خواص سرامیک ها

خواص سرامیک ها

خواص مکانیکی
خواص مکانیکی مربوط به یک ماده مهم می باشد زیرا این خواص هستند که موجب تعیین کاربردهای ساختاری این مواد می شوند. جدول 1 بخش اول این مقاله برخی از خواص مکانیکی مربوط به بیوسرامیک های فعال و خنثی را نشان می دهد. استحکام می تواند با استفاده از شیوه های مختلف مانند کشش محوری، آزمون خمش سه نقطه، آزمون خمش چهار نقطه و روش های بررسی خواص فشاری، اندازه گیری شود. آزمون استحکام کششی به طور نمونه وار برای بررسی ویژگی کششی فلزات داکتایل، مورد استفاده قرار می گیرد. سرامیک ها به طور نرمال، مورد بررسی با روش کشش قرار نمی گیرند. علت این مسئله، هزینه های بالای ساخت نمونه و الزامات مربوط به بارگذاری در دستگاه کشش سنج، می باشد. استحکام فشاری در واقع استحکام مواد در برابر خورد شدن می باشد. این ویژگی اغلب برای سرامیک ها اندازه گیری می شود، مخصوصاً آن دسته از سرامیک هایی که باید بار تحمل کنند. استحکام مواد سرامیکی، عموماٌ بوسیله ی آزمون خمش تعیین می شود. با استفاده از این روش، علاوه بر یادگیری تنش های یکپارچه ی اعمال شده بر روی یک ماده، استحکام دو طرفه نیز داده های مفیدی در مورد شرایط تنش دو طرفه، ارائه می دهد. مقادیر استحکام به نوع آزمون انجام شده، اندازه ی عیوب، توزیع آنها در ماده و توزیع تنش های موجود در نمونه، وابسته می باشد. بر اساس مفهوم شکست از ضعیف ترین بخش، یک عدد بدون بعد برای شناسایی تغییرات استحکام یک ماده ی سرامیکی ترد، ارائه می شود که در واقع بیان کننده ی وجود بخش های ضعیف و توزیع و جهت گیری آنها می باشد. میزان بالای مدول Weibull موجب می شود تا عیوب یکنواخت تری در کل حجم ماده، وجود داشته باشند. مکانیزم شکست یک شرکت را از لحاظ جابجایی سطح شکست و تنش ها در نوک ترک را مورد بررسی قرار می دهد. تمرکز تنش در نوک ترک با فاکتورهای شدت تنش (K_I) نشان داده می شوند. زیر بند نشاندهنده ی جهت اعمال بار با توجه به موقعیت ترک می باشد. در آزمون های کشش و خمش، بار بر ترک عمود است و حالت I متداول ترین حالت شکست در مورد سرامیکی می باشد. K_IC فاکتور شدت تنش در حالتی است که ترک منتشر می شود و منجر به ایجاد شکست می شود. این فاکتور همچنین به تافنس شکست نیز معروف است و یکی از خواص اساسی مربوط به مواد می باشد. تافنس شکست بالا نشاندهنده ی این است که شروع و انتشار ترک، با مشکل بیشتری روبروست.
سختی یک ماده در واقع میزانی است از مقاومت آن ماده در برابر تغییر شکل متمرکز که بواسطه ی خراش یا فرورنده، تعیین می شود. یک ایندنتور کوچک (فرو رونده) بر روی سطح ماده فشار داده می شود و میزان سختی، محاسبه می گردد. سختی و تافنس شکست یک سرامیک بر روی رفتار سایشی آن مؤثر است. خواص سایشی مربوط به بیوسرامیک ها، برای کاربردهای آنها در جایگزینی اتصال های داخل بدن، مهم می باشد. علاوه بر این خاصیت، میزان ضایعات ایجاد شده در حین سایش این مواد نیز در واقع می تواند بر روی پاسخ های التهابی بافت های اطراف امپلنت و در واقع شکست های امپلنت، مؤثر باشد.

