انواع مختلف سرامیک های مورد استفاده در کاربردهای پزشکی

مقدمه

مواد سرامیکی هزاران سال است که به عنوان بخشی از زندگی ما محسوب می شود. سرامیک های سنتی شامل پرسلان ها، مواد دیرگداز، سیمان ها و شیشه ها می باشند اخیراً سرامیک های پیشرفته نیز توسعه یافته اند. این سرامیک ها شامل فروالکتریک ها، اکسیدهای ساختاری، بوریدها، کاربیدها، نیتریدها و شیشه- سرامیک ها، می باشند. این سرامیک های پیشرفته، کاربردهایی را در ارتباطات از راه دور، محیط زیست، انرژی، حمل و نقل و سلامت پیدا کرده اند. هیچ تعریف کاملی در مورد یک سرامیک وجود ندارد اما عموماً سرامیک ها، مواد جامدی هستند که از مواد غیر آلی و غیر فلزی تشکیل شده اند. آنها هم به صورت ترکیبات کریستالی و هم به صورت ترکیبات غیر کریستالی (آمورف) یافت می شوند. شیشه ها و شیشه- سرامیک ها، زیرگروه هایی از مواد سرامیکی محسوب می شوند.
یک بیوماده، یک ماده ی بقاناپذیر است که در وسایل پزشکی، مورد استفاده قرار می گیرد و با سیستم های بیولوژیکی، برهمکنش می کند. مواد مهندسی مختلف، شامل مواد سرامیکی، فلزها (آلیاژها)، پلیمرها و کامپوزیت ها، برای انجام عملکردهای بیولوژیکی، انتخاب شده اند. تمرکز این مقاله بر روی بررسی سرامیک های مورد استفاده در کاربردهای بیولوژیکی است. این مواد بیوسرامیک ها نامیده می شوند. علاوه بر این، کاربردهای این مواد در امپلنت ها و ترمیم و بازسازی قطعات بدن آسیب دیده نیز مورد بررسی قرار می گیرد. بیشتر کاربردهای بالینی بیوسرامیک ها، مربوط به ترمیم سیستم اسکلت بدن است که از استخوان ها، اتصال ها و دندان ها تشکیل شده اند. این سیستم برای تقویت بافت های نرم بدن می باشد. با توجه به انواع بیوسرامیک ها و برهمکنش های بافت میزبان، این مواد می توانند به دو گروه بزرگ بیوسرامیک های خنثی (bioinert) و بیوسرامیک های فعال (bioactive) تقسیم بندی شوند. بیوسرامیک های فعال ممکن است از نوع با قابلیت جذب (resorbable) و یا بدون قابلیت جذب (non-resorbable) باشند. همه ی انواع این بیوسرامیک ها را می توان به صورت متخلخل، بالک، گرانول و یا پوشش تولید کرد.
این مقاله ابتدا به معرفی انواع مختلف سرامیک های مورد استفاده در کاربردهای پزشکی می پردازد که شامل بیوسرامیک ها خنثی (آلومینا و زیرکونیا) و بیوسرامیک های فعال (کلسیم فسفات ها، شیشه های بیوفعال و شیشه- سرامیک ها). برای آگاهی یافتن از طبیعت و نحوه ی تشکیل ساختارهاای سرامیکی، این ضروری است که آگاهی کاملی در مورد نحوه ی آرایش اتمی مواد، نیروهای بین اتمی و محل اتم ها در شبکه ی کریستالی، داشته باشیم. تفاوت میان مواد کریستالی و غیر کریستالی را می توان با بررسی مثال سرامیک های هیدروکسی آپاتیتی، بیوشیشه ها و شیشه- سرامیک آپاتیت- ولاستونیت، متوجه شد. این موارد در ادامه، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. خواص یک سرامیک، بوسیله ی ریزساختار آن تعیین می شود (مثلا اندازه ذرات و تخلخل ها). یک خلاصه در مورد روش های متداول برای شناسایی ریزساختار سرامیک ها، نیز در ادامه توصیف شده است. پس از آن، یک بررسی در مورد خواص مربوط به سرامیک ها، مخصوصاً خواص مکانیکی، خواص سطحی، زیست سازگارپذیری و فعالیت بیولوژیکی در ادامه، آورده شده است. آلومینا و زیرکونیا دارای خواص مکانیکی استثنایی هستند و از این رو، این مواد برای کاربردهای باربر مناسب می باشند، در حالی که فعالیت بیولوژیکی شیشه ها و سرامیک ها، منجر به استفاده از آنها به عنوان استئوکونداکشن ها (osteoconduction) شده است. یک بررسی خلاصه وار در مورد فرآیندهای سرامیکی نیز با ارائه ی مثال هایی در مورد هیدروکسی آپاتیت، مورد بررسی قرار گرفته است. فرآوری چارچوب های سرامیکی متخلخل و اصلاح سطحی با استفاده از پوشش دهی و رسوب دهی لایه های نازک نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، اهمیت یادگیری الزامات بالینی و رابطه ی میان فرآوری، ریزساختار و خواص این مواد ارائه شده است که موجب می شود تا بتوان به توسعه ی بهتر مواد سرامیکی مناسب برای مهندسی بافت، کمک کرد.

