کاربرد بیو متریال سرامیکی در مهندسی پزشکی‌

کاربرد بیو متریال سرامیکی در مهندسی پزشکی‌


در طی چند دهه اخیر، بیوسرامیک‌ها با داشتن ویژگی‌هایی چون زیست‌سازگاری، غیرسمی بودن و پایداری در محیط فیزیولوژیک بدن، تحول چشمگیری در دنیای پزشکی به وجود آورده‌اند. استفاده از این مواد به منظور ترمیم و یا جایگزین بافت‌های آسیب‌دیده نظیر مفصل ، ران، زانو، کتف و دیگر کاربردهای ارتوپدی و نیز در جایگزینی دریچه‌‌های معیوب قلب و یا ایمپلنت‌های دندانی موجب شده است تا بیوسرامیک‌ها طیف گسترده‌ای از متریال مورد استفاده در پزشکی را در بر گیرند.

بیوسرامیک‌ها به واسطه ویژگی های خاص مکانیکی و فیزیکی در کاربردهایی چون ایمپلنت‌های بافت سخت، بر پلیمرها و فلزات برتری دارند. به عنوان مثال در دندانپزشکی نوعی از سرامیک‌‌ها با ترکیب فلوروآپاتیت و ذرات ریز شیشه زیستی به عنوان ماده جایگزین دندان کاربرد دارند و ویژگی‌های نوری و مکانیکی این مواد باعث می‌شود تا علاوه بر اینکه زیبایی و شفافیت دندان طبیعی به نظر برسد، نسبت به سایر مواد، مقاومت به سایش بیشتری در برابر تنش‌های ناشی از سایر دندان‌ها نشان دهد.

از دیگر محاسن این مواد آن است که هنگامی که در بدن فرد به عنوان ایمپلنت و یا حتی پوشش سطحی یک ایمپلنت فلزی به کار می‌روند، می‌توانند رشد استخوان‌ها را شبیه‌سازی کنند، ساختمان بافت را ارتقاء دهند ونیز از سیستم ایمنی بدن دفاع نمایند.

بیوسرامیک‌ها در جراحی‌ها به عنوان پوشش ایمپلنت‌های گوناگون کاربرد دارند، زیرا پوشش سرامیکی، سطحی سخت‌تر از فولاد ضد زنگ به وجود می‌آورد و با بالا بردن امکان لغزش، موجب کاهش سایش ایمپلنت می‌شود. از مهمترین گونه‌های این مواد می‌توان به بیوسرامیک های کلسیم فسفاتی(‌ (‌CaP اشاره کرد که در شکل‌های مختلف (قطعه، دانه، سیمان، اجزای کامپوزیت‌و ...) با منشأ متفاوت (طبیعی، بیولوژیکی و سنتتیک) و ترکیبات گوناگون به صورت تجاری و برای کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی در دسترس قرار دارند.ترکیبات کلسیم فسفات در طبیعت و سیستم‌های زیستی (ماهی‌ها، مرجان ها، استخوان گاو و ...) به فراوانی یافت می‌شوند و در سیستم‌های بیولوژیک نقش برجسته‌ای ایفا می‌کنند. به عنوان مثال کربنات هیدروکسی آپاتیت(‌(‌CHA با ساختارهای کریستالی و غلظتهای متفاوت،‌فازهای معدنی دندان (مینا، عاج، سمنتوم و ...) و استخوان‌‌ها را تشکیل می‌دهد. همچنین انواع ترکیبات کلسیم فسفاتی در هنگام کلسیم‌دار شدن‌های غیر طبیعی و پاتولوژیک در فرد ظاهر می‌شوند که سنگهای کلیه، آهکی شدن و رسوب کلسیم در بافت‌های نرم (قلب، رگ، ریه، و سنگ دندان از این نمونه‌اند. بنابراین نگاه به بیوسرامیک‌های کلسیم فسفاتی به عنوان یک متریال بالقوه در کاربردهای گوناگون ضروری است.‌

با توجه به آماری که در هشتمین نشست بین‌المللی سرامیک‌ها در پزشکی اعلام شد مقالات مرتبط با حوزه کلسیم فسفات و خصوصا، هیدروکسی آپاتیت 40 تا 70 درصد کل مقالات را شامل می‌شود که روز به روز در حال گسترش است. اکنون مختصری به چگونگی کاربرد بیوسرامیک‌های کلسیم فسفاتی می‌پردازیم.

