วัสดุที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์เทียมและอุปกรณ์เสริม

อุปกรณ์เทียมและอุปกรณ์เสริมสร้างขึ้นจากวัสดุหลากหลายชนิดที่ถูกเลือกมาเพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างความแข็งแรง น้ำหนัก ความแข็ง ความทนทาน ความสามารถในการขึ้นรูป และความเข้ากันได้กับผิวหนัง วัสดุเหล่านี้รวมถึงเทอร์โมพลาสติกที่สามารถขึ้นรูปให้เข้ากับส่วนโค้งของร่างกายได้ วัสดุผสมเสริมใย เช่น คาร์บอนไฟเบอร์ที่แข็งแรงและเบา โลหะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างและแบบโมดูลาร์ และโพลิเมอร์อ่อนและซิลิโคนสำหรับใช้ในส่วนที่สัมผัสกับผิวหนัง การเลือกวัสดุมีผลต่อความรู้สึก ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานของอุปกรณ์

Definition

วัสดุที่ใช้ในการสร้างอุปกรณ์เทียมและอุปกรณ์เสริมคือวัสดุโครงสร้าง วัสดุเชื่อมต่อ และวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งรวมถึงเทอร์โมพลาสติก วัสดุผสมเสริมใย โลหะ และโพลิเมอร์อ่อนและซิลิโคน ซึ่งใช้ในการประดิษฐ์อุปกรณ์ช่วยเหลือภายนอกและส่วนประกอบของอุปกรณ์เหล่านั้น

Scope

หัวข้อนี้สำรวจประเภทวัสดุหลักที่ใช้ในอุปกรณ์เทียมและอุปกรณ์เสริม และคุณสมบัติที่เป็นปัจจัยในการเลือกใช้วัสดุนั้นๆ โดยถือว่าวัสดุเป็นหัวข้ออ้างอิงสำหรับการทำความเข้าใจการออกแบบอุปกรณ์ และไม่ใช่ขั้นตอนการผลิต การรับรองผลิตภัณฑ์ หรือคำแนะนำทางคลินิกในการเลือกอุปกรณ์สำหรับแต่ละบุคคล

Core questions

• วัสดุประเภทใดบ้างที่ใช้ในอุปกรณ์เทียมและอุปกรณ์เสริม และมีบทบาทอย่างไร?
• คุณสมบัติใดบ้าง เช่น อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก ความแข็ง ความต้านทานต่อความล้า และความเข้ากันได้กับผิวหนัง ที่เป็นปัจจัยในการเลือกใช้วัสดุ?
• วัสดุเชื่อมต่อแตกต่างจากวัสดุโครงสร้างอย่างไร?
• ความสมดุลระหว่างข้อดีข้อเสียของวัสดุถูกจัดการอย่างไรในการออกแบบอุปกรณ์?

Key concepts

• ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
• เทอร์โมพลาสติก
• วัสดุผสมเสริมใย (คาร์บอนไฟเบอร์)
• อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก
• ความแข็งและความยืดหยุ่น
• ความล้าและความทนทาน
• วัสดุเชื่อมต่อ (ซิลิโคน, โฟม, เจล)

Mechanisms

การเลือกวัสดุเป็นไปตามความต้องการด้านการทำงานของแต่ละส่วนของอุปกรณ์ ส่วนประกอบโครงสร้างต้องสามารถรับน้ำหนักตัวซ้ำๆ ได้โดยไม่เสียหาย ซึ่งเหมาะกับวัสดุที่มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง เช่น วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์ โลหะผสมไทเทเนียมและอะลูมิเนียม เทอร์โมพลาสติกจะอ่อนตัวเมื่อได้รับความร้อนและสามารถขึ้นรูปด้วยระบบสุญญากาศบนแบบหล่อหรือแบบจำลอง ทำให้สามารถปรับแต่งรูปทรงของเบ้าและอุปกรณ์เสริมได้ วัสดุที่ใช้ในส่วนที่สัมผัสกับผิวหนัง เช่น ซิลิโคน เจล และโฟม ถูกเลือกให้มีความยืดหยุ่นและเข้ากันได้กับผิวหนัง เพื่อช่วยรองรับและกระจายแรง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ความต้านทานต่อความล้า และการกระจายความแข็งทั่วทั้งโครงสร้าง ล้วนเป็นปัจจัยที่กำหนดความสบาย ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งาน

