些應用,PLA可能會降解過速;不過,如果這種新的聚合物階段減慢降解,它可成為一個更好的選擇。研究人員計劃進行更多的研究,旨在量化材料性質的變化,以及研究這個階段可否被納入其他的半結晶材料中。

基于同樣的道理,德國特殊化學品公司Evonik,正在研究使用可生物降解複合材料作為生物可吸收植入物的潛力,用于替代內部固定斷裂骨頭之金屬植入物的可能性。 

植入物對支援骨頭的癒合過程起到關鍵性作用。今天,金屬裝置通常留在病人的體內一輩子,或者需要額外的手術去除;而由Evonik的新複合材料製成的裝置,將在骨頭的癒合過程中于人體內逐漸被吸收。這些材料是由聚合物和骨骼中的天然物質組成。

Evonik指出,其優點包括無需額外的手術取出植入的裝置,以及骨頭的再生速度更快。該公司希望創製生物可吸收植入物,以健康的組織取代受損的組織。它說,公司目前正朝此方向邁出第一步,進行可生物降解複合材料的工作。

該公司表示,它在PLA的知識“為研發再生醫療的材料和解決方案奠定良好的基礎。”可吸收聚合物在這些應用中很普及,作為可溶性和藥物洗脫支架及可植入的固定裝置。在所有這些用途中,再吸收的速率極為關鍵。
因此,Evonik的研究人員正在探究使用無機物強化可生物降解聚合物的複合材料,如磷酸鈣的衍生物。這些添加劑不僅有助強化材料,它們也提高其生物相容性。隨著聚合物慢慢分解,鈣及磷酸鹽可被新形成的骨頭組織吸收。

短期而言及加上有了合適的材料,Evonik也計劃涉足3D打印,為個別病人創製量身定做的植入物。 
 
尖端的激光和陶瓷

通常與陶器有關,陶瓷也在醫療複合材料中顯示其實用潛力。MarketsandMarkets在其最新的技術陶瓷市場的報告中強調,此市場將在2021年達到84.9億美元的潛在價值。市場預計取得6.43%的年均複合增長率,部分動力來自于製造供骨骼和牙齒置換使用的醫療裝置和植入物的使用量增加。

在創新醫療應用方面,技術陶瓷是讓人感興趣的領域。其中一個最新的混合物是由莫斯科物理和技術研究所(MIPT)的科學家研發的陶瓷基激光器。該陶瓷激光器將被用來作為外科手術的微創激光手術刀,以及用于切割和雕刻複合材料。MIPT的研究員IvanObronov,和他的RussianAcademyofSciences(IAPRAS)的應用物理研究所的同事,以及總部位于莫斯科的公司IRE-Polus,使用從稀土類元素的化合物—氧化镥獲得的陶瓷並加入铥離子(Tm3+:Lu2O3)。添加了铥離子的陶瓷能產生激光輻射。 

Obronov解釋說,陶瓷是大有作為的一種激光介質,因為它們是把粉末燒結成多晶物質後產生的。此外,這些材料更便宜,比單晶體更容易製造,有利于大量生產。

新的激光器將能量轉換成輻射,轉換效率超過50%,而其他種類的固態激光器,平均效率約為20%,它同時能產生大約2微米波長的紅外線輻射。最普遍的紅外線激光的輻射,波長約1微米,吸收和深入滲透生物組織的效果不大,導致凝血和大面積的“死”組織。外科手術刀需要在一個非常特殊的深度“操作”,所以需使用2微米激光,因為它們不會損害下層組織。

比起一般醫生常用,昂貴且笨重的2微米閃光燈泵浦钬激光器,陶瓷激光器的製造成本更低,更簡單和更可靠,且精巧度高4倍。

除了醫療應用,陶瓷激光器用于切割金屬,也比廣泛使用的1微米激光器具備更多優點,而聚合物對它們來說幾乎是透明的。然而,2微米陶瓷激光器能有效地切割和雕刻塑料,如複合材料。

因此,隨著技術的躍進,輕便和耐熱的聚合物複合材料,可替代金屬和合金,有望在未來的市場增長中起到顯著的作用。

  
CAPTION
所製造的碳纖維複合材料,其剛度和拉伸強度足可媲美它們所替代的骨頭。例子有採用層壓單向碳纖維製成的壓接股骨柄,使用PEEK、聚砜、液晶聚合物 (LCP),以及聚醚酰亞胺(PEI)材料製造。圖中展示的是使用Invibio Biomaterial Solutions的 PEEK-Optima Enhanced HA製成的椎間融合裝置,它結合了PEEK材料和羥基磷灰石(HA),一種經過驗證的骨傳導材料。在此展示的是由美國公司CarboFix Orthopedics,利用碳纖維PEEK 製造的Piccolo PF Nail;例如使用在與骨質疏鬆症有關的外傷性骨折
NFC研究員正在努力把離子聚合物—金屬複合材料轉化為人造肌肉。這裡展示的是一個小的3D打印的軟機器人手利用熱和壓力處理PLA,可產生結晶並導致聚合物鏈變得更有組織性,使該材料在醫療應用中有更多的用處Evonik正在研究使用可生物降解複合材料製造生物可吸收植入物,以取代植入物中的金屬物俄羅斯的科學家已經開發出一種陶瓷基激光器,可用作激光手術刀,並用於切割和雕刻複合材料。

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