سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی

[سیندخت 18786]

مقدمه:

 

 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.

 

مزیت های این مواد عبارتند از:

1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت

2)افزایش طول عمر مفید امپلنت

3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.

 

کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.

یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

 

 

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟

 

 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.

 

این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.

این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.

 

یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

[سیندخت 18786]

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

 

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

[سیندخت 18786]

مزایا و معایب سرامیک ها

 

 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

 

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:

تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

 

مدول یانگ بالا

 

 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

 

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان

 

 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.

سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.

خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.

بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.

 

 

کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :

استخوان اسفنجی (Can Cellaus)

استخوان متراکم (Cortical)

استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

 

 

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.

 

 

اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.

از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

 

 

منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

[سیندخت 18786]

آلومینا و زیر کونیا

 

 

آلومینا و زیر کونیا دو بیوسرامیک نسبتاًً خنثی هستند .این دو ماده در هنگام استفاده شدن در بدن برای اهداف طولانی مدت به صورت اندک دچار تغیرات شیمیایی در مایعات بدن می شوند. آلومینایی با دانستیه وخلوص بالا >99.5y)) در ساخت برخی از امپلنت های مخصوصاً پروتزهای مفصل ران استفاده می شود. درسال 2006 ، بیش از اپروتز مفصل ران (hip Protheses) استفاده شده است که در آن از یک گلوله ی آلومینایی به عنوان بخش بالایی (گوی ران ) استفاده شده است. شکل 1 بخش بالایی یک پروتز مفصل ران را با گلوله ی آلومینایی نشان می دهد اداره ی دارو و غذای آمریکا (FDA) درسال 1982 ، اجازه ی استفاده از آلومینا دراین کاربر را صادر کرده است.

اگر چه امپلنت های دندانی ساخته شده از آلومینا از تک کریستال ها ساخته می شوند اما بیشتر امپلنت های آلومینایی از پلی کریستال های با دانه های بسیار ریز ساخته می شوند. این نوع امپلنت ها معمولاً بوسیله ی فرآیند پرس پس از زینترینگ در دماهای بالا تولید می شوند. مقدار کمی MgO ( کمتر از O.5 درصد) به آلومینا افزوده می شود تا از رشد دانه ها جلوگیری کرده واجازه دهد تا دانسیته ی بالا بوسیله ی زینترینگ بدون اعمال فشار پدید آید. جدول 1 لیستی از خواص فیزیکی بیوسرامیک های آلومینا یی آورده شده است.

سازمان استاندارد جهانی (ISO) در مورد آلومینا استانداردهایی ارائه کرده است. ISO6474 استاندارد آلومینای مورد استفاده درساخت امپلنت ها ست .این استاندارد در سال 1994 ارائه شده است. (ISO: سازمان بین المللی استاندارد) البته باید گفت که علاوه بر ISO ، سایر سازمان های استاندارد نیز برای آلومینای مورد استفاده در کاربردهای پزشکی استاندارد خاص خود را دارند. مهمترین ویژگی یک امپلنت این است که طول عمر بیمار را افزایش دهد. به دلیل طبیعت ترد سرامیک ها ،پیش بینی دقیق طول عمر یک امپلنت امکان پذیر نیست. ولی این مسئله واضح است که افزایش نیرو و زمان بارگذاری باعث افزایش احتمال شکست سرامیک می شود. نتایج حاصله از آزمایشات خستگی و . ...نشان می دهد که باید امپلنت های آلومینایی با بالاترین استاندارد موجود ساخته شوند، مخصوصاً اگر امپلنت به عنوان یک امپلنت ارتوپدیک در بیماری جوان استفاده شود.

 

 

اگر چه سرامیک های آلومینایی دارای زیست سازگار پذیری مناسبی بوده و مقاومت به سایش خوبی دارند. ولی آنها دارای استحکام خنثی پایینی بوده وتافنس پایینی دارند. این مسئله باعث می شود تا ابعاد امپلنت های آلومینایی دارای محدودیت باشند وقطر اکثر آنها بیش از 32 میلی متر باشد. سرامیک های زیرکونیای دارای تافنس شکست واستحکام خنثی بالاتر ومدول یانگ پایین تری نسبت به سرامیک های آلومینایی هستند. به هر حال درمورد زیر کونیا نیز مسائلی وجود دارد.

 

استحکام خنثی و تافنس سرامیک های زیر کونیایی درمواجهه با مایعات بدن به میزان اندکی کاسته می شود. این مسئله به دلیل استحاله ی مارتنزیت فاز تتراگونال به مونو کلینیک اتفاق می افتد. یک چنین استحاله ای در محیط های آبکی مشاهده شده است . مقاومت سایشی زیر کونیا از آلومینا کمتر است . درترکیبات سرامیک، سرامیک ، سرعت سایش زیرکونیا می تواند به میزان زیادی از آلومینا بیشتر باشد. البته هنگامی که زیر کونیا با پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا ( VHMWPE) ترکیب شود، سایش مفرط پلیمر اتفاق می افتد.

