Функциональные возможности ортезов из карбоновых тканей
В лечении ортопедических заболеваний издавна широко применяются механические приспособления, получившие наименование ортопедических аппаратов. Первые упоминания о примерах шинирования при травмах относятся ещё к цивилизациям Древнего Египта и Греции. Позже, в Европе к 14 веку результатом войн явился побочный медицинский продукт – железный корсет. Широкое использование механических принципов привело к созданию ортопедических аппаратов еще в глубокой древности. Уже в 210 г. х. э. Целий Аурелиан (Caelius Aurelianus) впервые описал шины при параличах. А. Паре (A. Pare, 1501 г.) во Франции и одновременно Арцеус (Arceus) в Испании предложили довольно сложные ортопедические аппараты для лечения косолапости. Фабриций Аквапенденте (Fabricius Aquapendente,? 619 г.) применял для лечения всевозможных деформаций универсальную железную кирасу, напоминающую рыцарские доспехи.
В «Практическом руководстве по ортопедии» в 1936 году Р.Р.Вреден определил главные требования, предъявляемые к ортопедическим аппаратам:
Уступая гипсовым повязкам в точности моделировки, доступности и дешевизне, ортопедические аппараты имели преимущество в съемности, что важно для наблюдения и осуществления лечебных процедур. Как правило, ортопедические аппараты изготавливались из кожи, реже из материи, и укреплялись металлическими шинами. Суррогатом кожи могла служить ткань (трикотаж, парусина), пропитанная клеем, желатином, эмалетином. Ортопедические аппараты изготавливались индивидуально по специальным гипсовым моделям.
Длительное время при изготовлении ортопедических аппаратов для их каркаса использовались металлические шины, которые потом обшивали кожей (шинно-кожаные аппараты). Такие конструкции аппаратов требовали создания для пациентов специальной обуви и одежды, что неблагоприятно сказывалось на их психологическом и функциональном качестве эксплуатации такого приспособления.
Последнее десятилетие прошлого века и в начале XXI века широко стали использоваться полимерные термопластики, которые позволили принципиально изменить методику консервативного лечения и реабилитацию травматологических и ортопедических больных в послеоперационном периоде.
Технология изготовления из термопластика ортезов позволяет хорошо адаптировать их по контурам конечности и, таким образом, расширить показания для применения на различных стадиях лечения переломов и часто до консолидации перелома позволяет вернуть конечности утерянную функцию. Инвалидам с нарушениями и деформациями опорно-двигательного аппарата — проводить динамическую коррекцию в процессе лечения в одном и том же ортезе с учетом восстановления утерянной функции.
В готовых ортезах, при применении современных термопластмасс, основными недостатками изделия при эксплуатации являются: сохраняющаяся толщина стенки от 0,5 см до 1,5 см; конструктивное исполнение ортопедических аппаратов из отдельных гильзы на смежные сегменты конечности со встраиванием в последствии в них шарнирных и упругих элементов с применением соединяющих металлических шин; небольшие сроки эксплуатации полимерных изделий по отношению с кожно-металлическими.
Но уже сегодня на смену пластмасссам приходит новое поколение конструкционных материалов – полимерные композиционных материалов (ПКМ), армированных фиброволокнами. Наиболее предпочтительной и обеспечивающей высокое, стабильное качество является технология формования изделий из препрегов ПКМ.
Препрег (pre-preg) – готовый для переработки продукт (полуфабрикат) предварительной пропитки термореактивным связующим упрочняющих материалов тканой и нетканой структуры, применяемый в производстве изделий из армированных полимерных композиционных материалов.
Упрочняющие (армирующие) материалы в составе препрегов могут иметь различную структуру: однонаправленная форма – мононити, расположенные в определенном направлении; тканая форма различного плетения – полотняное, атласное (с различным количеством нитей в основе и утке) и саржевое. Однонаправленная форма материала, обеспечивает упрочнение с максимальной эффективностью в одном направлении. Тканая форма обеспечивает упрочнение в двух направлениях, с эффективностью в зависимости количества волокон и их направленности, а также хорошую драпируемость.
