شاید بشر نخستین بار، پای مصنوعی را در داستان موبی دیک و با توصیف های زیبای نویسنده این اثر را تجربه کرده است. همه صدای کوبیده شدن پای چوبی کاپیتان را در حالی که نهنگ سفید اسطوره ای خود را دنبال می کرد، به یاد می آوریم. اما اندام های مصنوعی یا پروتز های ارتوپدی امروزی با پای چوبی کاپیتان داستان موبی دیک تفاوت های بسیاری دارد.

در طی ۵ تا ۱۰ سال گذشته شاهد تحولات بزرگی در تکنولوژی تولید پا ها و اندام های مصنوعی بوده ایم. در راستای تحولات رخ داده شاهده ظهور کامپوزیت های فیبر کربن و آلیاژ های بسیار سبکی در ساخت اندام های جایگزین بدن انسان بوده ایم. این آلیاژها و کامپوزیت ها ویژگی ها و قابلیت های متفاوتی را در اندام های مصنوعی به وجود آورده اند.

پیشرفت های به وجود آمده در ساخت پروتز، هزاران نفر را از ناتوانی و معلولیت نجات داده است. پروتزهای پنجه کربنی راه گشای این افراد بوده است. کیفیت زندگی این افراد در مقایسه با گذشته دچار تحولات بزرگی شده است. با ظهور پنجه کربنی ها نه تنها شاهد بازگشت ورزشکاران به روز های طلایی ورزش بودیم، بلکه ورزشکارانی مشاهده کردم که با اتکا بر فیبر کربن، رکورد شکنی کردند.

اما چرا کامپوزیت فیبر کربن تا این اندازه در ساخت اندام های مصنوعی مفید واقع شده است؟ چه عواملی کیفیت این کامپوزیت را تعیین کرده است؟ آیا جذابیت ظاهری، قیمت، تولید آسان یا ویژگی های فنی قابل توجه فیبر کربن را جهت ساخت پروتز در اولویت قرار داده است؟

در پاسخ به این سوال باید به بررسی ویژگی های منحصر به فرد و مورد  قبول در ساخت پروتزها اشاره کنیم. ویژگی های فیبر کربن از کدام قابلیت پروتز ها پشتیبانی می کند. به این ترتیب، متوجه می شویم چرا از فیبر کربن در ساخت پروتزها بهره برده می شود.

ظهور تکنیک های مدرن در قالب گیری

یکی از مهم ترین ویژگی های اندام های مصنوعی امروزی این است که این اندام ها دیگر مانند گذشته تنها در یک شکل به تولید نمی رسند. امروزه پروتز ها با در نظر گرفتن ویژگی های منحصر به فرد، اشخاص و کاربران به تولید می رسد. به این ترتیب، اندام های مصنوعی امروزی با وزن، قد و ساختار عضلانی افراد متفاوت مطابقت دارند.

در حقیقت، با تولید ماشینی پروتزها قادر به تولید اندام هایی که با خصوصیات و ویژگی های کاربر مطابقت داشته باشد، نیستیم. به همین دلیل ماده مورد استفاده در ساخت این اندام ها باید جهت استفاده در  این شیوه قالب گیری مناسب باشد. فیبر کربن به سادگی در قالب تهیه شده نفوذ کرده و در تمام انحناها و خلل و فرج را می پوشاند. این ماده به سادگی فرم دلخواه را به خود می گیرد. از این گذشته با توجه به امکان ترکیب پنجه کربنی با رزین های اپوکسی، امکان تولید ساختار های پیچیده و خارق العاده ای ممکن می شود.

خصوصیات مکانیکی متغیر ماده اولیه در ساخت پروتز

هدف از ساخت اندام های مصنوعی، بازگرداندن توانایی های طبیعی فرد و جبران فقدان عضو طبیعی بدن فرد است. از این رو پروتز باید تمام حرکات و عملکرد های یک عضو طبیعی را به خوبی برای کاربر به ارمغان آورد. بدن انسان پس از هزاران سال حضور در چرخه تکامل به چنین ساختار پیچیده و مقاومی تبدیل کرده است. نسبت توان به وزن در بدن انسان قابل توجه است. نواحی مختلف بدن انسان از قابلیت های بی نظیری برخوردار هستند که بشر را به موجودی فوق العاده تبدیل کرده است.