زیر کویناممکن است دارای درصد پایینی عناصر رادیواکتیو با نیمه عمر طولانی مانند Th و U باشد، که جداسازی این عناصر مشکل وهزینه بر است.دراین زمینه بزرگترین مشکل این است که این عناصر پرتو ∝ (اتم هیلیوم دوبار مثبت) از خود ساتع می کنند که این پرتوها می تواند بافت های نرم و سخت اطراف خود را تخریب کند.اگر چه این فعل وانفعالات بسیار کم هستند ولی این سؤال وجود داردکه اثرات دراز مدت پرتوهای ساتع شده از سرامیک های زیر کونیایی به بدن چیست؟

[سیندخت 18786]

شیشه های بیواکتیو

 

 

مواد بیواکتیو بین امپلنت وبافت های اطرافش پیوند ایجاد می کنند.

Hench Andersson ( 1993) تعریفی از این مواد به صورت زیر اراته کردند:

یک ماده ی بیواکتیو ماده ای است که با بوجود آوردن یک پاسخ بیولوژیک در سطح خود موجب تشکیل پیوند بین خود و بافت ها می شود.

اولین مطالعات انجام شده در زمینه ی شیشه های بیواکتیو در دانشگاه فلوریدا انجام شد.این تحقیقات سبب تولید تجاری بیوگلاس 45S5 ( bioglass 45s5) شد. بیوگلاس 45S5 یک شیشه ی اکسیدی با ترکیب چند گانه است. که ترکیب مواد تشکیل دهنده ی آن عبارتست از 45% وزنی ، 24.5% وزنی ، 24.4 % وزنی CaO و 6% وزنی .

 

 

عناصر اصلی تشکیل دهنده ی شیشه های بیواکتیو امروزی نیز از همین 6 ماده است. (شیشه های بیواکتیو امروزی همگی از جنس شیشه های سیلیکاتی هستند.) به هر حال ساختار بیوگلاس 45S5 از شیشه های سیلیکاتی متفاوت است.شیشه های بیواکتیو دارای ساختار دو بعدی صفحه ای هستند که دارای دانسیته ی پایینی هستند.این ساختار باعث می شود درصد نسبی سیلیس در آنها کم باشد.بیوگلاس ها از لحاظ مکانیکی ضعیف هستند و دارای تافنس شکست پایینی هستند. این دو خاصیت به دلیل ساختار شیشه ای بوجود می آید.

شیشه های بیواکتیو را می توان بسهولت بوسیله ی فرایند های تولید سایر شیشه های سیلیکاتی تهیه کرد.دراین روشها اکسید های اصلی ویا ترکیباتی که پس از تجزیه تولید اکسید می کنند، با نسبت های معین مخلوط می شوند. در دمای بالا ذوب می شود. تا ذوبی هموژن پدید آورند.پس از سردکردن مذاب، شیشه بوجود می آید.به دلیل آنکه از شیشه های بیواکتیو در داخل بدن استفاده می شود. این مسئله ضروری است که مواد اولیه ی مورد استفاده خلوص بالایی داشته باشند وعملیات ذوب در بوته ی پلاتینی (یا آلیاژی از پلاتین) انجام می شود تا میزان ناخالصی ها حداقل میزان ممکنه باشند.

شیشه های بیواکتیو دارای خواص ویژه ای هستند که این خواص آنها را جهت استفاده شدن در بدن مناسب می کند.

 

مزایا:

واکنس سطحی این مواد نسبتاًً بالاست. که این مسئله منجر به پیوند سریع بافت به ماده می شود. این فرآیند دارای 5 مرحله است.سرعت واکنش ومکانیزم های هر کدام از بخش های این فرآیند بوسیله ی اسپکتروسکوپی FTIR محاسبه شده است. پیوند خوردن بافت به ماده ی بیواکتیو نیازمند رخ دادن واکنش های دیگری است که درحال حاضر مورد بررسی قرار نگرفته اند . امامی توان گفت که فرآیند پیوندخوردن هنگامی شروع می شود که بخش زنده بر روی لایه ی سیلیس ، هیدروکسی کربوآپاتیت جذب شود. علاوه بر این مدول یانگ این مواد در گسترده ی 30- 35MPa است که به مدول یانگ استخوان متراکم نزدیک است.

 

معایب.

این مواد از لحاط مکانیکی ضعیف اند. استحکام پیوند درحالت کششی به طور نمونه بین 40-60MPa است.علاوه بر این مسئله تافنس شکست این مواد پایین است.

به عنوان نتیجه ای از بحث بالا باید گفت شیشه های بیواکتیو در کاربردهای بار کش (bearing load) استفاده نمی شوند.به جای آن از آنها به عنوان پوشش در فلزات و وسایلی که میزان بار اعمالی بر آنها کم است یا حالت اعمال نیرو فشاری است، استفاده می شود. شیشه های بیواکتیو به دو شکل پودری وکامپوزیتی استفاده می شود. اولین استفاده ی موفق از بیوگلاس 45S5 ، استفاده از آن در استخوان کوچک گوش میانی است. حالت این استخوان در شکل 2 نشان داده شده است.

شیشه های بیواکتیو مخروطی شکل درجراحی های دهانی استفاده می شود. دراین کاربرد شیشه ی بیواکتیو عیوب بوجود آمده درفک ( به دلیل خارج شدن دندان ها ) را پر می کند. امپلنت های تولیدی از شیشه ی بیواکتیو همچنین برای ترمیم استخوان نگهدارنده ی چشم استفاده می شود.

شیشه های بیواکتیو در حالت پودری برای درمان بیماری های دندانی وناتوانی تحرک تارهای صوتی استفاده می شود. همچنین از این مواد در بازسازی استخوان فک نیز استفاده می شود.

 

 

منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton