ویژگی های سرامیک ها

ویژگی های سرامیک ها

ویژگی اصلی سرامیک ها، تردی، تافنس بالا، عایق کاری گرمایی و الکتریکی و مقاومت به خوردگی آنهاست. خنثی بودن شیمیایی این مواد، اولین معیاری است که در انتخاب آنها به عنوان یک ماده ی مناسب در کاربردهای بیولوژیکی، مورد توجه قرار گرفته است. در حقیقت، بدن انسان، یک محیط سخت برای هر ماده ای تلقی می شود. در اصل، این نوع پیوند میان اتم هاست که موجب کنترل خواص یک ماده می شود. سه پیوند بین اتمی اصلی وجود دارد: پیوند فلزی، پیوند یونی و کوالانسی. پیوندهای ثانویه مانند پیوند واندروالسی و هیدروژنی نیز وجود دارند. پیوند فلزی مکانیزم اصلی اتصال در مواد فلزی است. پیوند یونی در زمانی ایجاد می شود که یک اتم یک یا چند الکترون دریافت کرده و اتمی دیگر، این یک یا چند الکترون را دریافت کند و اتم ها به صورت یون تبدیل شوند. اتصال دهی کوالانسی در اصل زمانی ایجاد می شود که دو یا چند اتم الکترون هایی را به اشتراک بگذارند. اتصال دهی اتم ها در سرامیک ها، عمدتاً یونی یا کوالانسی و یا ترکیبی از این دو پیوند است.
ساختار کریستالی یک ماده در واقع آرایش دوره ای اتم ها در یک کریستال می باشد، در حالی که یک شبکه در واقع آرایه ی نامحدودی از نقاط در فضا می باشد که هر کدام از این نقاط، همدیگر را در بر گرفته اند. یک مفهوم اساسی در ساختارهای کریستالی، سلول واحد می باشد. این سلول واحد، کوچکترین حجمی است که اجازه می دهد سلول های مشخص بر روی هم قرار گرفته و فضا را پر کنند. با تکرار این الگوهای سلول واحد در تمام جهات، کل شبکه ی کریستالی، ایجاد می شود. هفت شبکه ی کریستالی مختلف وجود دارد: مکعبی، تتراگونال، ارتورومبیک، هگزاگونال، تری گونال، مونوکلنیک و تری کلینیک. همچنین 4 نوع سلول واحد از لحاظ تقارن وجود دارد که این مسئله موجب تشکیل 14 شبکه شود که به آنها شبکه ی براوه می گویند. حروف a، b و c تعریف کننده ی طول های سه لبه ی سلول واحد می باشد، در حالی که حروف α، β و γ در واقع زاویه ی این مکعب ها می باشند. متداول ترین ساختارهای کریستالی در سرامیک ها، ساختارهای مکعبی ساده، مکعبی متراکم و هگزاگونال متراکم، می باشد. آرایش فضایی اتم های منفرد در سرامیک ها، به نوع اتصال، اندازه ی نسبی اتم ها و نیاز به ایجاد تعادل در بارهای الکترواستاتیکی، ایجاد می شود. طبیعت ترد سرامیک ها از ساختار کریستالی آنها، مشتق می شود.