بیوسرامیک های خنثی

آلومینا و زیرکونیا از جمله جایگزین های مهم برای آلیاژهای فلزی هستند مثلا این جایگزینی در پروتزهای مفصل ران و امپلنت های دندانی مشاهده می شود و نتایج مطلوبی را به همراه دارد. مزیت های اصلی استفاده از سرامیک ها نسبت به فلزهای سنتی و وسایل پلیمری، نرخ سایش پایین تر سطوح مفصل و رهایش میزان کمتری از مواد سایش یافته، می باشد. برای مثال، استفاده از سری های فمورال از جنس سرامیک آلومینایی و همچنین سوکت های فنجانی آلومینایی، موجب کاهش قابل توجه در میزان خرده ذراتی بوجود آمده در مقایسه با زمانی است که از کاپ های پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، استفاده می شود. نرخ های سایش زیاد می تواند موجب کاهش ضخامت امپلنت و در نهایت منجر به شکسته شدن امپلنت شود. سرامیک های زیرکونیایی دارای مزیت های بیشتری نسبت به سرامیک های آلومینایی است که علت این مسئله، تافنس شکست و استحکام خمشی بالاتر و مدول یانگ نسبتا پایین تر می باشد، اگر چه بعد از یک سری شکست امپلنت، انتخاب اجزای زیرکونیایی در تولید این امپلنت ها، به طور قابل توجهی، کاهش یافت. دو نوع از سرامیک های زیرکونیایی برای تولید امپلنت های جراحی، وجود دارد: یکی زیرکونیای تتراگونال پایدار شده با ایتریا (Y-TZP) و دیگری زیرکونیای پایدار شده ی جزئی، با استفاده از اکسید منیزیم (Mg-PSZ). خواص مکانیکی نمونه وار برای این سرامیک ها، در جدول 1 آورده شده است. برای بهبود تافنس شکست سرامیک های آلومینایی، آلومینای نانوفاز با اندازه ی دانه ی 23 میکرون، سنتز شده است. مدول الاستیسیته ی مربوط به آلومینای نانوفازی به میزان 70 % کاهش می یابد. تافنس شکست آلومینا سپس می تواند از طریق استفاده از فرمولاسیون های نانوفازی، کنترل شود. علاوه بر این، پاسخ های بیولوژیکی بهبود یافته ی نسبت به سلولهای استئوبلاستی مواد نانویی در مورد این نانوفازها، مشاهده شده است. این مسئله نشاندهنده ی پتانسیل ایجاد یک سطح یکپارچه برای آلومینای نانوفاز می باشد. به هر حال، استحکام خمشی مربوط به آلومینای نانوفازی مشخص نشده است. این پارامتر، یک پارامتر مهم در مورد کاربردهای بالینی می باشد.
آلومینا و زیرکونیا، دارای زیست سازگارپذیری خوبی هستند و استحام مکانیکی آنها نیز مناسب است اما این مواد از لحاظ بیولوژیکی، غیر فعال هستند و به صورت مستقیم به بافت میزبان، نمی چسبند. مواد بیوفعال از لحاظ مفهومی نسبت به بیومواد خنثی، متفاوت می باشند. در واقع در بیومواد خنثی، فعالیت شیمیایی ضروری می باشد. یک سری از بیوسرامیک های فعال، شیشه ها و شیشه- سرامیک ها، قادر به افزایش توان تشکیل استخوان در سطح خود هستند و موجب ایجاد یک سطح مشترک می کنند. عملکرد این سطح مشترک، افزایش طول عمر بافت می باشد.

