در طی چند دهه اخیر،بیوسرامیک ها با داشتن ویژگی هایی چون زیست سازگاری ،غیرسمی بودن وپایداری در محیط فیزیولوژیک بدن ،تحول چشمگیری در دنیای پزشکی به وجود آورده اند.استفاده از این مواد به منظور ترمیم و یا جایگزین بافت های آسیب دیده نظیر مفصل،ران ،زانو،کتف و دیگر کاربردهای ارتوپدی و نیز در جایگزینی دریچه های معیوب قلب و یا ایمپلنت های دندانی موجب شده است تا بیو سرامیک ها طیف گسترده ای از متریال مورد استفاده در پزشکی را در برگیرد.
بیوسرامیک هابه واسطه ویژگی های خاص مکانیکی و فیزیکی در کاربردهایی چون ایمپلنت های بافت سخت ،بر پلیمرها و فلزات برتری دارند.به عنوان مثال در دندانپزشکی نوعی از سرامیک هابا ترکیب فلوروآپاتیت و ذرات ریز شیشه زیستی به عنوان ماده جایگزین دندان کاربرد دارند و ویژگی های نوری و مکانیکی این مواد باعث می شود تا علاوه بر اینکه زیبایی و شفافیت دندان طبیعی به نظر برسد، نسبت به سایر مواد،مقاومت به سایش بیشتری در برابرتنش های ناشی از سایر دندان ها 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 می روند،می توانند رشد استخوان ها را شبیه سازی کنند ،ساختمان بافت را ارتقاء دهندو نیز از سیستم ایمنی بدن دفاع نمایند .
بیوسرامیک ها در جراحی ها به عنوان پوشش ایمپلنت های گوناگون کاربرد دارند،زیرا پوشش سرامیکی ،سطحی سخت تر از فولاد ضد زنگ به وجود می آورد و با بالابردن امکان لغزش،موجب کاهش سایش ایمپلنت می شود.از مهمترین گونه های این مواد می توان به بیوسرامیک هایکلسیم فسفاتی (CaP) اشاره کرد که در شکل های مختلف (قطعه ،دانه ،سیمان، اجزای کامپوزیت و ...)با منشأ متفاوت (طبیعی،بیولوژیکی و سنتتیک) و ترکیبات گوناگون به صورت تجاری و برای کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی در دسترس قراردارند.ترکیبات کلسیم فسفات درطبیعت و سیستم های زیستی (ماهی ها ، مرجان ها،استخوان گاو و ...)به فراوانی یافت می شوند و در سیستم های بیولوژیک نقش برجسته ای ایفا می کنند.به عنوان مثال کربنات هیدروکسی آپاتیت (CHA) با ساختارهای کریستالی و غلظتهای متفاوت ،فازهای معدنی دندان (مینا ، عاج ،سمنتوم و ...) و استخوانها را تشکیل می دهد.همچنین انواع ترکیبات کلسیم فسفاتی در هنگام کلسیم دار شدن های غیر طبیعی و پاتولوژیک در فرد ظاهر می شوند که سنگ های کلیه ، آهکی شدن و رسوب کلسیم در بافت های نرم (قلب ، رگ و ریه ) از این نمونه اند.بنابراین نگاه به بیوسرامیک های کلسیم فسفاتی به عنوان یک متریال بالقوه در کاربردهای گوناگون ضروری است.
با توجه به آماری که در هشتمین نشست بین المللی سرامیک ها در پزشکی اعلام شد مقالات مرتبط با حوزه کلسیم فسفات و خصوصاً هیدروکسی آپاتیت 40 تا 70 درصد کل مقالات را شامل می شود که روز به روز در حال گسترش است. اکنون مختصری به چگونگی کاربرد بیو سرامیک های کلسیم فسفاتی می پردازیم .
