قطع عضو در اندام تحتانی میتواند مدت‌ها پس از قطع عضو، مشکلاتی برای سلامتی ایجاد کند و در نظر گرفتن این مشکلات و مدیریت آنها برای سلامت پایدار هر بیمار اهمیت بسیاری دارد.
هنگام انتخاب یک ماده برای تولید پروتز پنجه پا، کامپوزیت‌های فیبر کربنی/ آپوکسی به دلیل مولفه‌های مختلف از جمله قدرت کششی و نیروی فشاری استاندارد، مقاومت به ضربه، مقابله با فرسایش، وزن خاص، سهولت تولید، بهداشت و مولفه‌های زیبایی، بیشتر در نظر گرفته می‌شوند. در سراسر جهان ده‌ها هزار نفر به لطف پروتزهای کامپوزیت کربنی زندگی بهتر و استانداردتری را به دست آورده‌اند. پروتز پنجه کربنی با تنظیم مداوم جذب و آزاد کردن انرژی، کارایی مناسبی را فراهم می‌کند و به شکل مناسبی کاملاً با حرکت کاربر هماهنگ میشود و به کاهش خطر سقوط کمک می‌کند.
ویژگی های پروتز پنجه کربنی
انواع رایجی از مواد وجود دارند که در زمینه پروتز و ارتز مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد ترموپلاستیک و فیبر کربنی هستند. هر یک از این نوع مواد، دارای کارکردها و کاربردهای مختلفی می‌باشند و بر اساس نیاز هر بیمار و نوع دستگاهی که دریافت می‌کنند، انتخاب می‌شوند.
بیشترین پیشرفت فناوری در سالهای اخیر با استفاده از کامپوزیت‌های فیبر کربنی و آلیاژهای فلز سبک در تولید پروتزها رخ داده است. دستگاه‌های پروتز مدرن به ده‌ها هزار نفر کمک می‌کنند تا حداقل تا حدودی فقدان اندام از دست رفته خود را جبران کنند و زندگی با کیفیت بالاتر را تجربه نمایند. برخی از استفاده کنندگان پروتز در فعالیت‌های ورزشی مشارکت دارند و حتی رکورد دار هستند.
چرا کامپوزیت‌های فیبر کربنی/ اپوکسی در تولید پروتز تا این حد موفقیت آمیز بوده‌اند؟ عوامل تعیین کننده این موفقیت‌ها چیست: ظاهر جذاب، قیمت، فرآیند تولید ساده یا برتری تکنیکی آنها طبق علوم مواد؟ برای پاسخ به این سوال، این مقاله بر مشخصات مورد نیاز پروتز و خصوصیات کامپوزیت‌های کربنی/ آپوکسی می‌پردازد.
تکنیک‌های قالب گیری مدرن
مهم‌ترین ویژگی پروتزهای مدرن این واقعیت است که می‌توان آنها را به صورت سفارشی ساخت تا با قد، وزن و ساختارهای عضلانی فرد مطابقت داشته باشند. با استفاده از فرآیند تولیدی که شامل استفاده از ماشین‌ها است، می‌توان پروتز را به شکل مطلوب ساخت. بنابراین باید مواد مورد استفاده برای تکنولوژی قالبگیری در تولید، مناسب باشند. بزرگترین مزیت کامپوزیت‌های فیبر کربنی این است که خود را با تولید اجزای عمیق با دیواره‌های نازک و منحنی‌های چند جزئی هماهنگ می‌کنند. تولید هر ساختار پیچیده‌ای با استفاده از قالب‌های اسپلیت در ترکیب با قالب‌های انتقال رزین و تکنیک‌های پرِپرگ امکان پذیر است.
ویژگی‌های مکانیکی متغیر بر حسب مواد
انتظار می‌رود یک پروتز به طور کامل عملکرد اندام طبیعی که جایگزین آن شده است را تکرار کند. تکامل چند هزار ساله، ماهیچه‌ها و استخوان‌های انسان را به یک ساختار بی‌نقص با مقاومت بالا نسبت به وزن و دارای ویژگی‌های مختلف در نواحی مختلف تبدیل کرده است. طبیعت در همه چیز بسیار بخشنده است و اجازه نمی‌دهد هیچ بخشی از بدن ما قوی‌تر و سنگین‌تر از حد لزوم باشد. هنگامی که دانشمندان یک استخوان را بررسی می‌کنند، می‌بینند که نواحی مختلف آن یکسان نیست اما نسبت‌های مختلفی از کلاژن، هیدروکسی آپاتیت و منافذ دارد. این پدیده که از آن با عنوان قانون ولف پزشکی یاد میشود، تصریح می‌کند که استخوان‌ها در نواحی پر فشار دارای استحکام و چگالی بالاتری هستند. در حالی که در نواحی کم فشار، چگالی و استحکام کمتری دارند. نوک استخوان تیبیا ۵۰% چگالی و مقاومت بیشتری نسبت به فشار دارد. استخوان‌های فضانوردان به دلیل گذراندن مدت زمان طولانی در جاذبه صفر ضعیف‌تر میشود. با پیشرفت‌های اخیر در روش‌های قالب سازی مواد کامپوزیت، می‌توان مقادیر مختلف نیرو و تراکم را در نواحی مختلف یک پروتز به دست آورد. به ویژه می‌توان با استفاده از قالب‌های تغییر شکل رزین و روش‌های مدرن کار گذاشتن فیبر (جاگذاری الیاف فیبری) ضخامت‌های مختلف دیواره در قسمت‌های مختلف را با دقت بالا به دست آورد. بنابراین تولید اجزای پروتز با مقاومت مختلف در نواحی مختلف، با بهره گیری از قانون ولف که نوعی تقلید از طبیعت است ممکن میشود.
