سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

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.

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.

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 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