موفقیت های کلینیکی زمانی حاصل می شود 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 فسفات هایی که منافذ ریز دارند،برای پوشش ایمپلنت ها ی فلزی استفاده می شود و نیز به عنوان متریال پر کننده در فضایی که تحت بار نیست ،قرار می گیرد تا رشد استخوان از درون آنها صورت گیرد. رویش درونی بافت از میان منافذ ،توسعه ی ناحیه بین بافت و ایمپلنت و درنتیجه افزایش مقاومت در برابر حرکات ایمپلنت در بافت را به دنبال دارد . در استخوان طبیعی ،پروتئین ها جذب طبقه کلسیم فسفاتی می شوند ، به همین ترتیب بیومتریال کاشته شده نیز با سلول های استخوانی فعل و انفعالاتی خواهد داشت.همچنینبیومتریالهایی با قابلیت جذب مجدد(Resorbable) طراحی می شوندتا با گذشت زمان رفته رفته تنزل یافته و با بافت میزبان جایگزین شوند ،کلسیم فسفات های متخلخل مانند تری کلسیم فسفات به عنوان مواد قابل جذب در مواردی که به استحکام مکانیکی بالا نیاز نیست مانند ترمیم استخوان فک و سر استفاده می شود.در سطح ایمپلنت ،مواد بیواکتیو یک لایه فعال بیولوژیکی تشکیل می دهند که در نتیجه در شکل پیوند بین بافت های طبیعی و بیو مواد تأثیر می گذارد . مواد بیواکتیو شامل شیشه یا شیشه –سرامیک ها که منشأ اکسید سیلیسیم آپاتیتی دارند ویا به عنوان مثال هیدروکسی آپاتیت سنتیک متراکم و کامپوزیت های پلی اتیلن – هیدروکسی آپاتیتی در کاربردهای ارتوپدی (پیوند استخوان ،پروتزها ، فضاسازی بین مهره و ...)استفاده می شوند .حال به بررسی فاکتورهای طراحی و ساخت یک نمونه (به عنوان مثال استخوان مصنوعی )می پردازیم .انتخاب دقیق و مناسب متریال مورد استفاده به عنوان مهم ترین بخش طراحی حائز اهمیت است .همچنین برای طراحی می توان از نرم افزار های خاصی بهره برد.این نرم افزار های برای طراحی بهینه شکل ایمپلنت و نیز برای شبیه سازی رفتار مکانیکی ایمپلنت با بافت الگو به کار می روند .یک تکنیک ریاضی ریاضی هم به نام آنالیز المان محدود برای تعیین توزیع فشار روی ایمپلنت با بافت الگو به کار می رود.
نمونه های اولیه قبل از ساخت نهایی تحت آزمایشات گوناگون نظیر تست های کلینیکی قرار می گیرند .بخش اعظمی از مواد خام اولیه را پودر های سرامیکی با ترکیب ویژه وخلوص بالا تشکیل می دهند.افزودنی هایی نظیر چسب ، روانساز و سایر مواد شیمیایی برای کمک به پروسه ی شکل دهی به مواد خام اضافه می شوند.پودر اولیه همچنین ممکن است به کمک زینترینگ احتیاج داشته باشد.زینترینگ به مواد سرامیکی کمک می کند تا در در طول زینترینگ و در بعضی مواقع در دماهای پایین تر از آن به درستی متراکم شوند.پس از تشخیص نوع بیو متریال مورد استفاده ماده مورد نظر وارد پروسه ی ساخت می شود.استخوان مصنوعی را می توان با استفاده از دو روش ساخت :مرحله آماده سازی سنتی سرامیک و روش شیمیایی سل ژل . در روش سل ژل می توان از سوسپانسیون با ذرات بسیار ریز و یا محلولی با پرگرسرهای شیمیایی استفاده کرد. از آنجا که روش سنتی آماده سازی متداول تر است به بررسی جزئیات آن می پردازیم .
مرحله اول ،آماده سازی ماده خام است.این ماده به طور مستقیم قابل استفاده نیست وباید پودر سرامیک سنتیک تهیه شود.معمولاً با طی مراحل سنگ شکنی و آسیاب به سایزدلخواه پودر نمی رسیم و می توان از روش های مکانیکی و یا شیمیایی خاصی استفاده کرد. در روش مکانیکی ،پودر سرامیکی و افزودنی ها به دقت وزن می شوند و سپس در انواع ماشین های مخلوط کن توسط رول های دورانی مخلوط می شوند.به عنوان مثال بال میل از یک استوانه چرخشی پر از مخلوط و یک واسطه کروی (گلوله) برای پراکندن مواد و کاهش سایز ذرات استفاده می کنند.یک سابنده نیز شامل مهره های ریز و یک همزن چرخشی برای انجام رساندن این پروسه مورد استفاده قرار می گیرد.