В производстве ортезов в настоящее время используются препреги с упрочняющими материалами на основе карбоновых, стеклянных, натуральных и синтетических (арамидных, лавсановых, нейлоновых и т.п.) волокон. В качестве связующего, как правило, используются различные модификации эпоксидных смол, позволяющих вести формование и полимеризацию композиционного материала при достаточно низких температурах (120-130°С) и достаточно низком избыточном давлении – под вакуумом, что расширяет спектр применяемых материалов, в том числе и вспомогательных, используемых при формовании изделий, упрощает технологию.
ПКМ армированные фиброволокнами имеют уникальные, по сравнению с традиционными материалами, массовые и механические характеристики.
Для наглядности ниже приведены сравнительные диаграммы массовых и механические характеристик материалов применяемых при изготовлении ортезов.
Применение ПКМ армированных фиброволокнами различных материалов позволяет уйти от металлических шин при конструировании ортезов (в т.ч. ортопедического аппарата на нижнюю конечность). Комбинированием в использовании той или другой форм структуры упрочняющих материалов с различными толщинами нитей (вида препрегов), а также варьированием количеством слоев препрегов и объемной формой (ребрами жесткости) при выкладке, можно получить практически любые необходимые прочностные и упругие характеристики в различных элементах и участках каркасов ортеза. Последнее особенно важно для выполнения в ортезе функции «динамических пружин» с заданными механическими показателями.
При вакуумной технологии формования препрегов существенно возрастает точность моделирования внутренней поверхности ортеза, за счет плотного облегания материалом гипсового слепка. Это в свою очередь повышает требования к более высокой точности обработки позитива и подготовки его для создания такого ортеза.
Для сравнения проведем анализ качественных характеристик такого ортопедического изделия как «Аппарата на всю ногу». Внешний вид этих изделий представлен на рис. 3, 4, 5. Аппараты изготовлены по разной технологии и из разных материалов. Однако основное требование – разгрузку и фиксацию поврежденной конечности они выполняют все. Все эти ортезы выполняются по слепочной технологии.
Рис. 1. Металлокожанный аппарат выпускаемый с 19?? года
Подгонка и сварка металлического каркаса аппарата трудоемка по технике выполнения и по времени изготовления и требует высокого мастерства техника по моделированию металлических шин на слепке, причем добиться плотного облегания изделия по всей площади конечности практически не удается и каркас в основном, плотно облегает, только костные выступы конечности. После обшивки кожей металлического каркаса аппарат готов к эксплуатации. Основным недостатками этого аппарата является громоздкость конструкции; вес аппарата около 2 кг; сроки выполнения заказа от 2 до 6 недель и отсутствие точности подгонки по площади сегмента. Поэтому эти аппараты назначали к применению как функционально-постоянные ортезы и применялись у лиц со стойко развившимися нарушениями нижней конечности для восстановления ее опорности и крайне редко применялись в лечебных целях.
Рис. 2. Полимерный аппарат (АН8-53Ц32) с металлическими шинами и шарнирами выпускается с 19?? года
Аппарат изготавливается методом вакуумной формовки по индивидуальному слепку. Представляет собой конструкцию, состоящую из трех полиэтиленовых гильз: гильзы бедра, голень и стопа, соединенных между собой посредством металлических шин с шарнирами одноименных суставов. Во время эксплуатации рекомендовано надевать на ногу хлопчатобумажный чулок. Вес аппарата в сборе около 1 кг, срок изготовления около 2-3 дней. К основным недостаткам аппаратов из полиэтилена можно отнести повышенную потливость конечности, что требует от пациента более тщательно соблюдения правил гигиены и менее длительный срок эксплуатации изделия по отношению к предыдущему. За счет хорошо адаптированных гильз аппарата к поверхностям сегментов конечности и быстрого выполнения от момента назначения расширяются показания к назначению аппарата для лечения определенных патологий.
Назначается при вялых и спастических параличах, парезах мышц нижней конечности различной этиологии, при специфических и неспецифических воспалительных заболеваниях (в подострой стадии и стадии ремиссии); с целью коррекции и профилактики при деформациях голени и бедра (вальгусной, варусной и рекурвации) в сочетании с небольшими контрактурами в коленном и голеностопном суставах; с целью временной иммобилизации при нестабильном остеосинтезе и при замедленной консолидации переломов, при ложных суставов костей голени и бедра, а также при посттравматической нестабильности или нестабильности после эндопротезирования коленного сустава.
