医用碳素材料

医用碳素材料，是指在医疗中或为了修复生物体功能和形态损伤而使用的碳素材料。
六十年代初期，在研究人工血管用的抗血栓材料中，发现碳具有优异的抗血栓性能，便开始将碳作为医用材料的研究。美国核工艺学小组Bokros等，将核技术中的热解碳涂覆盖工艺用来开发人工心脏瓣膜和人工齿根材料，后来逐渐发展成为独立的医用碳素材料公司。国内目前也已进行碳质人工心脏瓣膜和炭质人工骨等的生产。
Jenkins和伊藤认为，碳素材料作为生物材料使用具备抗血栓性好；对生物组织没有刺激性；与生物组织的结合性（或亲合性）好； 具有优良的机械特性，如耐磨性、弹性、强度等四个条件。
二十年来，世界各国对碳素材料进行了许多研究，开发了各式各样的医用碳素材料，如高密度各向同性碳、热解碳、玻璃状碳、活性碳、碳纤维和碳纤维复合材料等，并在临床使用中获得了愈来愈显著的效果。
热解碳(Pyrolytic Carbon) 是挥发性的碳氢化合物，在1000～2100°K的温度范围内，通过化学气相沉积，在适当基体(如碳素材料、金属、陶瓷等)上而制的一种单块碳素材料。它是一种应用最广的医用碳素材料。一般用作热解碳的碳氢化合物有甲烷、乙烷、丙烷、乙炔等。随着沉积的条件(温度、碳氢化合物的种类、浓度、流动速度、基体表面积等)的不同，热解碳的微观结构相差很大，其结构分为各向同性的，层状的，基体成晶核的，以及柱状的等等。
沉积温度对热解碳材料的结构和性能影响很大。医用碳素材料是碳氢化合物在低于1500℃下热分解，生成半液体微滴，沉积出致密的各向同性结构。这种碳称为低温各向同性热解碳(Low Temperature Isotropic PyrolyticCarbon,LTIPC)，即所谓的LTI碳。LTI碳是一种新型的医用碳素材料，它具有优异的生物特性和良好的机械特性。它是一种适应性强的多功能材料。美国1964年开始研究LTI碳人工心瓣，1969年首次应用于临床。国内1978年首次应用于临床。目前国际上已有几十万人使用了碳质心脏瓣膜。为了置换由外伤造成的骨折或由病变失去功能的骨，用高强度纯石墨精细加工成人工骨基体，在基体表面沉积一层SLTI碳制成碳质人工骨，可作用股骨、髋骨、肱骨以及各种关节等。六十年代末以来，国外对含硅CTI碳(SLTI-C)材料作为齿根进行了多方面研究，并已取得临床成效。此外，LTI碳在人工肌腱、人工韧带方面也获得应用。
玻璃状碳(Glass-Like Carbon) 玻璃状碳是一种不可石墨化的单块碳，具有很高的各向同性结构和物理性质，对液体和气体的渗透性非常低，原生表面及断面均有玻璃体外貌特征。人们通常将玻璃碳(Glassy Carbon)或玻璃质碳(Vitreous Carbon)作为玻璃状碳的同义语使用。它只有玻璃一样的外观表面，而无硅酸盐玻璃的结构。玻璃状碳的制备工艺与碳石墨材料不同，它是用数种热固性树脂，经过特殊的热处理制备而成的。玻璃状碳除具有各向同性和不透气性的特点外，还兼有石墨和玻璃的性能，具有优良的血液相容性、生物相容性以及高强度、高耐磨和化学稳定性等优点，已用作人工齿根、人工心脏瓣膜、人工关节等。
活性碳 (Activated Carbon) 活性碳是一种多孔性碳材料，为了增加孔率，将某种碳在碳化时或碳化后与气体反应，有时还加些化学药品，如SnCl₂等。
医用活性碳多以木材、木碳、果实壳（椰壳）、石油系碳等为原料，在600～700℃温度下碳化，然后用水蒸气、二氧化碳、空气、氧气等气体进行活化。也有用药品进行活化的。活性碳常用作药物和医疗方面的吸附剂或助消化剂等。它是一个广谱吸附剂，对某些生物碱、病原菌、酶、毒药等都有吸附作用，常作为氯化汞、马钱子碱、吗啡、酚酞啉和革酸这类毒药中毒急救时的解毒剂，而且还能中和由于细菌作用引起的胃肠酸性反应，治疗霍乱和痢疾等传染病。由于它所具有的治疗价值，已为许多国家收入药典。特别引人注目的是，由加籍华人张明瑞首创的血液灌流(hemoperfusion)就是利用活性碳纤维素与白蛋白，成功地用于尿毒症、药物急性中毒和肝昏迷等危重患者的解毒，对改善症状有明显的效果。
碳纤维(CarbonFibre) 碳纤维是非石墨组成的丝，它是由有机合成纤维或天然纤维，或从有机母体，(如树脂、沥青等)拉制成纤维，经过碳化，随后热处理(温度直至3000°K以上)而得到的。它不仅可制得长丝，而且还可制得各种形状的纺织物。碳纤维的微晶结构，一种是不规则取向的聚合体，另一种是以C轴垂直于纤维方向取向的纤维结构。碳纤维按强度特点分为低弹性(LM)、高强度(HT)、高弹性(HM)三种，它们之间有明显的强度差。
1974年国外将碳纤维作为人工韧带和人工肌腱植入动物进行研究，发现动物在短期内恢复正常。碳纤维植入人体后，由于体内组织在碳纤维之间及其周围生长，而碳纤维则慢慢溶化消失，长成新的韧带和腱，甚至比原来更结实。实验表明，碳纤维和骨的结合性好，因而可用作膝韧带的修复等。国内制造的碳纤维血管、食管等已进行临床应用试验。
碳的复合材料(CFRC) 为了制造生物相容性好，质轻而坚固的结构材料，即高比强度和高比模量的结构材料，将具备这些性质的碳素材料填充到塑料、金属、陶瓷等材料中，而制成碳的复合材料。生物用复合材料的制法是，先制造坚固的芯材，然后再制造坚固的多孔层材料（贴上碳素纤维纸），最后将二者牢固地结合在一起，经过浸渍气相热解碳处理，精加工后成型。
碳的复合材料有更高的强度和韧性，重量轻，具有和骨胳相匹配的弹性模量，与人体组织的亲和性好。碳的复合材料主要用作人工关节、人工骨、人工齿根和人工心脏瓣等。