بعد از مرحله اختلاط و رسیدن به سایز مناسب پودر،مواد سرامیکی با استحکام و پلاستیسیته بالا آماده شکل دهی می باشند.روش های گوناگونی می تواند برای این منظور استفاده شود ؛ از جمله قالب گیری تزریقی ، گرم یا سرد کردن و یا پرس کردن در قالب گیری تزریقیمخلوط در سیلندر گرمایی بارگزاری می شود .در این هنگام از سختی آن کاسته شده و مخلوط نرم می شود.یک پیستون فولادین به مخلوط گرم نیرو وارد کرده و آن را به فرم قالب فلزی سرد شده تبدیل می کند.گرم و سردکردن ها موجب تجمع مواد در یک سیلندر با فشار بالا شده و سپس مواد با شکلی خاص به بیرون فرستاده می شود.پرس کردن نیز با فشردن در قالب فولادین صورت می گیرد و یا مواد در یک قالب لاستیکی ، تحت فشار بالا و یکنواخت گاز یا آب قرار می گیرند.
روش دیگر پرس ،که پرس گرم نامیده می شود شامل فرم دهی وگرمایش با استفاده از قالب گرمایی است.پس از شکل دهی ، استخوان سرامیکی واردمرحله خشک کردن می شود و باید تحت چندین عملیات حرارتی قرار گیرد.ابتدا خشک کردن مواد برای از بین رفتن رطوبت ،با استفاده از کوره یا محفظه خشک کن انجام می گیرد و سپس یک کوره برای حرارت دادن موتد در دماهای بالا جهت حذف مواد آلی و متراکم کردن ماده به کار می رود.چرخه گرمایش به وضعیت ماده وابسته است و باید سرعت گرم کردن به طور مناسب طراحی شود تا مانع شکست نمونه شود.بعد از این مرحله ممکن است به یک یا دو مرحله پایانی نیاز باشد که با توجه به کاربرد نمونه مشخص می شود.برای رسیدن به ابعاد و ظاهر دلخواه از سنباده و پولیش نیز استفاده می شود.سنباده یا پولیش کردن مواد سخت تر معمولاً نیاز به ابزار الماس دارد.مته کاری نیز در کاربردهایی که نیاز به شکل دهی خاص منافذ باشد ، لازم است.اگر اتصال به دو یا چند جزء دیگر نیاز باشد،از روش لحیم کاری و یا چسب زدن نیز بسته به جنس نمونه استفاده می شود.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 بافت آسیب دیده فرد می شود.
بیوسرامیک هابه واسطه ویژگی های خاص مکانیکی و فیزیکی در کاربردهایی چون ایمپلنت های بافت سخت ،بر پلیمرها و فلزات برتری دارند.به عنوان مثال در دندانپزشکی نوعی از سرامیک هابا ترکیب فلوروآپاتیت و ذرات ریز شیشه زیستی به عنوان ماده جایگزین دندان کاربرد دارند و ویژگی های نوری و مکانیکی این مواد باعث می شود تا علاوه بر اینکه زیبایی و شفافیت دندان طبیعی به نظر برسد، نسبت به سایر مواد،مقاومت به سایش بیشتری در برابرتنش های ناشی از سایر دندان ها 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 می روند،می توانند رشد استخوان ها را شبیه سازی کنند ،ساختمان بافت را ارتقاء دهندو نیز از سیستم ایمنی بدن دفاع نمایند .
بیوسرامیک ها در جراحی ها به عنوان پوشش ایمپلنت های گوناگون کاربرد دارند،زیرا پوشش سرامیکی ،سطحی سخت تر از فولاد ضد زنگ به وجود می آورد و با بالابردن امکان لغزش،موجب کاهش سایش ایمپلنت می شود.از مهمترین گونه های این مواد می توان به بیوسرامیک هایکلسیم فسفاتی (CaP) اشاره کرد که در شکل های مختلف (قطعه ،دانه ،سیمان، اجزای کامپوزیت و ...)با منشأ متفاوت (طبیعی،بیولوژیکی و سنتتیک) و ترکیبات گوناگون به صورت تجاری و برای کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی در دسترس قراردارند.ترکیبات کلسیم فسفات درطبیعت و سیستم های زیستی (ماهی ها ، مرجان ها،استخوان گاو و ...)به فراوانی یافت می شوند و در سیستم های بیولوژیک نقش برجسته ای ایفا می کنند.به عنوان مثال کربنات هیدروکسی آپاتیت (CHA) با ساختارهای کریستالی و غلظتهای متفاوت ،فازهای معدنی دندان (مینا ، عاج ،سمنتوم و ...) و استخوانها را تشکیل می دهد.همچنین انواع ترکیبات کلسیم فسفاتی در هنگام کلسیم دار شدن های غیر طبیعی و پاتولوژیک در فرد ظاهر می شوند که سنگ های کلیه ، آهکی شدن و رسوب کلسیم در بافت های نرم (قلب ، رگ و ریه ) از این نمونه اند.بنابراین نگاه به بیوسرامیک های کلسیم فسفاتی به عنوان یک متریال بالقوه در کاربردهای گوناگون ضروری است.
