سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی

[M@hdi42]

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.