بیوسرامیک های فعال

بیوسرامیک های فعال یا سرامیک های بیوفعال (Bioactive ceramics) شامل چندین گروه از سرامیک ها مانند سرامیک های کلسیم فسفاتی، شیشه های بیوفعال و شیشه- سرامیک ها، می باشند.

سرامیک های کلسیم فسفاتی

کلسیم فسفات ها اجزای اصلی مواد معدنی موجود در استخوان می باشند. جدول 2 لیستی از چندین نوع کلسیم فسفات با فرمول شیمیایی و نسبت کلسیم به فسفر می باشد. این کلسیم فسفات ها می توانند از طریق مخلوط کردن کلسیم و محلول فسفات ها، تحت شرایط اسیدی و یا قلیایی تولید، شوند. ترکیبات خاصی از این ماده برای قرارگیری در داخل بدن، مناسب می باشند. ترکیبات با نسبت Ca/P کمتر از یک، برای امپلنت های بیولوژیکی، مناسب نیستند زیرا حلالیت آنها بالاست. متداول ترین سرامیک کلسیم فسفات سنتزی برای جایگزینی با استخوان، هیدروکسی آپاتیت (HA) است علت استفاده از آن، مشابهت شیمیایی آن با اجزای غیر آلی استخوان ها و دندان می باشد. HA با فرمول شیمیایی Ca_10 (PO_4 )_6 (OH)_2 دارای ترکیب تئوری 39.68 % کلسیم، 18.45 % فسفر و نسبت وزنی Ca/P برابر با 2.151 می باشد (با نسبت مولی Ca/P برابر با 1.667). این ماده در گستره ی pH بین 4.2 تا 8.0، نسبت به دیگر سرامیک های کلسیم فسفاتی، پایدارتر است.
استوکیومتری HA در جاهایی که فرآوری گرمایی ماده مورد نیاز است، به طور قابل توجهی بالاتر است. عدم تعادل اندکی که در نسبت Ca/P ایجاد می شود، منجر به ایجاد فازهای غیر عادی می شود. اگر نسبت Ca/P کمتر از 1.67 باشد، بتا- تری کلسیم فسفات (β-TCP) و سایر فازها مانند تتراکلسیم فسفات (TTCP) در فاز HA وجود دارند. فازهای غیر عادی ممکن است اثر نامطلوبی بر روی پاسخ های بیولوژیکی امپلنت ها، داشته باشند. TCP یک بیوسرامیک زیست تخریب پذیر با فرمول شیمیایی Ca_3 (PO_4 )_2 می باشد. این فاز در محیط مرطوب، حل می شود و می تواند در طی امپلنت گذاری، با استخوان جایگزین شود. TCP دارای 4 پلیمرف است، متداول ترین این پلیمرف ها، فرم آلفا و بتا هستند.
در وضعیت ایده آل، یک ماده ی امپلنت زیست تخریب پذیر به آهستگی جذب شده و بوسیله ی بافت طبیعی، جایگزین می شود. به هر حال، تطبیق نرخ جذب با نرخ ترمیم بافت، چالش بزرگی ایجاد می کند. وقتی حلالیت کلسیم فسفات بالاتر از نرخ ترمیم بافت باشد، از آن برای پر کردن حفرات استفاده نمی شود. TCP با نسبت Ca/P 1.5، سریع تر از HA جذب می شود. استفاده از یک مخلوط از HA و β-TCP (کلسیم فسفات دو فازی (BCP)، در ترمیم استخوان ها، متداول می باشد. این ماده این مزیت را دارا می باشد که خواص شیمیایی آن بواسطه ی تغییر نسبت HA/β-TCP، تغییر می کند. میزان TCP بالاتر در BCP، موجب می شود تا نرخ انحلال بالاتر رود. نرخ جذب BCP می تواند سپس کنترل و ارزیابی شود.
سیمان های کلسیم فسفات یکی دیگر از انواع بیوسرامیک هایی است که با مخلوط کردن انواع مختلفی از کلسین فسفات ها، تولید می شود. این سیمان موجب تولید یک خمیر قابل تزریق می شود که در طی زمان عمل آوری شده و محصول نهایی، یک کربنات آپاتیت است. سیمان مورد استفاده در بدن، به صورت درجا، عمل آوری می شود و به تدریج جذب شده و استخوان جدید، جایگزین آن می شود. به هر حال، خواص این ماده مانند تافنس مکانیکی و زمان عمل آوری، باید به طور مناسب، بهینه سازی شود.