Clinical relevance

การทราบคุณสมบัติและข้อดีข้อเสียของวัสดุอุปกรณ์ช่วยให้แพทย์และวิศวกรสามารถให้เหตุผลได้ว่าทำไมอุปกรณ์จึงสวมใส่สบายหรือทนทาน และการเลือกวัสดุมีความสัมพันธ์กับการทำงานอย่างไร ข้อมูลนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงพรรณนาเกี่ยวกับวัสดุและคุณสมบัติของวัสดุ ไม่ได้แนะนำผลิตภัณฑ์เฉพาะเจาะจง หรือเป็นแนวทางในการเลือกอุปกรณ์สำหรับผู้ป่วยแต่ละราย

Evidence & guidelines

หลักฐานส่วนใหญ่ประกอบด้วยการศึกษาทางวิศวกรรมและวัสดุศาสตร์ และการทบทวนวรรณกรรมแบบบรรยาย มากกว่าการทดลองทางคลินิก การทบทวนวัสดุที่ใช้โพลิเมอร์และวัสดุที่ผลิตด้วยการเพิ่มเนื้อวัสดุ (additively manufactured materials) อธิบายว่าสาขาวิชานี้กำลังเปลี่ยนไปสู่โพลิเมอร์และวัสดุผสมที่เบาขึ้นและปรับแต่งได้มากขึ้น ในขณะที่การทบทวนอย่างเป็นระบบของส่วนประกอบเทียมระบุว่าการเชื่อมโยงการเลือกวัสดุหรือส่วนประกอบเข้ากับผลลัพธ์การทำงานนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายในเชิงระเบียบวิธีวิจัย

History

อุปกรณ์เทียมและอุปกรณ์เสริมในยุคแรกๆ ส่วนใหญ่ทำจากไม้ หนัง และโลหะ การนำพลาสติกและเทอร์โมพลาสติกมาใช้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ทำให้อุปกรณ์มีน้ำหนักเบาขึ้นและสามารถขึ้นรูปได้ และการนำวัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์มาใช้ในภายหลังทำให้มีความแข็งแรงสูงแต่น้ำหนักเบา ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างส่วนประกอบที่มีพลวัต เช่น เท้าเทียมที่เก็บพลังงานได้ ซิลิโคนและเจลที่อ่อนนุ่มสำหรับส่วนเชื่อมต่อกับแขนขา และล่าสุดคือโพลิเมอร์ที่ปรับแต่งสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) ได้ขยายขอบเขตของวัสดุที่ใช้ได้อย่างต่อเนื่อง

Seminal works

• bowker-michael-1992
• sakib-2023

Frequently asked questions

ทำไมคาร์บอนไฟเบอร์จึงเป็นที่นิยมในอุปกรณ์เทียม?

วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง และสามารถเก็บและคืนพลังงานยืดหยุ่นได้ ซึ่งทำให้มีประโยชน์สำหรับส่วนประกอบโครงสร้างและสำหรับอุปกรณ์ที่มีพลวัต เช่น เท้าเทียมที่เก็บพลังงานได้

ทำไมจึงใช้เทอร์โมพลาสติกสำหรับเบ้าและอุปกรณ์เสริม?

เทอร์โมพลาสติกจะอ่อนตัวเมื่อได้รับความร้อนและสามารถขึ้นรูปบนแบบจำลองของร่างกายได้ ทำให้ได้รูปทรงที่พอดีกับแต่ละบุคคล และสามารถนำกลับมาให้ความร้อนและปรับเปลี่ยนได้ ซึ่งเหมาะกับการปรับแต่งเบ้าและอุปกรณ์เสริมซ้ำๆ