موفقیت‌های کلینیکی زمانی حاصل می‌شوند که به طور همزمان به دو فاکتور پایداری فصل مشترک بافت و ایمپلنت، و تطابق رفتار مکانیکی ایمپلنت با بافت جایگزین شده دست یابیم. کلسیم فسفات‌هایی که منافذ ریز دارند، برای پوشش ایمپلنت‌های فلزی استفاده می‌شود و نیز به عنوان متریال پر کننده در فضایی که تحت بار نیست، قرار می‌گیرد تا رشد استخوان از درون آنها صورت گیرد. رویش درونی بافت از میان منافذ، توسعه‌ِی ناحیه‌ی بین بافت و ایمپلنت و در نتیجه افزایش مقاومت در برابر حرکات ایمپلنت‌ در بافت را به دنبال دارد.در استخوان طبیعی، پروتئین‌ها جذب طبقه کلسیم فسفاتی می‌شوند، به همین ترتیب بیومتریال کاشته شده نیز با سلول‌های استخوانی فعل و انفعالا‌تی خواهد داشت. همچنین بیومتریالهایی با قابلیت جذب مجدد(‌(‌Resorbable طراحی می‌شوند تا با گذشت زمان رفته رفته تنزل یافته و با بافت میزان جایگزین شوند، کلسیم فسفات‌های متخلخل مانند‌تری کلسیم فسفات به عنوان مواد قابل جذب در مواردی که به استحکام مکانیکی بالا نیاز نیست. مانند ترمیم استخوان فک و سر استفاده می‌شوند.در سطح ایمپلنت، مواد بیواکتیو یک لایه‌ی فعال بیولوژیکی تشکیل می‌دهند که در نتیجه در شکل پیوند بین بافت‌های طبیعی و بیو مواد تاثیر می‌گذارد، مواد بیواکتیو شامل شیشه یا شیشه -- سرامیک‌ها که منشأ اکسید سیلیسیم آپاتیتی دارند و یا به عنوان مثال هیدروکسی آپاتیت سنتتیک متراکم و کامپوزیت‌های پلی اتیلن -- هیدروکسی آپاتیتی در کاربردهای ارتوپدی (پیوند استخوان، پروتزها، فضاسازی بین مهره و ...) استفاده می‌شوند. حال به بررسی فاکتورهای طراحی و ساخت یک نمونه (به عنوان مثال استخوان مصنوعی) می‌پردازیم.‌انتخاب دقیق و مناسب متریال مورد استفاده به عنوان مهمترین بخش طراحی حائز اهمیت است. همچنین برای طراحی، می‌توان از نرم‌افزارهای خاصی بهره برد. این نرم‌افزارها برای طراحی بهینه شکل ایمپلنت و نیز برای شبیه‌سازی رفتار مکانیکی ایمپلنت با بافت الگو به کار می‌روند. یک تکنیک ریاضی هم به نام آنالیز المان محدود برای تعیین توزیع فشار روی ایمپلنت و ساختار بیولوژیکی به کار می‌رود.

نمونه‌های اولیه قبل از ساخت نهایی تحت آزمایشات گوناگون نظیر تستهای کلینیکی قرار می‌گیرد. بخش اعظمی از مواد خام اولیه را پودرهای سرامیکی با ترکیب ویژه و خلوص بالا تشکیل می‌دهند. افزودنی‌هایی نظیر چسب، روانساز و سایر مواد شیمیایی برای کمک به پروسه‌ی شکل دهی، به مواد خام اضافه می‌شوند. پودر اولیه همچنین ممکن است به کمک زینتر احتیاج داشته باشد. کمک زینتر به مواد سرامیکی کمک می‌کند تا در طول زینتروینگ و در بعضی مواقع در دماهای پایین‌تر از آن، به درستی متراکم شوند. پس از تشخیص نوع بیومتریال مورد استفاده ماده مورد نظر وارد پروسه‌ی ساخت می‌شود.‌استخوان مصنوعی را می‌توان با استفاده از دو روش ساخت: مرحله آماده‌سازی سنتی سرامیک و روش شیمیایی سل ژل، در روش سل ژل می‌توان از سوسپانسیون با ذرات بسیار ریز و یا محلولی با پرگرسرهای شیمیایی استفاده کرد. از آنجا که روش سنتی آماده‌سازی متداول‌تر است، به بررسی جزئیات آن می‌پردازیم.