شیشه های بیوفعال و شیشه- سرامیک ها

مفهوم شیشه های بیوفعال، ابتدا بوسیله ی Hench و همکارانش (1971) پیشنهاد شد. ترکیب بیوشیشه ها (Bioglass) در واقع حاوی یک سری از گروه های طراحی شده ی خاص است که حاوی سیستم Na_2 O-CaO-SiO_2 می باشد. P_2 O_5 ، B_2 O_3 و CaF_2 نیز می تواند به عنوان افزودنی به این سیستم ها اضافه شود (جدول 3). یک لایه ی هیدروکسی- کربنات آپاتیت (HCA) بر روی سطح شیشه های بیواکتیو ایجاد می شود. این کار می تواند هم به صورت آزمایشگاهی و هم به صورت داخل بدنی، انجام شود. این فاز HCA به صورت شیمیایی و ساختاری معادل فاز مینرالی در استخوان است و بنابراین، موجب اتصال دهی مستقیم بین بافت میزبان و امپلنت می شود. این ممکن است که یک گستره از خواص شیمیایی را در شیشه های بیوفعال، کنترل کرد و نرخ اتصال دهی نیز در این مورد قابل کنترل می باشد. برخی از کامپوزیت های خاص حاوی این بیوشیشه ها (یعنی گرید 45S5)، می توانند به بافت های نرم متصل شوند، مشابه با استخوان (هم در حالت بالک و هم در حالت پودری). شیشه- سرامیک های آپاتیت- ولاستونیت (A-W) با ذرات آپاتیت ریز، می تواند به صورت مؤثر موجب تقویت بتا- ولاستونیت شوند. این مواد نه تنها مواد بیوفعالی هستند، بلکه همچنین استحکام مکانیکی بالایی دارند. استحکام خمشی، تافنس شکست و مدول یانگ شیشه- سرامیک های A-W بالاترین میزان در بین شیشه ها و شیشه- سرامیک ها، می باشد (جدول 1). این خواص موجب می شود تا این مواد، در کاربردهای باربر (در حالت فشاری) مانند پروتزهای مهره ای مورد استفاده قرار گیرد.
ابداع بیوشیشه ها، موجب شد تا طراحی کامپوزیت های شیشه ای جدید و شیشه- سرامیکی، مقدور شود. یکی از این شیشه سرامیک ها، شیشه سرامیک های Ceravital می باشد. واژه ی Ceravital به معنای یک تعداد از کامپوزیت های مختلف شیشه و شیشه- سرامیک است و به معنای یک محصول خاص نیست. یکی از مزیت های شیشه های Ceravital، این است که حلالیت این ماده می تواند بواسطه ی افزودن اکسیدهای فلزی، تنظیم شود (جدول 3). البته افزودن این مواد افزودنی موجب ایجاد اثرات منفی بر روی عملکرد سلولی و توسعه و تکامل زمینه های خارج سلولی می شود.
شیشه- سرامیک های بیواکتیوی با قابلیت ماشین کاری، که Bioverit نامیده می شوند، به طور موفقیت آمیز در گوش میانی، بینی و فک و بخش های عمومی سر و گردن مورد استفاده قرار گرفته اند. این بیوسرامیک ها، جایگزین مهره های قفسه سینه ی بیمارانی شده است که از تومرهای سرطانی رنج می برند. وجود فاز میکایی در شیشه- سرامیک ها، موجب می شود تا قابلیت ماشین کاری در انها ایجاد شود. این ماشین کاری با استفاده از ابزارهای کاری فلزی استاندارد انجام می شود و حتی این کار می تواند در حین عمل نیز انجام شود.
عموماً مزیت های شیشه های بیوفعال سرعت فعالیت سطحی و قابلیت تغییر ترکیب شیمیایی می باشد. بنابراین، این مواد قابلیت اتصال دهی انواع مختلف از بافت ها را دارا می باشند. یکی از محدودیت های این محصولات، خواص مکانیکی آنها می باشد زیرا این مواد دارای استحکام خمشی و مدول یانگ، نسبتا پایین می باشند. تلاش های زیادی برای بهبود تافنس شکست ضعیف کامپوزیت های شیشه ای بیوفعال و کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با ذرات هیدروکسی آپاتیت، انجام شده است.

منبع مقاله :
Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers / Aldo R. Boccaccini