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Title: Influência das propriedades do material do interface na marcha e perceção de dor e conforto de amputados transtibiais
Authors: Cavaco, Adriana Isabel Rodrigues 
Orientador: Durães, Luísa
Ramalho, Amílcar
Pais, Sandra
Keywords: próteses transtibiais; materiais de interface; caracterização termomecânica; marcha de amputados; perceção individual; transtibial prosthesis; interface materials; thermomechanical characterization; amputee’s gait; subject’s perception
Issue Date: 12-Jun-2017
Citation: CAVACO, Adriana Isabel Rodrigues - Influência das propriedades do material do interface na marcha e perceção de dor e conforto de amputados transtibiais. Coimbra : [s.n.], 2017. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/33420
Abstract: As especificidades dos indivíduos e as características e materiais constituintes de cada componente protésico devem ser consideradas para o sucesso da reabilitação de amputados transtibiais. O interface protésico, pela sua relação direta com a pele do coto e a estrutura rígida da prótese, é um dos componentes mais importantes. As elevadas temperaturas, sudorese e forças mecânicas geradas no contacto com o interface originam frequentemente desconforto, lesões cutâneas e diminuição da qualidade de vida. O objetivo deste trabalho consistiu no estudo das propriedades mais relevantes de interfaces de próteses transtibiais e sua influência na marcha e perceção individual de dor e conforto, bem como do sistema interface/prótese, de sujeitos com amputação. Para isso, foram selecionadas amostras de interfaces comerciais representativos dos materiais elastoméricos comummente utilizados e estas foram sujeitas a um estudo de caracterização abrangente. Os materiais selecionados foram: copolímero de blocos (I), gel de silicone (II) e elastómero de silicone (III). Foi realizada uma caracterização fundamental onde as propriedades químicas e físico-estruturais dos materiais, que não eram totalmente conhecidas foram avaliadas. Os materiais foram também caracterizados funcionalmente, considerando as suas condições de utilização, em termos térmicos e mecânicos. Por fim, o comportamento biomecânico dos materiais foi testado em amputados transtibiais durante um percurso de marcha e foram registadas informações sobre a sua perceção individual da prótese, da dor e do conforto relativamente a cada interface. Os materiais foram ainda sujeitos a um processo acelerado de envelhecimento, em suor humano sintético (90 dias), e caracterizados fundamental e funcionalmente com o objetivo de conhecer a estabilidade destes materiais com a utilização em contacto direto com a pele. Concluiu-se que os materiais não sofreram alterações significativas. No entanto, o material III mostrou ser o mais sensível a este processo, tendo-se observado uma ligeira amorfização na rede de silicone e um ligeiro aumento de rigidez. Dos resultados obtidos verificou-se que na estrutura química do material I prevalecem os blocos derivados de alcenos, enquanto os materiais II e III são semelhantes e com estrutura à base de ligações siloxano e grupos metilo. Todos os materiais são hidrofóbicos, de estrutura amorfa e termicamente estáveis na gama de temperaturas de serviço. O material II apresentou valores superiores de condutividade térmica, no entanto foi o material que apresentou maior rigidez e menor atrito e adesão. Este material foi percecionado pelos sujeitos como sendo o pior durante a utilização. Contrariamente, o material III foi o material que apresentou maior capacidade de dissipação de energia mecânica, maior atrito e adesão, tendo sido percecionado pelos sujeitos como o que proporciona melhor sensação/sensibilidade de temperatura e textura e menor diminuição de conforto. Concluiu-se assim que a perceção dos sujeitos se deve sobretudo a diferenças nas propriedades mecânicas dos interfaces e não na sua condutividade térmica (nas gamas de variação testadas). Comprovada a influência das propriedades do material na perceção dos sujeitos, considera-se que a prescrição dos interfaces do material I, pelas suas propriedades mecânicas (rigidez semelhante e menor capacidade de dissipação de energia comparativamente com o material III), deve ser repensada de forma a também incluir sujeitos com níveis de atividade menores (K1-K2). Já o material II só deve ser prescrito para situações de utilização pontual. Os interfaces do material III mostraram características adequadas aos níveis de atividade para os quais estão recomendados (K1-K2). As conclusões deste trabalho devem ser consideradas como guidelines de apoio à prescrição de interfaces protésicos aportando evidência científica à adequada protetização. Tendo-se confirmado que atualmente existe uma estagnação no desenvolvimento de novos de interfaces protésicos, pretendeu-se ainda com este trabalho estudar estratégias de desenvolvimento de novos interfaces à luz de conhecimentos e tecnologias já existentes noutras áreas do conhecimento. Sintetizaram-se assim dois compósitos com matriz de silicone e aditivo de nanotubos de carbono e cortiça, cujos objetivos essenciais foram aumentar a condutividade térmica, melhorar o comportamento mecânico e verificar a viabilidade dos interfaces serem confecionados individualmente com base nas características específicas de cada sujeito (à semelhança de outros componentes). Concluiu-se que as estratégias estudadas são viáveis para a aplicação pretendida, contudo necessitam de investigação mais aprofundada. Futuramente, poderão ser desenvolvidos estudos longitudinais sobre interfaces, em articulação com entidades prescritoras, de forma a avaliar a adequação dos K-levels na prescrição e proporcionar um contributo efetivo para a melhoria da qualidade de vida de sujeitos com amputação.