مقاومت بالای ویژه
در حیوانات خونگرم، ماهیچه‌ها و تاندون‌ها حرکات بدن را تسهیل می‌کنند. در حالیکه استخوان‌ها و مفاصل، تحمل کننده وزن بدن هستند. پروتزهایی که در حال حاضر توسط مراجع پزشکی تایید می‌شوند و معمولا به صورت عملی مورد استفاده قرار می‌گیرند، عملکرد استخوان‌ها را بر عهده می‌گیرند. پروتزهای فعال با منابع انرژی داخلی، همچنان در مرحله توسعه هستند. یک پروتز جایگزین استخوان باید دارای مقاومت مکانیکی مشابه استخوان خود بدن باشد.
مقاومت بسیار بالای ویژه این ماده، با در نظر گرفتن چگالی ۱.۶ گرم در میلی لیتر آن بسیار مشهودتر است. علاوه بر این، استحکام به کشش و استحکام فشاری بالا و مقاومت در مقابل شکستگی، منجر به برتری کیفیت این ماده میشود. مواد دیگری نیز برای تولید پروتز وجود دارند: چوب‌های معمولی، کامپوزیت‌های فایبرگلاس یا پلی استر، کامپوزیت‌های شیشه‌ای و فیبر کربنی / ترموپلاستیک، فلزات و آلیاژهای آنها / سرامیک نیز ممکن است در تولید پروتز مورد استفاده قرار بگیرد. کامپوزیت کربن یا پروکسی به دلیل قدرت مطلق مدل سازی و مقاومت به شکستگی، از نزدیک‌ترین و مشابه‌ترین نوع مواد به استخوان بدن است.
توزیع ایده‌آل وزن
استحکام ویژه کامپوزیت کربن / اپوکسی که در بالا ذکر شد، به قدری زیاد است که می‌توان از آن در تولید پروتزی با قدرت مشابه پای طبیعی، اما ۶۰ درصد سبک‌تر از اندازه طبیعی استفاده کرد. در واقع اولین پروتز فیبر کربنی ساخته شده بسیار سبک بود. به لطف این ماده جدید، یک پروتز کامل پا میتواند فقط ۲ تا ۳ کیلو گرم وزن داشته باشد. پای یک مرد ۸۰ کیلوگرمی در حدود ۱۳ تا ۱۴ کیلوگرم وزن دارد. آزمایش‌های دهه هفتاد نشان داده‌اند که این پروتزهای بسیار سبک، به هیچ وجه کاربردی نبوده‌اند. تداخل در توزیع وزن مطلوب بدن انسان، نتایج بسیار ضعیفی به همراه داشت. تغییر توزیع وزن بدن انسان باعث میشود فعالیت‌هایی مانند نشستن، خم شدن یا بالا رفتن، بسیار دشوارتر شود. این امر نشان می‌دهد که به جای اهمیت دادن به وزن پروتز، مهم است که توزیع وزن و نتیجه حرکت زاویه‌ای در نظر گرفته شود. به همین دلیل اضافه کردن مقداری سرب به یک ماده سبک در کنار ناحیه زانو، حرکات مفصل را تسهیل می‌کند و همچنین مشخص شده است که وزن پروتزهای دست باید تقریباً برابر با وزنی باشد که ماهیچه‌ها در طول دوره زندگی خود به حرکت دادن آن عادت کرده‌اند. تنظیم دقیق وزن با اتصال وزنه به مناسب‌ترین محل پروتز و توزیع یا تمرکز وزن در یک نقطه با استفاده از کامپوزیت کربنی / اپوکسی بسیار ساده است و همین امر باعث میشود استفاده از این ماده در ساخت پروتز بسیار موفقیت آمیز باشد.
