Материалы, используемые в протезировании и ортезировании

Протезы и ортезы изготавливаются из различных материалов, выбранных для обеспечения баланса прочности, веса, жесткости, долговечности, формуемости и совместимости с кожей. К ним относятся термопласты, которые могут быть отформованы по контурам тела; волокнистые композиты, такие как углеродное волокно, отличающиеся прочностью и легкостью; металлы для структурных и модульных компонентов; а также мягкие полимеры и силиконы, используемые на границе соприкосновения с кожей. Выбор материала определяет ощущения от использования устройства, его функциональность и срок службы.

Definition

Материалы, используемые в протезировании и ортезировании, — это конструкционные, интерфейсные и биосовместимые материалы, включая термопласты, волокнистые композиты, металлы, а также мягкие полимеры и силиконы, из которых изготавливаются внешние вспомогательные устройства и их компоненты.

Scope

Данная тема рассматривает основные классы материалов, используемых в протезировании и ортезировании, а также свойства, определяющие их выбор. Она трактует материалы как справочный предмет для понимания конструкции устройств и не является руководством по процедурам изготовления, одобрением продукта или клиническим руководством по выбору устройства для конкретного человека.

Core questions

• Какие классы материалов используются в протезно-ортопедических изделиях и для каких целей?
• Какие свойства, такие как соотношение прочности к весу, жесткость, усталостная прочность и совместимость с кожей, определяют выбор материала?
• Чем интерфейсные материалы отличаются от конструкционных материалов?
• Как балансируются компромиссы материалов при проектировании устройств?

Key concepts

• Биосовместимость
• Термопласты
• Волокнистые композиты (углеродное волокно)
• Соотношение прочности к весу
• Жесткость и гибкость
• Усталость и долговечность
• Интерфейсные материалы (силикон, пены, гели)

Mechanisms

Выбор материала определяется функциональными требованиями к каждой части устройства. Конструкционные компоненты должны выдерживать многократные нагрузки весом тела без разрушения, что способствует выбору материалов с высоким соотношением прочности к весу, таких как углеродно-волокнистые композиты, титановые и алюминиевые сплавы. Термопласты размягчаются при нагревании и могут быть отформованы вакуумным способом по слепку или модели, что позволяет индивидуально формировать гильзы и ортезы. Материалы, контактирующие с кожей, такие как силиконы, гели и пены, выбираются с учетом их податливости и совместимости с кожей, чтобы они обеспечивали амортизацию и распределение нагрузки. Биосовместимость, усталостная прочность и распределение жесткости по структуре в совокупности определяют комфорт, производительность и срок службы.

Clinical relevance

Знание свойств и компромиссов материалов устройств помогает клиницистам и инженерам понять, почему устройство удобно или долговечно, и как выбор материалов связан с функцией. Эта статья является описательным справочным материалом о материалах и их свойствах; она не рекомендует конкретные продукты и не является руководством по выбору устройства для отдельных пациентов.

Evidence & guidelines

Значительная часть доказательной базы состоит из инженерных и материаловедческих исследований, а также обзорных статей, а не клинических испытаний. Обзоры полимерных материалов и материалов, изготовленных аддитивным способом, описывают, как область смещается в сторону более легких, более настраиваемых полимеров и композитов, в то время как систематические обзоры протезных компонентов отмечают, что связь выбора материалов или компонентов с функциональными результатами является методологически сложной задачей.

History

Ранние протезы и ортезы изготавливались в основном из дерева, кожи и металла. Введение пластмасс и термопластов в середине XX века позволило создавать более легкие, формуемые устройства, а последующее внедрение углеродно-волокнистых композитов обеспечило высокую прочность при малом весе, что позволило создавать динамические компоненты, такие как стопы с накоплением энергии. Мягкие силиконы и гели для интерфейса конечности, а в последнее время и полимеры, специально разработанные для аддитивного производства, продолжают расширять палитру материалов.

Seminal works

• bowker-michael-1992
• sakib-2023

Frequently asked questions

Почему углеродное волокно часто используется в протезировании?

Углеродно-волокнистые композиты обладают высоким соотношением прочности к весу и способны накапливать и возвращать упругую энергию, что делает их полезными для структурных компонентов и для динамических устройств, таких как протезные стопы с накоплением энергии.

Почему термопласты используются для гильз и ортезов?

Термопласты размягчаются при нагревании и могут быть отформованы по модели тела, что позволяет получить индивидуально подогнанную форму, а также их можно повторно нагревать и регулировать, что подходит для итеративной подгонки гильз и ортезов.