Individual’s specificities and the characteristics of the materials used in the components of the prosthesis must be considered for the success of the transtibial amputee’s rehabilitation process. The prosthetic interface, due its direct relationship with the stump skin and the rigid structure of the prosthesis, is one of the most important components. High temperatures, sweating and mechanical forces generated during gait often cause discomfort, cutaneous lesions and low quality of life. The aim of this work was to study the transtibial prosthesis interfaces characteristics and their influence on amputee’s gait and perception regarding pain, comfort and the interface/prosthesis system. For this purpose, commercial samples of interfaces, representative of the elastomeric materials most used, were selected and submitted to a comprehensive characterization study. The selected materials were: block copolymer (I), silicone gel (II) and silicone elastomer (III). A fundamental characterization was carried out, where the materials chemical and physical/structural properties that were not fully known, were investigated. Due their conditions of use, a functional characterization of the materials was carried out at the thermal and mechanical levels. Finally, the biomechanical behaviour of the materials was tested in transtibial amputees, during a gait path and information about their individual perception on the prosthesis, pain and comfort, concerning each interface, was recorded. The materials were artificial aged in synthetic human sweat (during 90 days), and also fundamentally and functionally characterized. This accelerated aging had the main objective of knowing the materials stability with the use in direct contact with the skin. It was concluded that the materials did not change significantly. However, material III showed to be the most sensitive to this process, having suffered a slight amorphization of the silicone network and a slight increase in stiffness. The obtained results indicated the prevalence of alkene-derived blocks in the chemical structure of material I, while materials II and III structure is based on siloxane bonds and methyl groups. All materials are hydrophobic, with amorphous structure, and are thermally stable in the service temperature range. Material II presented higher thermal conductivity values, however it was the material that presented higher stiffness and lower coefficient of friction and adhesion. This material was perceived by the subjects as being the worst during the use. Otherwise, material III showed the higher mechanical energy dissipation and the higher coefficient of friction and adhesion, being recognized by the amputees as the material that provides the best sensation/sensitivity of temperature and texture and lower decrease of comfort. Thus,it was concluded that the subject’s perception is mainly due to the mechanical properties of the interfaces and not their thermal conductivity (in the tested variation range). The material properties influence on the subject’s perception has been demonstrated. As result, it is considered that the prescription of material I, due its mechanical properties (similar stiffness and lower capacity of energy dissipation when compared to material III), should be rethought to include also subjects with lower activity levels (K1-K2). On the other hand, material II should only be prescribed for situations of non-daily use. The interfaces of material III showed characteristics suitable for the activity levels for which they are recommended (K1-K2). The conclusions of this work provide some interfaces’ prescription guidelines, giving scientific evidence to support a correct prosthetization. There has been a lack of progress in the development of new prosthetic interfaces, thus in this work, the study of strategies to develop new interfaces was also an objective. Based in other areas of knowledge and existing technologies, two composites with polydimethylsiloxane matrix and with carbon nanotubes and cork as additives were prepared. The purpose was to increase thermal conductivity, improve the mechanical behaviour and study the viability of a fabrication process of interfaces based on subject’s characteristics (like for other prosthetic components). It was concluded that the used approaches have viability for this application, however further research is needed. In the future, a longitudinal study on interfaces with collaboration of prescribing entities could be developed in order to evaluate the suitability of K-levels for the prescription and to provide an effective contribution to promote an improvement of the amputee subject’s quality of life.
Description: Tese de doutoramento Engenharia Biomédica, apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/33420
Rights: embargoedAccess
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