طبیعت در چرخه خود به هیچ عنوان بیش از اندازه بخشنده نیست. به همین دلیل، هیچ عضوی از میزان مورد نیاز قویتر طراحی نشده است. زمانی که یک استخوان را زیر نظر می گیریم، مشاهده می کنیم که استخوان های نواحی مختلف بدن مشابه از استحکام مشابهی برخوردار نیستند. بلکه میزان کلاژن و هیدروکسی آپاتیت و میزان منافذ موجود در استخوان ها به کلی با یکدیگر متفاوت است.

این پدیده به صورت مستقیم به قانون ولف اشاره دارد. بنا بر این قانون استخوان هایی که بیش از سایرین در معرض فشار قرار دارند، از استحکام بالاتری برخوردار هستند و در برابر فشار و استرس مقاومت بیشتری را  از خود به نمایش می گذارند. استخوان های موجود در انگشتان، از چنین ویژگی هایی برخوردار هستند. این در حالی است که استخوان های بخش هایی که کمتر از سایر قسمت ها تحت فشار قرار دادند از چگالی و تراکم کمتری برخوردار هستند. به عنوان مثال چگالی و تراکم استخوان درشت نی در مقایسه با دیگر استخوان های موجود در بدن ۵۰ درصد بالاتر است.

از سوی دیگر استخوان فضانوردان به دلیل حضور در فضای جو و دور ماندن از نیروی جاذبه، در مقایسه با ساکنان زمین به مراتب ضعیف تر و شکننده تر است. اما خوشبختانه با استفاده از فیبر کربن در ساخت اجزای متفاوت و اندام های مصنوعی متنوع برای بخش های متفاوت بدن می توانیم پروتزهایی مشابه به ساختار استخوانی بدن جهت استفاده در نواحی مختلف بدن تولید کنید. پنجه کربنی به جامعه پزشکی اجازه داده است که چگالی مورد استفاده در ساخت پروتز ها را با توجه به موضع قطع شده در نظر بگیرند. این ماده به با ترکیب با اپوکسی، امکان ساخت دیواره ای مستحکم با درجه استحکام متفاوتی را برای جامعه ارتوپدی میسر کرده است. بنابراین فیبر کربن امکان تولید اعضایی که از قانون ولف نیز تبعیت کنند را میسر کرده است.

مقاومت ویژه بالای فیبر کربن

ماهیچه ها و تاندون ها در بدن حیوانات خونگرم سرعت عمل و حرکت بدن را سرعت می بخشد. این در حالی است که استخوان ها و مفاصل، اندام هایی هستند که وزن بدن را بر دوش می کشند. پروتزهایی که امروزه به تایید جامعه پزشکی رسیده است، به خوبی عملکرد استخوان های بدن را شبیه سازی کرده است. البته اندام هایی که از منابع انرژی خارجی استفاده می کنند، هنوز در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارند.

روی هم رفته، پروتزی که به عنوان جایگزین یک استخوان در بدن به کار برده می شود، باید از خصوصیات مکانیکی مشابهی با  استخوان های بدن برخوردار باشد. فیبر کربن هایی که امروزه در صنعت پزشکی تولید می شود از مقاومتی در حدود 700 مگا پاسکال و خاصیت کشسانی در حدود 70 گیگا پاسکال برخوردار هستند. چگالی در نظر گفته شده برای پنجه کربنی چیزی در حدود 1.6 گرم بر میلی گرم است. تمام این ویژگی ها در کنار یکدیگر، مقاومت ویژه بالا پروتز ها را به خوبی مشخص می کند.

فیبر کربن در کنار ویژگی های گفته شده، سختی بسیار بالایی دارد. تمام این ویژگی ها این ماده را به یکی از بهترین مواد اولیه در ساخت پروتزها تبدیل کرده است. البته در کنار فیبر کربن، گزینه های دیگری نیز در زمینه ساخت پروتز معرفی شده است. به عنوان مثال چوب، فیبر شیشه ای که با پلی استر ترکیب شده است، آلیاژهای متنوع فلز، سرامیک و فیبر شیشه و کربن از جمله مواد اولیه پیشنهادی در ساخت اندام های مصنوعی هستند. در این میان ترکیب فیبر کربن در کنار اپوکسی، به عنوان بهترین ترکیب جهت استفاده در صنعت پروتز سازی انتخاب شده است. چرا که این ترکیب شباهت بسیار زیادی به ساختار استخوانی بدن دارد.