خواص سطحی

خواص فیزیکی- شیمیایی مربوط به مواد امپلنت مانند انرژی سطحی و بار، آب دوستی یا آب گریزی، تمایل به پاسخ سلولی بوسیله ی اثرگذاری جذب پروتئینی و اتصال سلولی ایجاد می کند. بنابراین، خواص سطحی ماده می تواند اثر بزرگی بر روی پاسخ های سلولی ایجاد کند. طبیعت و توسعه ی یک سطح مشترک پایدار میان بیوسرامیک امپلنت و استخوان بر روی موفقیت بالینی امپلنت، مؤثر می باشد و البته بوسیله ی فاکتورهای مختلفی، تحت تأثیر می باشد. این مورد یکی از جنبه های کلیدی از اصلاح سطحی بیوسرامیک ها، محسوب می شود. در واقع این مورد به دلیل برهمکنش با محیط اطراف، ایجاد می شود. برای موادی مانند شیشه های بیوفعال، یک سری از برهمکنش های سطحی در زمان غوطه وری در مایعات فیزیولوژیکی، ایجاد می شود. تبادل Na^+ و K^+ با یون هیدروژن و 〖H_3 O〗^+ که از محلول و در سطح شیشه رخ می دهد، منجر به حل سیلیس و تشکیل SiOH (سیلانول ها) در سطح مشترک شیشه می شود. این مرحله با مهاجرت یون های کلسیم و فسفات از طریق لایه ی غنی از سیلیس به سطح و تشکیل یک لایه ی کلسیم فسفات آمورف ادامه می یابد. این لایه سپس می تواند بوسیله ی یون های هیدروکسیل، کربنات و فلئور ترکیب شده و بدین صورت لایه ی آپاتیت تشکیل شود. در حضور پیش ماده های استئوژنیک (osteogenic precursors) شیشه های بیوفعال موجب تشویق به تشکیل استئوبلاست می شود که در واقع در ادامه مراحل دیگر توسعه ی استخوانی رخ می دهد.
بهبود برهمکنش میان بافت و بیوماده، یکی دیگر از روش های مورد استفاده برای حصول پاسخ مناسب بافت نسبت به ماده ی امپلنت می باشد. ویژگی تشخیص سلولی سطح و واکنش با سلول های مشخص، منجر به ایجاد راهنماهای سطحی می شود. یک پارامتر طراحی مهم برای حصول پاسخ سلولی ماکزیمم، توپولوژی ماده می باشد. شواهدی وجود دارد که بر طبق آن گفته می شود که توپولوژی (هم در مقیاس نانو و هم در مقیاس میکرو) برای تعیین پاسخ سلولی نسبت به بیوموادها مهم می باشد. ایجاد سطح میکرو و نانومقیاس با استفاده از HA، اخیراً با استفاده از اسپری الکتروهیدرودینامیکی و یا ایجاد الگوهای خاص با کمک سلول ها خاص، قابل انجام می باشد.
به منظور یادگیری مکانیزم اتصال دهی یک ماده ی بیوفعال با بافت میزبان، این ضروری است که سطح یک ماده را در آزمایشگاه مورد بررسی قرار دهیم. همچنین تطبیق پذیری بافت خاص با ماده ی مورد نظر نیز وابستگی زیادی به ترکیب و ساختار لایه های سطحی دارد. یک چنین تجزیه و تحلیل داخل آزمایشگاهی، کمکی به یادگیری پاسخ بالقوه ی داخل بدنی ارائه می دهد و اطلاعات خوبی در مورد ویژگی های ماده و توسعه ی مواد جدید برای چارچوب های مورد استفاده در مهندسی بافت، ارائه می دهد.
دو روش برای بررسی مکانیزم ها و واکنش های ایجاد شده در سطح مواد، وجود دارد، یک آنالیز محلولی و دیگری، آنالیز سطحی. در آنالیز محلولی، اجزای آزاد شده در داخل محیط اطراف، بررسی می شوند. در واقع خارج شدن یون های قلیایی و قلیایی خاکی از شیشه ی بیوفعال و سطوح سرامیکی، انحلال سیلیس و رسوب دهی کلسیم فسفات با استفاده از این روش، تشخیص داده می شود. محصولات حاصل از انحلال شیشه های بیوفعال دارای اثری مثبت بر روی ژن های تنظیم کننده ی استئوبلاست دارند. بنابراین، اندازه گیری میزان محصولات رهایش یافته از شیشه های بیوفعال و سرامیک ها، در کاربرد آنها به عنوان چارچوب های مورد استفاده برای مهندسی بافت، مهم می باشد.
آنالیز سطحی برای بررسی سطح مواد مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش، از ابزارهای مهندسی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی، طیف سنجی الکترون اوژه، طیف سنجی انعکاس فروسرخ، تفرق اشعه ی X مربوط به لایه ی نازک و میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به تجزیه و تحلیل اشعه ی X استفاده می شود. آنالیز محلولی می تواند اطلاعات مفیدی در مورد عمق کلی واکنش سطحی در مواد، ارائه می دهد. به هر حال، اگر رسوب دهی در این سیستم رخ دهد، این مسئله منجر به ارائه ی اطلاعات گمراه کننده در مورد واکنش های سطحی یک ماده می شود. با کمک ابزارهای ساختاری، ساختار سطحی مربوط به عمق های بسیار کوچک مانند 0.5 تا 5 نانومتر، قابل بررسی است. استفاده از این دو روش موجب می شود تا ویژگی های ضخامتی مواد رآکتیو تعیین شود.

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