20 بهمن 1398 توسط کلینیک حکیم 0 دیدگاه

فیبر کربن آخرین دستاورد جهان پروتز

نخستین بار زمانی که اسکار پیستوریوس، سریعترین دونده بدون پا از آفریقای جنوبی تنها در ۱۱.۰۴ صدم ثانیه، دو سرعت ۱۰۰ متر المپیک آتن را به پایان رساند، توجه جهانیان به پروتز ساخته شده از فیبر کربن جلب کرد. پیستوریوس در حالی این رکورد را به ثبت رساند که سریع ترین رکورد حال حاضر جهان از آن یوسین بولت از کشور جامائیکا است. بولت در سلامت کامل، رکورد ۹.۵۸ ثانیه را در دو ۱۰۰ متر به ثبت رسانده است.

پیستوریوس، از پروتز هایی در فرم دو تیغه استفاده می کند. این پاها با خاصیت ارتجاعی فوق العاده خود زندگی افرادی شبیه به پیستوریوس را به کلی متحول کرده است. جهان ورزش در کنار جامعه ارتوپدی از مشاهده این ورزشکار حیرت زده بر جای ماندند و به کارایی بی نظیر فیبر کربن ایمان آوردند.

ارتوپدی به درمان مشکلات و اختلالات به وجود آمده در سیستم اسکلتی-عضلانی و رباط های بدن می پردازد. پیشرفت های به عمل آمده در این علم، دستگاه ها و اندام های مصنوعی متنوع  بیشماری را در اختیار بیماران و جامعه پزشکی قرار داده است.

نقص عضو بزرگترین آسیبی است که فرد را از انجام فعالیت های فردی باز می دارد. علم ارتوپدی با بررسی آلیاژ ها و ویژگی های منحصر به فرد بدن انسان، به دنبال انتخاب اعضای جایگزین مناسبی برای این بیماران است. در همین راستا شاهد ظهور فیبر کربن به عنوان جدیدترین آلیاژ مورد استفاده در ساخت پروتزها بوده ایم.

در گذشته افرادی که به نقص عضو دچار می شدند، دیگر قادر به ادامه زندگی عادی خود نبودند. از این گذشته، انتخاب های موجود نیز به مراتب محدود تر بود. در آن زمان قطع عضو ورزشکار به معنای خداحافظی با روزهای اوج و افتخار بود. اما امروزه پنجه کربنی نام تجاری پارس فلکس به یاری ورزشکاران آمده است. امروزه شاهد حضور ورزشکارانی چون پیستوریوس هستیم که با استفاده از پنجه کربنی در عرصه های مسابقات کشوری و بین المللی حضور می یابند.

در ادامه به شرح مختصری از تاریخچه استفاده از فیبر کربن، نحوه ساخت این الیاف، طریق تولید پروتز های فیبر کربنی و ویژگی های فیبر کربن می پردازیم.

فیبر کربن آخرین دستاورد جهان پروتز

تاریخچه پنجه کربنی

نخستین آزمایشات به عمل آمده در خصوص استفاده از پنجه کربنی در ساخت پروتز ها، به سال ۱۹۶۶ و تلاش های جمعی از پزشکان انگلستان باز می گردد. در همان روزهای نخست تولید این ماده، توجه بسیاری را به ویژگی های منحصر به فرد فیبر کربنی در ساخت پروتز ها و دیگر سازه های دست ساز بشر جلب کرد.

نتایج بدست آمده از استفاده این ماده در ساخت پروتز بسیار خیره کننده ولی بهای ساخت این پروتز ها بسیار گزاف بود. البته در آن زمان به درستی از این الیاف ها استفاده نمی شد. پس از گذشت چند سال شاهد ارتقا صنعت فیبر کربنی و ساخت سوکت های منعطفی از جنس فیبر کربن بودیم.

اکنون بیش از یک چهارم قرن است که شاهد حضور پنجه کربنی در عرصه های مختلف تولید هستیم. در طی این مدت از این ماده در ساخت پروتز ها، کمربند های آرتروز و کفش های متفاوتی استفاده شده است. امروزه اما با وجود پیشرفت های به وجود آمده در خصوص فیبر کربن شاهد استفاده این ماده در ساخت پروتز ها هستیم. زیرا پنجه کربنی، به عنوان تحولی شگرف سطح کیفی زندگی بشر را به شدت بالا برده است.

پیشگفتاری در خصوص پنجه کربنی یا فیبر کربن

فیبر کربن از اتصال اتم های کربن به یکدیگر تشکیل شده است. این اتم ها در اتصالی منظم زنجیره ای از اتم های کربن را تشکیل می دهند. این رشته از استحکام بسیار بالایی برخوردار است. رشته های تشکیل شده توسط کربن، از وزن بسیار کمی برخوردار هستند. استحکام فوق العاده بالا و وزن سبک این رشته ها، پنجه کربنی را به آلیاژ مناسبی در ساخت پروتز ها تبدیل کرده است.