هیدروکسی آپاتیت و هیدروکسی با جایگزینی

هیدروکسی آپاتیت دارای شبکه ای هگزاگونال است و گروه فضایی آن نیز P6_3/m می باشد. این گروه فضایی بواسطه ی یک محور شش برابر عمود بر سه محور معادل a تشکیل می شود. سه محور a با هم زاویه ی 120 درجه می سازند. در مورد هیدروکسی آپاتیت، محور c= 0.6884 nm و محور a=b=0.9418 nm می باشد.
فاز مینرالی استخوان یعنی آپاتیت بیولوژیکی به صورت استوکیومتری، هیدروکسی آپاتیت نیست. این آپاتیت انواع مختلفی از یون ها را در خود جای داده است. نوع و میزان مواد یونی موجود در فاز آپاتیت، در برخی از عناصر به صورت درصد و در برخی دیگر به صورت قسمت در میلیون و یا قسمت در میلیارد، تغییر می کند. جایگزینی در ساختار آپاتیت به جای گروه های کلسیم، PO_4 یا OH منجر به تغییر در خواص ماده می شود. این خواص عبارتند از پارامترهای شبکه، مورفولوژی، پایداری بدون تغییر قابل توجه در تقارن هگزاگونال.
جایگزینی یون فلئور (F^- به جای OH^-) منجر به افزایش در کریستالینیتی، اندازه ی کریستالی و پایداری آپاتیت می شود که این مسئله در واقع موجب کاهش در پایداری می شود. جایگزینی یون فلئور موجب جلوگیری از پوسیدگی می شود. در واقع وجود این یون منجر به افزایش پایداری کریستال می شود. این مسئله موجب می شود تا ماده در برابر حل شدن در محیط دهانی، مقاومت کند.
کربنات ها (CO_3) می توانند جایگزین گروه های هیدروکسی و یا گروه های فسفاتی شوند و این مسئله موجب می شود تا هیدروکسی آپاتیت به نوع A و نوع B تبدیل شود. یک اثر مهم از جایگزینی کربنات ها در HA ، اثرگذاری بر روی اندازه ی کریستال و مورفولوژی می باشد. در حقیقت، یک افزایش در میزان کربنات ها، منجر به تغییرات در اندازه و شکل کریستال آپاتیت می شود. همچنین آپاتیت دارای جایگزینی نسبت به آپاتیت عاری از کربنات، حلالیت بیشتری دارد.
اگر چه سیلیکون به میزان اندک در مینرال استخوانی یافت می شود، این نشان داده شده است که این ماده نقش مهمی در مینرالی شدن استخوان و توسعه ی اسکلت بدن، دارد. فعالیت بیولوژیکی آزمایشگاهی و داخل بدن، با استفاده از ورود یون سیلیکون به داخل شبکه ی HA، بهبود می یابد. جایگزینی Si به جای HA از جامد شدن و رشد دانه در دماهای زینترینگ بالاتر، جلوگیری می کند. بنابراین، موجب افزایش در نسبت مساحت سطح / حجم مرزدانه ها، می شود. این مسئله همچنین بر روی پاسخ داخل بدنی نیز اثرگذار است. بار سطحی HA حاوی سیلیکون (SiHA) به طور قابل توجهی منفی تر از HA خالص است. این مسئله به دلیل تشکیل سریع تر آپاتیت شبه استخوانی در آزمایشگاه می باشد که بواسطه ی SiHA القا شده است. HA با جایگزینی سیلیکون به عنوان گرافت استخوانی، به طور موفقیت آمیز در جوش خوردن ستون فقران، مورد استفاده قرار گرفته است.
علاوه بر جایگزینی های بیان شده در بالا، سایر جایگزینی ها نیز وجود دارد مثلا جایگزینی استرانسیوم (Sr)، منیزیم (Mg)، باریم (Ba)، سرب (Pb) و ... .

شیشه های بیوفعال

سرامیک های پلی کریستالی جامدهایی هستند که اتم ها یا یون های آنها در یک آرایه ی منظم، قرار دارند. در عوض، نظم در شیشه ها، کوتاه برد است زیرا یک شیشه، زمانی تشکیل می شود که مذاب سرامیکی به سرعت سرد شده است. در این حالت، اتم ها زمانی برای آرایش خود ندارند. برای مثال، ساختار بیوشیشه ها به عنوان یک شبکه ی سه بعدی از SiO_2 در نظر گرفته می شود که با استفاده از سایر اکسیدها، اصلاح شده است. یک تعداد از شیشه های بیوفعال بری مهندسی بافت توسعه یافته شده اند. در واقع این به نظر می رسد که بهترین آنها، بیوگلاس ها باشند. ویژگی های ترکیبی کلیدی آنها موجب می شود تا این شیشه ها، از شیشه های سودالایم (شیشه های در و پنجره) متفاوت باشند. این ویژگی ها، عبارتند از:
میزان سیلیس کمتر از 60 %
میزان Na_2 O و CaO بالا
نسبت CaO به P_2 O_4 بالا
این ویژگی های ترکیبی موجب می شود تا فعالیت سطحی این شیشه ها، در زمانی که در محیط های مایع قرار می گیرند، بالا باشد و بنابراین، فعالیت بیولوژیکی آنها در بدن و در خارج بدن، بالا باشد.
شیشه های بیوفعال مشتق شده از روش سل- ژل، دارای بافتی متخلخل در گستره ی نانومتری می باشند. این مسئله موجب می شود تا این محصولات، مساحت سطحی بالایی در گستره ی 150 تا 600 متر مربع بر گرم، داشته باشند. این میزان دو برابر شیشه های تولید شده با روش ذوبی می باشد. بنابراین، حل شدن شیشه های تولیدی با روش سل- ژل سریع تر است و در واقع گروه های سیلانی موجود در ناحیه ی سطحی این شیشه ها، به عنوان مکان جوانه زنی برای تشکیل لایه ی آپاتیت، عمل می کنند.