مرحله اول، آماده سازی ماده خام است. این ماده به طور مستقیم قابل استفاده نیست و باید پودر سرامیک سنتتیک تهیه شود. معمولا با طی مراحل سنگ شکنی و آسیاب به سایز دلخواه پودر نمی‌رسیم و می‌توان از روش‌های مکانیکی و یا شیمیایی خاصی استفاده کرد. در روش مکانیکی، پودر سرامیکی و افزودنی‌ها به دقت وزن می‌شوند و سپس در انواع ماشین‌های مخلوط کن توسط رول‌های دورانی مخلوط می‌شوند. به عنوان مثال ماشین بال میل از یک استوانه‌ی چرخشی پر از مخلوط و یک واسط کروی برای پراکندن مواد و کاهش سایز ذرات استفاده می‌کند. یک سابنده نیز شامل مهره‌های ریز و یک همزن چرخشی برای به انجام رساندن این پروسه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بعد از مرحله اختلاط و رسیدن به سایز مناسب پودر، مواد سرامیکی با استحکام پلاستیکی آماده شکل‌دهی می‌باشند. روش‌های گوناگونی می‌تواند برای این منطور استفاده شود؛ از جمله قالب‌گیری تزریقی، گرم یا سرد کردن و یا پرس کردن در قالب‌گیری تزریقی مخلوط در سیلندر گرمایی بارگذاری می‌شود. در این هنگام از سختی آن کاسته شده و مخلوط نرم می‌شود. یک پیستون فولادین به مخلوط گرم نیرو وارد کرده و آن را به فرم قالب فلزی سرد شده، تبدیل می‌کند. گرم و سرد کردن‌ها موجب تجمع مواد در یک سیلندر با فشار بالا شده و سپس مواد با شکلی خاص به بیرون فرستاده می‌شود. پرس کردن نیز با فشردن در قالب فولادین صورت می‌گیرد و یا مواد در یک قالب لاستیکی، تحت فشار بالا و یکنواخت گاز یا آب قرار می‌گیرند.

روش دیگر پرس،که پرس گرم نامیده می‌شود شامل فرم دهی و گرمایش با استفاده از قالب گرمایی است. پس از شکل‌دهی، استخوان سرامیکی وارد مرحله خشک کردن می‌شود و باید تحت چندین عملیات حرارتی قرار گیرد. ابتدا خشک کردن مواد برای از بین رفتن رطوبت، با استفاده از کوره یا محفظه‌ی خشک کن انجام می‌گیرد و سپس یک کوره برای حرارت دادن مواد در دماهای بالا جهت حذف مواد آلی و متراکم کردن ماده به کار می‌رود. چرخه‌ی گرمایش به وضعیت ماده وابسته است و باید سرعت گرم کردن به طور مناسب طراحی شود تا مانع شکست نمونه گردد.‌بعد از این مرحله، ممکن است به یک یا دو مرحله پایانی نیاز باشد که با توجه به کاربرد نمونه مشخص می‌شوند. برای رسیدن به ابعاد و ظاهر دلخواه از سنباده و پولیش نیز استفاده می‌شود. سنباده یا پولیش کردن مواد سخت‌تر معمولاً نیاز به ابزار الماس دارد. مته‌کاری نیز در کاربردهایی که نیاز به شکل‌دهی خاص منافذ باشد، لازم است. اگر اتصال به دو یا چند جزء دیگر نیاز باشد، از روش لحیم‌کاری و یا چسب زدن نیز بسته به جنس نمونه استفاده می‌شود. در تمام پروسه ساخت، کنترل کیفیت هر مرحله برای افزایش کارایی محصول مهم است. در صورتی که تمامی مراحل طراحی و ساخت با موفقیت گذرانده شود، ایمپلنت سرامیکی آماده است تا در بدن بیمار کاشته شود. بدین ترتیب بیومتریال سرامیکی جایگزین بافت‌های آسیب‌دیده فرد می‌شود

/ 0 نظر / 111 بازدید