Рис. 3 (А, Б, В, Г). Аппарат из препрега с металлическими шарнирами выпускается с 2009 года
Аппарат представляет собой общую жестко-эластичную конструкцию, изготавливаемую на гипсовом позитиве по специальной технологии из препрега без металлических шин. Главная идея заключается в правильном комбинировании той или другой форм структуры упрочняющих материалов с различными толщинами нитей, а также варьирование количеством слоев и объемным формованием препрегов при выкладке. Это обеспечивает получение необходимых прочностных и упругих характеристик в различных элементах и участках каркасов ортеза и возможность выполнения в ортезе «динамических пружин» (рис. 3.Г) с заданными механическими показателями. Аппарат обеспечивает стабильное удержание сегментов конечности (бедра, голени и стопы) в заданном положении за счет заложенной упругости всей системы и жесткостого крепления шарниров в ортезе. Вес аппарата в сборе 800 гр. За счет создания необходимой упругости общего каркаса изделия уменьшаются такие негативные явления: - как смещения гильз ортеза относительно друг друга в местах фиксации металлических шин; - уменьшение поршневых движений конечности внутри изделия. При этом увеличение сроков службы ортеза происходит в несколько раз за счет новых прочностных характеристик материала. Снижается потливость сегмента тела в изделии.
Только при этой технологии изготовления в полной мере соблюдаются основные требования к ортопедическому изделию:
Назначаетсяпри вялых или спастических параличах, в том числе после перенесенного полиомиелита, острого нарушения мозгового кровообращения (инсульта и др.); при парезах мышц нижней конечности различной этиологии, при специфических и неспецифических воспалительных заболеваниях (в подострой стадии или ремиссии); с целью коррекции и профилактики деформации голени (вальгусной, варусной или рекурвации) в сочетании с небольшими контрактурами в коленном и голеностопном суставах.
Рис. 4. Сравнительная оценка веса различных аппаратов
Приведем клинический пример. У больного М. 47 лет после перенесенного ОНМК развился вялый парез правой нижней конечности. Активных самостоятельных движений в конечности нет. При отсутствии ортопедического аппарата может ходить только при помощи костылей без нагрузки на поврежденную конечность. Последние несколько лет больной пользовался полимерным ортопедическим аппаратом, в котором ходит при помощи трости. Больному изготовлен аппарат по новой технологии из препрега с выполнением «динамической пружины» в голеностопном отделе. Принципиальную функциональную разницу больной отметил и сразу на примерки и через неделю эксплуатации. Отличия заключались в том, что пациент отметил возможность более устойчивой ходьбы с большим комфортом, что в домашних условиях позволило отказаться от дополнительной опоры. Комфортность эксплуатации обусловлена незначительным весом аппарата с четкой и жесткой фиксацией конечности и наличия пружинящей упругости в стопе и голени при ходьбе. То есть в этом аппарате появилась возможность частично восстановить физиологические фазы шага в частности перекат и возможность отталкивания от пола переднего отдела стопы.
Рис. 5. Фазы шага пациента в аппарате по технологии «препрега»
Выводы:
1. Многие отрасли только открывают преимущества армированных фиброволокнами композиционных материалов над обычными пластмассами. Препреги дали важный толчок производству изделий из армированных полимерных композиционных материалов в конце ХХ века. Находя применение во всех всемирных аэрокосмических проектах, они дают также возможность осуществить самые смелые мечты проектировщиков в самых различных отраслях, в том числе и при производстве протезно-ортопедических изделий.
2. Использование специального полимерного композиционного материала - препрега создают возможность создавать общую жестко-эластичную конструкцию без металлических шин. За счет комбинирования той или другой форм структуры упрочняющих материалов с различными толщинами нитей, обеспечивает получение необходимых прочностных и упругих характеристик в различных элементах и участках каркасов ортеза. Это в свою очередь обеспечивает стабильное удержание сегментов конечности (бедра, голени и стопы) в заданном положении за счет заложенной упругости всей системы и жесткого крепления шарниров в ортезе.