توزیع ایده آل وزن

با توجه به اطلاعاتی که در رابطه با فیبر کربن در اختیار شما قرار داده ایم، دیگر به این حقیقت پی برده اید که پروتزی که با استفاده از این ماده ساخته می شود  از مقاومت بالایی برخوردار است و به راحتی می تواند به عنوان جایگزین مناسبی برای پای انسان به کار برده شود. با وجود قالب و استحکام بالای این ماده، شاهد وزن سبک این ماده هستیم. این ماده تا ۶۰ درصد از پای طبیعت سبک تر است. خوشبختانه با روی کار آمدن، مواد اولیه جدید مانند فیبر کربن، وزن تمام شده یک پنجه کربنی کمتر از ۲ تا ۳ کیلوگرم است. این در حالی است که وزن پاهای مردی که در حدود ۸۰ کیلومتر چیزی در حدود ۱۳ تا ۱۴ کیلومتر است. آزمایشات در سال ۷۰ نشان داده است که پروتز های فوق العاده سبک به هیچ عنوان کارایی لازم را از خود نشان نمی دهند.

تداخل میان وزن پروتز و وزن کاربر، نتیجه رضایت بخشی را در پی دارد. توزیع وزن در نواحی مختلف بدن اعمالی از قبیل نشستن، ایستادن، خم شدن و کشیده شدن بدن را ممکن می کند. در صورتی که تداخلی در نحوه توزیع وزن به وجود بیاید. در واقع این موضوع مطرح می شود که نکته قابل توجه در ساخت اندام ها و وزن کلی اندام های مصنوعی در نظر گرفته نشده است، بلکه مسئله اساسی نحوه توزیع وزن در این پروتز ها است. این ویژگی در اندام های مصنوعی که در قسمت زیر زانو به کار برده می شوند، مشهود تر است. در این پروتزها وزن مشخصی به قسمت معینی از پنجه کربنی افزوده می شود و عملکرد پروتز به مراتب بهبود می یابد.  چرا که تنها با افزودن مقدار ناچیزی به وزن پروتز شاهد عملکرد بهتر مفصل زانو خواهیم بود. مطالعات نشان داده است که پروتز های به کاربرده شده در ناحیه دست نیز باید توانایی تحمل وزنی که در تمام طول زندگی بر این ناحیه وارد می شود، برخوردار باشند. برای این منظور، در صنعت پروتز سازی، میزان معینی از وزن را در نواحی مختلف پنجه کربنی، منتشر می کنیم. حال آنکه با استفاده از فیبر کربنی، به سادگی می توانیم وزن نواحی مختلف پروتز را مشخص کنید. این ماده تولید و تهیه پروتز ها را به سادگی مهیا کرده است. پنجه کربنی، به پزشکان اجازه می دهد توزیع وزن را در نواحی مختلف اندام مصنوعی به بهترین شکل انجام دهند. 

نظافت

در کنار مقاومت و استحکام بالا، تمام موادی که در ساخت پروتز به کار برده می شوند باید به سادگی قابل تمیز کردن باشند. علاوه برای این پروتز ها باید از موادی ساخته شوند که از مقاومت بالایی در برابر خوردگی برخوردار باشد. این ماده باید در برابر باکتری ها و عفونت ها نیز مقاوم باشد. اشعه فرابنفش نباید ساختار این ماده را تحت تاثیر قرار دهد.

از این گذشته ماده به کار رفته در ساخت پروتز، باید در برابر تعریق و نمک مقاوم باشد. اندام مصنوعی مورد استفاده باید از زیبایی قابل قبولی نیز بهره مند باشد. رزین اپوکسی پس از پخته شدن در کوره و شستشوی کامل دیگر موجب بروز حساسیت پوستی در انسان نمی شود. به همین دلیل این ماده به هیچ عنوان حساسیت زا نیست. خوشبختانه در صورت تماس پنجه کربنی با پوست هیچگونه التهاب و آسیبی برای فرد به وجود نمی آید. با وجود اولویت های ارزشمند ماده مورد استفاده در پروتز، هیچ ماده ای در رقابت با فیبرکربن پیروز نبوده است. این ماده به عنوان بهترین ماده در تهیه اندام های مصنوعی در نظر گرفته شده است و ویژگی های مورد نیاز اندام های مصنوعی را در خود جای داده است.