با توجه به آماری که در هشتمین نشست بین المللی سرامیک ها در پزشکی اعلام شد مقالات مرتبط با حوزه کلسیم فسفات و خصوصاً هیدروکسی آپاتیت 40 تا 70 درصد کل مقالات را شامل می شود که روز به روز در حال گسترش است. اکنون مختصری به چگونگی کاربرد بیو سرامیک های کلسیم فسفاتی می پردازیم .
موفقیت های کلینیکی زمانی حاصل می شود 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 فسفات هایی که منافذ ریز دارند،برای پوشش ایمپلنت ها ی فلزی استفاده می شود و نیز به عنوان متریال پر کننده در فضایی که تحت بار نیست ،قرار می گیرد تا رشد استخوان از درون آنها صورت گیرد. رویش درونی بافت از میان منافذ ،توسعه ی ناحیه بین بافت و ایمپلنت و درنتیجه افزایش مقاومت در برابر حرکات ایمپلنت در بافت را به دنبال دارد . در استخوان طبیعی ،پروتئین ها جذب طبقه کلسیم فسفاتی می شوند ، به همین ترتیب بیومتریال کاشته شده نیز با سلول های استخوانی فعل و انفعالاتی خواهد داشت.همچنینبیومتریالهایی با قابلیت جذب مجدد(Resorbable) طراحی می شوندتا با گذشت زمان رفته رفته تنزل یافته و با بافت میزبان جایگزین شوند ،کلسیم فسفات های متخلخل مانند تری کلسیم فسفات به عنوان مواد قابل جذب در مواردی که به استحکام مکانیکی بالا نیاز نیست مانند ترمیم استخوان فک و سر استفاده می شود.در سطح ایمپلنت ،مواد بیواکتیو یک لایه فعال بیولوژیکی تشکیل می دهند که در نتیجه در شکل پیوند بین بافت های طبیعی و بیو مواد تأثیر می گذارد . مواد بیواکتیو شامل شیشه یا شیشه –سرامیک ها که منشأ اکسید سیلیسیم آپاتیتی دارند ویا به عنوان مثال هیدروکسی آپاتیت سنتیک متراکم و کامپوزیت های پلی اتیلن – هیدروکسی آپاتیتی در کاربردهای ارتوپدی (پیوند استخوان ،پروتزها ، فضاسازی بین مهره و ...)استفاده می شوند .حال به بررسی فاکتورهای طراحی و ساخت یک نمونه (به عنوان مثال استخوان مصنوعی )می پردازیم .انتخاب دقیق و مناسب متریال مورد استفاده به عنوان مهم ترین بخش طراحی حائز اهمیت است .همچنین برای طراحی می توان از نرم افزار های خاصی بهره برد.این نرم افزار های برای طراحی بهینه شکل ایمپلنت و نیز برای شبیه سازی رفتار مکانیکی ایمپلنت با بافت الگو به کار می روند .یک تکنیک ریاضی ریاضی هم به نام آنالیز المان محدود برای تعیین توزیع فشار روی ایمپلنت با بافت الگو به کار می رود.