فیبر کربن در انواع متفاوتی تولید شده است. که هر یک از این فیبرها در تولید اندام های خاصی مورد استفاده قرار می گیرند. ویژگی های الیاف کربن به فلز استیل شباهت دارد. در حالی که این رشته ها از وزنی به اندازه پلاستیک برخوردار هستند. همین امر نشان دهنده استقامت و استحکام بالای این فیبر ها است.

در دنیای مهندسی پزشکی و مهندسی، کیفیت یک متریال را با احتساب نسبت استحکام به وزن و نرمی به وزن ارزیابی می کنند. پنجه کربنی با سربلندی در آزمون های مربوطه یکی را پس از دیگری پشت سر گذاشته و به متریال محبوب صنعت مهندسی پزشکی در ساخت و طراحی پروتز ها تبدیل شده است.

فیبر کربن چگونه تهیه می شود

بخش اعظم این الیاف ها را اتم های کربن تشکیل داده اند. اتم های کربن در کنار یکدیگر قرار گرفته و رشته های مستحکم فیبر کربن را تشکیل می دهند. اما در ساخت این ماده علاوه بر اتم های کربن از گاز ها، مایعات و دیگر متریال نیز استفاده می شود. هر یک از مواد اولیه به کار رفته در ساخت پنجه کربنی، ویژگی های متمایزی را به این محصول می افزایند. پنجه کربنی از نرمی بالایی برخوردار است. استقامت و استحکام این محصول به شدت بالا است، در حالی که این ماده از وزن بسیار پایینی برخوردار است.

الیاف یا فیبر کربن از قطری معادل ۵ تا ۱۰ میکرومتر برخوردار هستند. برای اینکه به میزان باریک بودن این رشته ها پی ببرید، باید بگویم ۵ تا ۱۰ میکرومتر برابر است با ۰.۰۰۰۰۳۹ اینچ. پنجه کربنی تا دو برابر از استیل نرم تر و تا ۵ برابر از استیل مستحکم تر است. مقاومت بالای این الیاف در مجاورت دماهای بسیار بالا حیرت آور است.

فیبر کربن در مقابل مواد شیمیایی از مقاومت بالایی برخوردار است و با وجود مقاومت بالای این ماده، میزان انقباض انبساط مشاهده شده در این ماده بسیار ناچیز است. همین ویژگی ها این ماده را به یکی از محبوب ترین مواد اولیه در صنعت هوافضا، پدافند های نظامی و صنعت اتومبیل سازی کرده است. این فیبر به مراتب گران تر از فیبر شیشه و فایبر پلاستیک است.

نحوه تولید پروتز با استفاده از فیبر کربن

با توجه به مقاومت و دوام بسیار بالای این ماده، شاهد استفاده فراوان آن در جامعه پزشکی بوده ایم. فیبر کربن در نگاه نخست و قبل از این که در فرایند تولید پروتز به کار برده شود ساختاری غیر منسجم و ناپایدار دارد. اما پس از اینکه به خوبی با رزین اپوکسی ترکیب می شود، پنجه کربنی مستحکمی را ایجاد می کند.

رزین اپوکسی به کار رفته در این پروتز هافیبر کربن را در جایگاه مورد نظر، ثابت می کند. با فشاری که بر فیبر و رزین وارد می شود، فیبر کربن به خوبی منسجم و پایدار می شود. ترکیب فیبر کربن و رزین، ماده بسیار قدرتمندی را تولید می کند این ماده به مراتب از فلزات و دیگر فیبرها مستحکم تر است. به همین دلیل این فیبر قابلیت بالایی در حرکت و بازگشت انرژی برخوردار است.

فیبر کربن به خوبی قانون هوک را به تصویر می کشد همین موضع بر محبوبیت این ماده در ساخت پروتز افزوده است. قانون هوک به خاصیت کشسانی اجسام اشاره دارد. بر اساس این قانون، برخی از اجسام پس از کشیده شدن به خوبی ساختار اولیه خود باز می یابند. این ویژگی به وضوح در پروتز های ساخته شده با فیبر کربن دیده می شود. قانون هوک دویدن و جست و خیز با این پروتز ها را به زیبایی تمام ممکن کرده است.

 ویژگی های فیبر کربن

نسبت توان به وزن در پنجه کربنی چشمگیر است

میزان مقاومت یک ماده بر مبنای، نیرو در واحد سطح تقسیم بر چگالی محاسبه می شود. هر ماده ای که در عین استحکام از وزن پایینی برخوردار باشد، از نسبت توان به وزن بالایی بهره مند است. موادی مانند، آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیم، کربن، فیبر شیشه و آلیاژهای فلز از نسبت توان به وزن بالایی برخوردار هستند.