شیشه- سرامیک های بیوفعال

یک شیشه- سرامیک در واقع جامدی پلی کریستالی است که بوسیله ی کریستالیزاسیون کنترل شده و یا اعمال عملیات های حرارتی بر روی شیشه ی اولیه، تولید می شود. این شیشه- سرامیک ها، شامل دانه های ریزی می باشد که اندازه ی کریستال آنها در گستره ی 0.1 تا 10 میکرون است. این دانه ها دارای حجم های کوچکی از شیشه های باقیمانده در مرزدانه هایشان، می باشند. یکی از مزیت های شیشه- سرامیک ها، این است که کریستالیزاسیون و تشکیل فازهای کریستالی در آنها، می تواند بوسیله ی توسعه ی موادی با ترکیبی از خواص ویژه مانند فعالیت بیولوژیکی، قابلیت ماشین کاری و خواص مکانیکی بهبود یافته، کنترل شود. یک شیشه- سرامیک A-W به طور گسترده ای برای استفاده به عنوان زیرلایه، مورد بررسی قرار گرفته است. یک کامپوزیت با دانسیته ی بالا و هموژن بعد از اعمال عملیات سطحی بر روی شیشه ی اولیه، تولید می شود. این شیشه ی اولیه معمولاٌ حاوی 38 % وزنی اکسی فلئوروآپاتیت ((Ca_10 (PO_4 )_6 (O,F)_2 ) و 34 % وزنی بتا ولاستونیت (CaOSiO_2) می باشد. در ساختار این ماده، ذرات شبه دانه ای با اندازه ی بین 50 تا 100 نانومتر در زمینه ای شیشه ای از جنس MgO-CaO-SiO_2 قرار دارد. این مسئله موجب می شود تا فعالیت بیولوژیکی به همراه خواص مکانیکی مطلوب، در این مواد ایجاد شود.