نمونه های اولیه قبل از ساخت نهایی تحت آزمایشات گوناگون نظیر تست های کلینیکی قرار می گیرند .بخش اعظمی از مواد خام اولیه را پودر های سرامیکی با ترکیب ویژه وخلوص بالا تشکیل می دهند.افزودنی هایی نظیر چسب ، روانساز و سایر مواد شیمیایی برای کمک به پروسه ی شکل دهی به مواد خام اضافه می شوند.پودر اولیه همچنین ممکن است به کمک زینترینگ احتیاج داشته باشد.زینترینگ به مواد سرامیکی کمک می کند تا در در طول زینترینگ و در بعضی مواقع در دماهای پایین تر از آن به درستی متراکم شوند.پس از تشخیص نوع بیو متریال مورد استفاده ماده مورد نظر وارد پروسه ی ساخت می شود.استخوان مصنوعی را می توان با استفاده از دو روش ساخت :مرحله آماده سازی سنتی سرامیک و روش شیمیایی سل ژل . در روش سل ژل می توان از سوسپانسیون با ذرات بسیار ریز و یا محلولی با پرگرسرهای شیمیایی استفاده کرد. از آنجا که روش سنتی آماده سازی متداول تر است به بررسی جزئیات آن می پردازیم .
مرحله اول ،آماده سازی ماده خام است.این ماده به طور مستقیم قابل استفاده نیست وباید پودر سرامیک سنتیک تهیه شود.معمولاً با طی مراحل سنگ شکنی و آسیاب به سایزدلخواه پودر نمی رسیم و می توان از روش های مکانیکی و یا شیمیایی خاصی استفاده کرد. در روش مکانیکی ،پودر سرامیکی و افزودنی ها به دقت وزن می شوند و سپس در انواع ماشین های مخلوط کن توسط رول های دورانی مخلوط می شوند.به عنوان مثال بال میل از یک استوانه چرخشی پر از مخلوط و یک واسطه کروی (گلوله) برای پراکندن مواد و کاهش سایز ذرات استفاده می کنند.یک سابنده نیز شامل مهره های ریز و یک همزن چرخشی برای انجام رساندن این پروسه مورد استفاده قرار می گیرد.
بعد از مرحله اختلاط و رسیدن به سایز مناسب پودر،مواد سرامیکی با استحکام و پلاستیسیته بالا آماده شکل دهی می باشند.روش های گوناگونی می تواند برای این منظور استفاده شود ؛ از جمله قالب گیری تزریقی ، گرم یا سرد کردن و یا پرس کردن در قالب گیری تزریقیمخلوط در سیلندر گرمایی بارگزاری می شود .در این هنگام از سختی آن کاسته شده و مخلوط نرم می شود.یک پیستون فولادین به مخلوط گرم نیرو وارد کرده و آن را به فرم قالب فلزی سرد شده تبدیل می کند.گرم و سردکردن ها موجب تجمع مواد در یک سیلندر با فشار بالا شده و سپس مواد با شکلی خاص به بیرون فرستاده می شود.پرس کردن نیز با فشردن در قالب فولادین صورت می گیرد و یا مواد در یک قالب لاستیکی ، تحت فشار بالا و یکنواخت گاز یا آب قرار می گیرند.
روش دیگر پرس ،که پرس گرم نامیده می شود شامل فرم دهی وگرمایش با استفاده از قالب گرمایی است.پس از شکل دهی ، استخوان سرامیکی واردمرحله خشک کردن می شود و باید تحت چندین عملیات حرارتی قرار گیرد.ابتدا خشک کردن مواد برای از بین رفتن رطوبت ،با استفاده از کوره یا محفظه خشک کن انجام می گیرد و سپس یک کوره برای حرارت دادن موتد در دماهای بالا جهت حذف مواد آلی و متراکم کردن ماده به کار می رود.چرخه گرمایش به وضعیت ماده وابسته است و باید سرعت گرم کردن به طور مناسب طراحی شود تا مانع شکست نمونه شود.بعد از این مرحله ممکن است به یک یا دو مرحله پایانی نیاز باشد که با توجه به کاربرد نمونه مشخص می شود.برای رسیدن به ابعاد و ظاهر دلخواه از سنباده و پولیش نیز استفاده می شود.سنباده یا پولیش کردن مواد سخت تر معمولاً نیاز به ابزار الماس دارد.مته کاری نیز در کاربردهایی که نیاز به شکل دهی خاص منافذ باشد ، لازم است.اگر اتصال به دو یا چند جزء دیگر نیاز باشد،از روش لحیم کاری و یا چسب زدن نیز بسته به جنس نمونه استفاده می شود.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 بافت آسیب دیده فرد می شود.
آخرین ویرایش:
