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의료산업에서 탄소섬유 복합소재(CFRP)의 응용

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작성자 한국화학섬유협회 작성일21-04-08 18:20 조회3,722회

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화섬정보 4. 8

 

`60년대 혈액응고를 방지하기 위한 인공혈관의 적합한 소재로 탄소섬유가 거론되면서, 의료산업에서 탄소섬유를 소재로 활용하는 연구가 본격적으로 시작됨. 탄소섬유 복합소재(이하 CFRP)는 인체와의 생체적합도가 높고 조직세포에 대한 자극이 낮을 뿐만 아니라, 독성과 발암성분이 없어 현재 의료기기 및 인공 생체조직으로 연구·사용되고 있음. CFRP가 보유한 특성과 의료산업에서의 용도는 아래와 같음.

 

의료산업에 적합한 CFRP 특성

1. 이방성(Anisotropic, 異方性)을 보유함

CFRP는 이방성을 보유한 소재로 방향에 따라 성질이 다른 특성이 있어, 동 소재를 다양한 방식으로 사용하여 개인 맞춤형 의료부품과 생체조직을 제조할 수 있음. 또한, CFRP 제조과정 중 각기 다른 순서와 각도로 레진을 도포할 수 있어 용도별로 필요한 특성을 구현하기 용이함.

 

2. X-ray의 투과율이 높음

X-ray의 투과율은 물체의 밀도, 두께 등의 물리적 특성과 물체를 구성한 원소들의 특성과 있는데, CFRP는 금속대비 X-ray의 투과율이 높음. 알루미늄 금속판을 예시로 X-ray의 투과율이 78%인 반면, CFRP의 투과율은 96%에 달함.

 

3. 내피로성(fatigue resistance)이 강함

CFRP 내부는 촘촘한 섬유·레진층으로 구성되어 있어 외부의 충격을 받더라도 다층구조로 인해 균열이 커지는 것을 방지할 수 있음. 의료기구의 특성상 무수한 중복사용을 거치야 하는 경우가 많은데 CFRP의 이러한 내피로성은 의료기구의 사용수명을 연장하는데 큰 기여를 함.

 

CFRP가 주로 사용되는 의료기기 및 생체조직

1. CT·X-ray 촬영대

CT와 X-ray 촬영대는 CFRP가 의료산업에서 가장 빈번하게 사용되는 사례 중 하나임. CFRP는 X-ray 등 방사선의 흡수율이 낮아, 적은 방사량에도 효율적인 검사가 가능하기 때문에 방사설비의 사용수명을 늘리는 효과가 있음. 또한, CFRP는 X-ray 투과율이 높아 어떠한 각도에서 촬영하더라도 굴절이 발생하지 않아 검사의 효율을 극대화할 수 있음. 이외에도 CFRP는 B형초음파 검사대와 엑스레이 디텍터(FP-DR) 등에 사용됨. 한편, 최근 일본 Toray는 뇌(腦)외과 수술용 CFRP 거치대를 공개한바 있음.

   

2. 인공뼈 및 인공관절

CFRP는 인공 생체조직으로 뼈충전재, 내고정용 플레이트, 인공관절, 인공치근, 인공심장 등 다양한 용도로 사용되고 있는데 특히 휨강도, 탄성율 등 특성이 인간의 골격과 비교적 유사함. 이러한 특성으로 교정의학 분야에서 CFRP를 활용한 인공관절이 지속적으로 연구개발되고 있음.

 

의료기기 업체 Invibio는 탄소섬유강화 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 인공뼈·관절 제품을 개발했는데, 동 소재는 역학적 특성이 뼈와 유사하여 기타 고분자 및 금속제품에 비해 생체적합도가 높고 내마모성이 강해 교정의학 분야의 핵심소재로 부상할 것으로 기대됨.

 

3. 치아수복

현재 미국·유럽 지역에서 비(非)금속 물질을 사용한 치아수복 임상실험이 빈번하게 진행되고 있는데, CFRP가 치아 및 치근에 사용되던 금속을 대체할 수 있다는 연구결과가 발표되고 있음. 탄소섬유는 금속에 비해 치아와 유사한 역학특징을 보유하고 있으며, 제거 또한 용이하여 재수술이 편리하다는 장점이 있음.

 

4. 의수 및 의족

의수와 의족이 인체와 연결되는 접합부는 사지를 감싸고 이를 지탱하는 역할을 하는데, 동 부위에는 낮은 중량이 요구되어 탄소섬유는 적합한 소재로 꼽힘. 의수를 감싸는 부분은 폴리에틸렌 레진을, 지탱하는 부분은 탄소섬유를 활용하면 효율적으로 의수에 힘을 전달할 수 있음. 또한, 탄소섬유로 제조한 발목관절은 점프와 같은 동작을 실현할 수 있으며, 발목과 종아리의 접합부에도 탄소섬유를 사용하여 안전성을 높일 수 있음.

 

5. 휠체어

탄소섬유의 밀도는 1.7g/cm3인데 같은 규격의 알루미늄 합금소재대비 절반이상 가벼우며 강도도 높음. 이에 따라 휠체어의 골자를 주로 이루는 CFRP는 반복적인 높낮이 조절 등의 조작에도 강한 내구성을 보임. 또한, 휠체어에는 환자가 투여받는 약물 등과 접촉이 잦아 내부식성이 강한 CFRP를 사용하면 제품의 사용수명이 대폭 증가할 수 있음. H

 

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