فیبر کربن بسیار سخت و استوار است

سختی یا نرمی یک ماده بر اساس مدول یانگ ارزیابی می شود. در این مدول از نسبت تنش به کرنش استفاده می شود. به منظور اندازه گیری میزان سختی و نرمی یک ماده، تغییرات ماده را در شرایط غیر استاندارد و زیر فشار مضاعف زیر نظر می گیرند. بر این مبنا، فیبر کربن تا ۴ برابر از پلاستیکی که با شیشه مقاوم سازی شده، مقاوم تر است علاوه بر این، این فیبر تا ۲۰ برابر از چوب کاج مستحکم تر است. این ماده در مقایسه با آلومینیوم نیز ۲.۵ برابر محکم تر و مقاوم تر است.

مقاومت بالای پنجه کربنی در مقابل مواد شیمیایی و خوردگی

اگرچه فیبر کربنی به خودی خود کیفیت خود را از دست نمی دهد، اما اپوکسی به کار رفته در این فیبر به نور خورشید حساس است و باید به خوبی محافظت شود. در راستای حفظ این میزان از مقاومت در فیبر کربن، اقدامات لازم در راستای ارتقا سطح کیفی و مقاومت مواد دخیل در تهیه پروتز های کربنی نیز لحاظ می شوند.

پنجه کربنی رسانای جریان الکتریسیته است

این ویژگی سودمند و در عین حال کمی دردسر ساز است. در صنایعی مانند صنعت قایق سازی استفاده از این ماده موجب هدایت جریان و خوردگی ورق های گالوانیزه می شود. اما در پروتز ها با چنین مشکلاتی روبرو نیستیم.

مقاومت بالای فیبر کربن در مقابل فرسودگی

کامپوزیت فیبر کربن در مقابل فرسودگی از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است. اما در صورتی که فیبر کربن دچار فروپاشی و فرسودگی شود نیز شاهد فاجعه بزرگی خواهیم بود. چرا که این ماده هیچ نشانه ای از فرسودگی را از خود بروز نمی دهد. در این حالت فیبر کربن ناگهان ساختار خود را از دست می دهد. آسیب های گزارش شده بر اثر فرسودگی غالباً پس از اعمال استرس و فشار مضاعف بر اندام های جایگزین گزارش شده است.  با این همه، سفتی و مقاومت این فیبر در برابر فرسودگی از فیبر شیشه به مراتب بالاتر است.

مقاومت فیبر کربنی در برابر کشش بالا است

مقاومت کششی و مقاومت کششی نهایی این ماده بسیار بالا است. در حقیقت مقاومت کششی ثبت شده از فیبر کربن از میزان نیرو کششی قابل تحمل دیگر مواد به مراتب بالاتر است. بسیاری از مواد در مواجهه با چنین فشاری با کشش بیش از اندازه و “گردنی شدن” در سطح مقطع خود روبرو می شوند. به منظور درک بهتر این موضوع بهتر است یک نوار باریک از یک کیسه پلاستیکی را جدا کرده و تا جای ممکن بکشید. نوار پلاستیک به کشیده شدن ادامه داده و در یک زمان خاص به شدت نازک می شود. این پدیده را گردنی شدن یا Necking می نامیم. واحد اندازه گیری کشش، نیرو بر واحد سطح است. مواد شکننده لزوماً در یک نقطه مشابه دچار Necking نمی شوند.

فیبر کربن آخرین دستاورد جهان پروتز

فیبر کربن غیر قابل اشتعال است

با توجه به مواد اولیه به کار رفته در ساخت فیبر کربن می توان گفت در بسیاری از موارد از این ماده در ساخت لباس های آتش نشانی استفاده می شود. چرا که این ماده از مقاومت ذخیره کننده ای در برابر آتش برخوردار است. از آنجایی که این ماده به هیچ عنوان مشتعل نمی شود در محیطی مملو از زبانه های آتش نیز بدون آسیب باقی می ماند. این ویژگی، پروتز های ساخته شده از این ماده را به مراتب گران بها تر می کند. چرا که این ماده در مقابل آتش و حرارت بالا به شدت مقاوم است.

فیبر کربن رسانای حرارتی فوق العاده

رسانای حرارتی به معنای انتقال گرما در سطح اجسام است. گرما به واسطه شیب دما از قسمتی از جسم به بخش دیگر هدایت می شود. میزان رسانش گرمایی یک جسم در دما و شرایط استاندارد محاسبه می شود. در حقیقت میزان رسانش گرمایی به سرعت زمان و سادگی انتقال گرما از یک سو به سوی دیگر جسم است.