ویژگی های کشسانی

مهمترین ویژگی های موجود در پروتئین های موجود در عضلات و تاندون ها، با نام اسلاستین و میلین شناخته می شوند. این اندام ها مانند رودی که ساکن مانده است رفتار می کنند.  در طی هزاران سال، الاستین به عنوان اصلی ترین فاکتور سازنده تاندون ها به ساختار قرص و محکمی تبدیل شده است. اگر بخواهیم ساختاری مشابه با ربات را به شما معرفی کنیم باید به رشته ای از فلز استیل یا نوار باریکی از پلاستیک اشاره کنیم. بیایید به تاندون های موجود در بدن کانگورو توجه کنید. این تاندون ها به جانور اجازه می دهند که فواصل طولانی را با کمترین میزان انرژی طی کنند. هربار که پاهای کانگورو با سطح زمین ارتباط برقرار می کند. در حقیقت یک برخورد الاستیک روی داده است و تمام انرژی زمین به پاهای کانگورو انتقال داده می شود. تمام این انرژی در قالب پتانسیل در پاهای کانگورو ذخیره می شود.

از مجموع انرژی ذخیره شده تنها بخش اندکی صرف حرکات بعدی جانور می شود. انسان ها نیز در هنگام راه رفتن یا دویدن از همین انتقال انرژی استفاده می کنند. از میان تمام موادی که جهت استفاده از در پروتز ارائه شده اند، پنجه کربن بیشترین شباهت را به اندام ها طبیعی داشته است. فیبر کربن به خوبی تاندون ها در برخورد با سطح زمین، چنین رفتاری را از خود بروز می دهد. همین ویژگی فیبر کربن را به متریال مناسبی جهت ساخت پروتز تبدیل کرده است.

مقاومت در برابر فرسودگی

یکی از مهم ترین ویژگی های مورد نیاز جهت ساخت پروتز، مقاومت بالا در برابر فرسودگی است. ماده مورد استفاده در اندام های مصنوعی باید در برابر فرسودگی از دوام بالایی برخوردار باشد. مسلماً ساختار پروتز در تمام مدت استفاده ثابت نیست، اما این ماده پس از دگرگونی های به عمل آمده به ساختار اولیه خود باز می گردد. تمام مواد اولیه شناخته شده، بخشی از عمر مفید خود را در حین خم و راست شدن ها از دست می دهند. به همین دلیل ماده مورد استفاده در این اندام ها نباید از عمر پایینی برخوردار باشد. این ماده باید، از عمر متوسط طولانی برخوردار باشد. پروتز های آلومینیومی دهه ۶۰ تنها یک سال ماندگاری داشتند. پس از این بازه شاهد بروز فرسودگی در بافت این ایمپلنت ها بودیم. گسستگی، ترک در لایه های فیبر کربن موجب گسسته شدن الیاف فیبر کربن می شود. اما بروز چنین اتفاقی در فیبر کربن بسیار نادر است.

اگر هنوز به اهمیت فیبر کربن پی نبرده اید…

هنگام انتخاب ماده اصلی در ساخت ایمپلنت، کامپوزیت، فیبر کربن و اپوکسی به عنوان ماده ممتاز در ساخت اندام های مصنوعی به کار برده می شود. پنجه کربنی از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است، این ماده در مقابل ضربات از مقاومت بالایی هم برخوردار است.  فیبر کربن در مقابل فرسودگی بسیار مقاوم است و تحمل وزن بالایی را دارد. علاوه بر این رعایت بهداشت این پروتز ها در مقایسه با نمونه های قبلی به مراتب چشمگیر تر است. فاکتور زیبایی این پروتز نیز، توجه کاربران را به خود جلب می کند. امروزه  صدها هزار نفر با استفاده از پروتزهای پنجه کربنی، زندگی بهتر و با کیفیت تری را تجربه می کنند. این احساس رضایت بخش بدون ظهور فیبرکربن امکان پذیر نبود.