Выверенные до десятой доли процента сплавы, биосовместимые полимеры и композиты. Как целая наука — материаловедение — создала элементы, которые смогли стать частью человеческого тела? Сегодня мы расскажем о том, из чего делают протезы рук и ног во второй четверти XXI века.
Материалы для первых протезов: из чего их делали раньше?
Самым древним из известных функциональных протезов считается деревянный большой палец, найденный на ноге египетской мумии. Ему больше 3 тысяч лет. Палец был сделан из дерева и кожи и выполнял не только декоративную роль, но и функциональную — судя по следам износа, владелец активно использовал его при ходьбе.
В целом, тенденция была такая, что для протезов рук в древности использовали железо, а для ног — дерево. Все мы помним пирата, у которого деревянная нога и железный крюк.
Тенденция начала меняться в позднем средневековье и в эпоху возрождения — тогда люди стали делать более сложные механические устройства, которые использовались для конкретных узкоспециализированных целей. Например, для удержания поводий при верховой езде. Понадобились и более технологичные материалы.
Переход к новым технологиям: почему и когда изменился подход?
Кардинальный сдвиг в протезировании произошел после двух мировых войн. Именно стремление помочь солдатам и мирным людям, которые потеряли конечности в бою, сильно подстегнуло развитие этой отрасли. В авангарде разработки решений встали СССР и США.
Последние в 1945 году учредили программу Committee on Artificial Limbs (Комитет по исследованиям в области искусственных конечностей). Ее суть заключалась в том, чтобы систематически изучать биомеханику и материаловедение для нужд протезирования. В 1950-е — 1970-е годы, благодаря их изысканиям, на смену железу пришли алюминиевые сплавы, а дерево заменили полимеры и композитные материалы. Этот подход изменил протезирование навсегда. В это время советские ученые активно разрабатывали первые бионические протезы, которые могли раскрываться и закрываться, считывая сигналы с мышц культи. Но это уже тема для другого материала.
Материалы для современных протезов рук
Протезы рук не несут опорной нагрузки — им не нужно выдерживать вес всего тела человека. Сложность при их проектировании в том, что они должны быть максимально легкими, точными и биосовместимыми. Ключевым элементом любого протеза руки является культеприемная гильза.
Для внешней части гильзы используют композитные материалы: углепластик (карбон) или стекловолокно, пропитанные акриловыми или эпоксидными смолами. Композиты обладают высочайшей удельной прочностью (соотношение прочности к весу). Внутреннюю часть делают из биосовместимых полимеров, в первую очередь медицинского силикона и термопластичных эластомеры (TPE). Эти материалы не вызывают аллергии, не токсичны, не раздражают кожу при длительном контакте.
В механических протезах, где управление осуществляется через систему тросов, нет сложной электроники. Поэтому приоритет отдается материалам, способным выдерживать тысячи циклов механической нагрузки и воздействие внешней среды. Устройство должно оставаться легким и не громоздким.
Главный элемент такого протеза — тяги. Именно благодаря ним осуществляется схват. Они должны быть достаточно прочными, чтобы не подвести человека в самый ответственный момент. Чаще всего их делают из стали.
В XXI веке мы не можем обойтись без гаджетов, поэтому некоторые производители встраивают в устройства специальные touchscreen напальчники, которые позволяют взаимодействовать с гаджетами. Их делают из особого силикона с углеродными токопроводящими нанотрубками.
Материалы для современных протезов ног
Протез ноги — это высоконагруженная инженерная конструкция. Он должен выдерживать вес всего тела, умноженный на динамические нагрузки при ходьбе, беге или прыжках. Мы не будем повторяться: гильза для протезов ног использует почти те же материалы, что и гильзы для протезов рук: углепластик и эпоксидные смолы. Внутри — медицинский силикон. Специалисты конструируют гильзу таким образом, чтобы вес тела распределялся равномерно по всей культе.
Скелет — это титан. Для ключевых несущих элементов конструкции используется этот материал и его сплавы. Он легкий и крайне прочный, биосовместимый и невероятно устойчив к износу. Не просто так его широко применяют в авиации.
Например, в модулях стопы от Моторики используется титановая пирамидка для крепления стопы к другим элементам протеза ноги.
Сама стопа делается из карбона. Это крайне сложное устройство: если оно будет слишком деформируемым, во время шага оно будет ломаться. Если сделать его слишком жестким, оно не будет отдавать энергию при шаге и станет просто подпоркой. Человек будет хромать, долго ходить с таким протезом не сможет. На помощь снова приходят композиты. Карбон позволяет стопе деформироваться достаточно, чтобы отдавать энергию и делать походку легкой, но при этом является достаточно прочным, чтобы она не ломалась.
Материаловедение еще не достигло своего пика: ученые продолжают экспериментировать с химическими элементами и их свойствами.
Где протезироваться?
В Моторика ОРТО создают протезы персонально под каждого человека. Врачи учитывают возраст, рост, пол, вес, уровни активности, тип кожи протезируемого, склонность к аллергиям и прочие факторы для того, чтобы создавать идеальные слепки для гильзы по культе пациента. Специалисты прекрасно осведомлены о свойствах материалов, поэтому смогут изготовить идеальный протез именно для вас.
Также центр предлагает функциональную адаптацию разным программам, чтобы вы могли максимально быстро восстановиться после травмы и начать ходить. Переходите на сайт, будем рады познакомить вас с нашими продуктами и реабилитационными программами!
А у вас есть перспективные идеи по материалам, из которых могли бы состоять протезы? Делитесь ими в комментариях!