بهداشت
موادی که برای ساخت یک پروتز به کار می‌روند علاوه بر استحکام بالا باید بهداشتی، قابل تمیز کردن و مقاوم در مقابل فرسایش و عفونت‌های باکتریایی و قارچی باشند. در مقابل اشعه ماوراء بنفش مقاوم بوده و نسبت به عرق و نمک حساس نباشد و از نظر زیبایی نیز قابل قبول باشند. رزین اپوکسی با مراقبت و شستشو، پوست انسان را تحریک نمی‌کند و آلرژی زا نیست. قرار گرفتن تصادفی پوست در معرض پروتز به آن هیچ آسیبی نمی‌رساند. کامپوزیت‌های کربنی تمام خواص بهداشتی مطلوب را از خود نشان داده‌اند.
ویژگی‌های آلاستیک
یکی از ویژگی‌های بسیار مهم پروتئین‌های موجود در ماهیچه‌ها و تاندون‌ها که ملین و الاستین نامیده میشود این است که مانند یک فنر در حالت پایدار عمل می‌کنند. هزاران سال تکامل، الاستین که ماده اصلی ساختمان تاندون است را به یک «ماده هوکی» بی نقص تبدیل کرده است. مواد هوکی موادی هستند که بین فشار وارد شده به آنها و میزان کشسانی حاصل از این فشار، رابطه خطی وجود دارد. نمونه‌هایی از این مواد فنر فلزی یا کش لاستیکی می‌باشد. الاستین موجود در تاندون آشیل یک کانگورو مانند یک فنر کامل عمل می‌کند و حیوان را قادر می‌سازد تا مسافت‌های بسیار طولانی را با استفاده از انرژی نسبتاً کمی طی کند. هر بار که یک کانگورو به زمین برخورد می‌کند، یک برخورد الاستیک رخ می‌دهد و تقریباً تمام انرژی جنبشی به انرژی بالقوه تبدیل میشود. از این رو برای پرش بعدی تنها مقدار کمی انرژی بیشتر نیاز است. انسان هنگام راه رفتن یا دویدن از همان تبدیل انرژی جنبشی / بلقوه استفاده می‌کند. دامنه خطی مشخصه مواد هوکی که در ابتدای آزمایش کم شدن سه مرحله‌ای کامپوزیت‌های شیشه‌ای، آرامید و فیبر کربنی مشاهده میشود، در کامپوزیت‌های کربنی / آپوکسی بسیار بیشتر است. در میان این سه ماده کامپوزیت مختلف، در صورت بروز ناهنجاری‌های کوچک، کامپوزیت فیبر کربنی بیشترین مطابقت با قانون هوکی را دارد. من معتقدم که این اصلی‌ترین دلیل این است که چرا کامپوزیت‌های فیبر کربنی/ آپوکسی بهترین مواد منتخب برای تولید پروتز هستند.
مقاومت نسبت به فرسایش
یکی دیگر از مستلزمات ماده پروتز، مقاومت در برابر فرسایش است. مشخص است که باری که یک پروتز در معرض آن قرار دارد، ثابت نمی‌ماند و به طور مداوم با برداشتن هر قدم تغییر می‌کند. چرا که دستگاه به طور مداوم پس از خم شدن به وضعیت اولیه خود باز می‌گردد. تمام مواد شناخته شده پس از خم شدن در تعداد چرخه‌های معین، مقداری از قدرت خود را از دست می‌دهند و این امر در نهایت به خرابی اجزای مواد منجر میشود. به طور طبیعی کاهش تدریجی قدرت و طول عمر کوتاه برای دستگاه‌های پروتز قابل قبول نیست. در طول دهه شصت، طول عمر پروتزهای آلومینیومی فقط یک سال بود. شکستگی ماتریکس پلیمری، پارگی فیبر، لایه لایه شدن لایه‌ها و جدا شدگی در سطح ماتریکس / فیبر، چهار مشخصه نقص پروتز است که پس از خم و راست شدن مداوم در کامپوزیت‌ها دیده میشود. جدایی در سطح ماتریکس، بیشترین تاثیر بر طول عمر ماده را دارد. نمودار موجود در شکل ۵ ، درجه از دست دادن قدرت را به عنوان نتیجه‌ای از فرسایش در مواد مختلف نشان می‌دهد. شما می‌توانید میزان قدرت استحکام باقیمانده کامپوزیت فیبر کربنی/ آپوکسی، پس از وارد شدن تعداد زیادی چرخه فشار را در نمودار مشاهده کنید. استفاده از کامپوزیت‌های فیبر کربنی/ آپوکسی در آئروفویل‌ها، پره‌های توربین بادی و اتومبیل‌های مسابقه فرمول یک، نشان دهنده مقاومت بسیار بالای این مواد نسبت به فرسایش است.