از آنجایی که فیبر های کربنی از تنوع بسیار بالایی برخوردار هستند، نمی توان بازه مشخصی را به رسانش گرمایی این ماده اختصاص داد. پنجه کربنی ها در مدل های مختلف تولید شده اند. این فیبر ها از مقاومت و رسانش متفاوتی برخوردار هستند برخی از نمونه ها از رسانایی سرما و سایر نمونه ها دارای قابلیت رسانایی گرمایی هستند.

ضریب انبساط حرارتی پایین

این ویژگی به میزان انبساط و انقباض ماده اشاره دارد. ضریب انبساط حرارتی پایین پنجه کربنی، آن را به ماده فوق العاده ای در ساخت پروتزها کرده است. چرا که حرکاتی در پروتز ها گنجانده می شود که از ظرافت بسیار بالای برخوردار است. زمانی که پروتزی برای بخش های مختلف بدن انسان تهیه می شود، نیازمند انعطاف پذیری بسیار بالایی است. به همین دلیل فیبر کربن به دلیل برخورداری از ضریب انبساط حرارتی پایین، انتخاب بسیار مناسبی جهت ساخت پروتز است.

غیر سمی و نفوذ پذیر در مقابل اشعه ایکس

غیرسمی بودن در کنار ویژگی های بیولوژیکی ثابت فیبر کربنی بر محبوبیت این ماده در جامعه پزشک افزوده است. از این گذشته فردی که از پروتز های فیبر کربنی برخوردار است می تواند به سادگی از تکنولوژی تصویربرداری با اشعه ایکس استفاده کند. این الیاف در نگهداری و تعمیر رباط ها و لوازم مورد استفاده در اتاق های تصویربرداری نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

اگر چه فیبر کربن به هیچ عنوان سمی نیست اما در صورتی که مستقیماً با پوست در تماس باشد، در دراز مدت می تواند موجب تحریک پوست شود. به همین دلیل در ساخت پروتز ها نیز این مسئله به خوبی در نظر گرفته شده است.  به همین دلیل از ترکیب این ماده با اپوکسی و رزین هایی در ساخت پروتز استفاده می شود. به این ترتیب پوست به واسطه تماس طولانی مدت با پروتزها، به هیچ عنوان تحریک نمی شود.

فیبر کربن از جمله الیاف های گران قیمت است

اگر چه مزایا و ویژگی های فیزیکی، این فیبرها از جمله استقامت و مقاومت در برابر فرسودگی و همینطور وزن بسیار پایین این ماده، موجب محبوبیت این ماده شده است. اما هزینه استفاده از این فیبرها به شدت بالا است. وزن بسیار پایین این ماده در صنعت ورزش و هوافضا بسیار کاربردی است. وزن پایین و مقاومت بالای این ماده در ساخت پروتزها نیز تحول بزرگی را ایجاد کرده است. به همین دلیل هزینه بسیار بالای تهیه و تولید این ماده، با در نظر گرفتن تمام مزایا و ماندگاری بسیار بالای این ماده بسیار مقرون به صرفه است.

تعیین معیاری جهت میزان شیک بودن این ماده، ساده نیست. اما ظاهر متفاوت این فیبرها باعث شده است، مردم بهای گزافی را جهت تهیه پروتزی با این الیاف بپردازند. در ساخت پروتز ها به فیبر کربن کمتری در مقایسه با فیبر شیشه نیاز است. بنابراین این موضوع به عنوان یک توجیه اقتصادی خوب در نظر گرفته می شود.

فیبر کربن بسیار شکننده است

لایه های موجود در الیاف پنجه کربن، از پیوندهای کووالانسی بسیار مستحکمی ایجاد شده اند. اما همین ساختار لایه لایه این ماده را در  برابر شکستگی آسیب پذیر کرده است. در صورتی که الیاف خم شوند و ترکی در الیاف به وجود آید، ممکن است شاهد شکستن فیبر کربن باشیم. البته با استفاده از اپوکسی در ساخت پروتز ها،   حدالامکان از میزان شکنندگی این ماده کاسته شده است.  اپوکسی استفاده شده در ساخت پروتز پنجه کربنی بر میزان استحکام و انعطاف پذیری این ماده افزوده است. علاوه بر این در ساخت این پروتز ها از مواد دیگری نیز استفاده می شود. دیگر مواد به کار رفته در ساخت این پروتز ها، نقاط قوت فیبرکربن را تقویت و نقاط ضعف موجود در این ماده را به کلی برطرف می کنند.

Source: www.compositesworld.com, www.oandplibrary.org, www.materialsciencejournal.org