ریزساختار مربوط به سرامیک ها

ریزساختار سرامیک ها، موجب می شود تا خواص مکانیکی و بیولوژیکی آنها تعیین شود. سرامیک ها عموماً موادی پلی کریستال هستند که فازهای آنها به صورت فیزیکی یا شیمیایی از هم قابل تشخیص می باشند. همچنین ممکن است ساختار کریستالی آنها نیز تغییر کند. اندازه ی دانه ی مختلف در این بخش ها مشاهده شده است که در واقع این مسئله به روش تولید، مواد اولیه و رشد دانه در طی زینترینگ، میزان فاز شیشه ای، مرزدانه ها و تخلخل ها وابسته می باشد. ریزساختار نمونه وار سرامیک های هیدروکسی آپاتیت و زیرکونیا، در شکل 1 نشان داده شده است. دانه ها و تخلخل های با اندازه ی مختلف، بر روی HA مشاهده شده است، در حالی که یک اندازه ی دانه ی یکنواخت و کوچک در زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، مشاهده می شود. این یکنواختی موجب بهبود خواص مکانیکی سرامیک های زیرکونیایی می شود. آلومینای گرید پزشکی با اندازه ی دانه ی متوسط زیر 4 میکرون و خلوص 99.7 % انعطاف پذیری و استحکام مناسبی ایجاد می کند (جدول 1 بخش اول این مقاله). یک میزان اندک از منیزیا (کمتر از 0.5 %) به عنوان کمک زینتر مورد استفاده قرار می گیرد تا بدین صورت رشد دانه ها، محدود شود زیرا مقاومت به تافنس و تافنس شکست آلومینا تابعی از اندازه و درصد کمک ذوب است. غلظت های بالای کمک زینتر، موجب می شود تا این کمک زینترها در مرزدانه ها رسوب کرده و موجب تخریب مقاومت به خستگی ماده شود، مخصوصاٌ در یک محیط فیزیولوژیکی مستعد خوردگی. این مسئله به طور خاص برای پروتزهای ارتوپدی مورد استفاده در بیماران جوان، مهم می باشد.
ساختار دانه های مواد سرامیکی می تواند با میکروسکوپ نوری و الکترونی، مورد مشاهده قرار گیرد. این کار پس از پولیش و اچ این سطوح، انجام می شود. ریزساختار شیشه- سرامیک ها، بوسیله ی پراکنده شدن کریستال ها در داخل زمینه ی شیشه ای پیوسته، تشکیل می شود. علاوه بر میکروسکوپ، سایر روش های تحلیلی مانند تفرق اشعه ی X، طیف سنجی فروسرخ و تجزیه و تحلیل طیف شیمیایی می تواند برای شناسایی ناخالصی های موجود مورد استفاده قرار گیرد.
تفرق اشعه ی X (XRD) یک روش متداول برای بررسی و تعیین ریزساختار مواد، آنالیز فازی، تعیین جهت گیری ترجیحی و میزان نظم و بی نظمی کریستال ها و تعیین اندازه ی کریستال ها، می باشد. تقویت Rietveld می تواند بعد از بررسی های و مقایسه با داده های اشعه ی X انجام شود. این مسئله شامل مقایسه ی داده های تجربی با داده های بدست آمده از مدل های تئوری می باشد و پارامترهای شبکه نیز می تواند با داده های تجربی مقایسه و تطبیق داده شود. جایگزینی آنیون های الکترونگاتیو، مانندیون فلئور و کلر به جای OH در HA، موجب می شود تا پارامترهای شبکه ی مواد تغییر کند و این مسئله می تواند موجب کاهش پارامتر شبکه ی a شود در حالی که پارامتر c بدون تغییر می ماند. در جایگزینی HA، جایگزینی گروه های صفحه ای تری اکسید کربن با گروه های خطی کوچکتر مانند OH موجب افزایش پارامتر شبکه ی a و کاهش پارامتر شبکه ی c در جایگزینی نوع A و برای نوع B، جایگزینی گروه های صفحه ای کوچکتر به جای گروه های PO_4 موجب یک کاهش در پارامتر a و افزایش در پارامتر c می شود. جایگزینی یون های سیلیکاتی بزرگتر ( SiO_4^(-4)) با یون های فسفات کوچکتر (PO_4^(-3)) موجب کاهش در پارامتر شبکه ی a و افزایش پارامتر c می شود.
XRD مربوط به فیلم های نازک در حالی که نمونه در زاویه های کوچک (یعنی یک درجه) ثابت شده باشد، برای تجزیه و تحلیل ساختار سطحی، استفاده می شود. این روش قادر است تا تغییرات موجود در سطح مواد را بعد از غوطه وری نمونه ها در داخل مایع شبیه ساز بدن، نشان دهد. این روش ابزاری مفید برای آنالیز تشکیل لایه های سطحی آپاتیت بر روی شیشه های بیوفعال، سرامیک ها، پلیمرها و کامپوزیت ها، می باشد.
طیف سنجی فروسرخ یک روش غیر مخرب است که موجب می شود وجود پیوندهای معین در مواد را تشخیص دهیم. این روش برای بررسی واکنش های میان محلول های آبی و سطوح شیشه های بیوفعال و شیشه- سرامیک ها، استفاده می شود. مراحل واکنش ایجاد شده بر روی سطح مواد می تواند به طور واضح ترسیم کننده ی تغییرات ایجاد شده در حالت های نوسان گونه های شیمیایی موجود در سطح باشد. وجود جایگزین های کربناتی در HA، می تواند به صورت مستقیم در طیف فروسرخ مشاهده شود. این حضور بوسیله ی پیک های ضعیفی مشخص می شوند که بین 870 cm^(-1) و دو پیک قوی تر بین 1470 cm^(-1) مشاهده می شود.
طیف سنجی رامان یکی دیگر از روش های تحلیلی است که بوسیله ی آن می توان پیوندهای شیمیایی موجود در یک ماده را تشخیص داد. این روش برای مقایسه ی آپاتیت های شبه استخوانی تولید شده از سطوح بیوگلاسی و آپاتیت بیولوژیکی، در سطح آزمایشگاهی، استفاده شده است.
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) دارای مزیت هایی از جلمه رزولیشن بالا و فاصله ی کانونی عمیق، می باشد. شکست نگاری سرامیک ها، یکی از روش های مناسب برای بررسی کارایی مواد می باشد. اندازه، شکل، نحوه ی اتصال حفره ها در یک سرامیک HA می تواند مسائل بسیار مهمی را بیان کند (شکل 2). انتخاب و یا بهینه سازی مواد مناسب برای کاربردهای مورد نیاز، می تواند با توجه به این وسیله، انجام شود. ترکیب SEM با طیف سنجی اشعه ی X موجب می شود تا توانایی بررسی تغییرات ساختاری و ترکیب سطح مواد و سطح مشترک امپلنت- استخوان، مقدور شود. یک چنین روش کمی برای طراحی مواد جدید نیز مفید می باشد. مکمل SEM، یعنی میکروسکوپ روبشی لیزری کونفوکال (laser scanning confocal microscopy) با مزیت بررسی غیر مخرب نمونه ها، برای ایجاد ساختارهای سطحی سه بعدی از جنس سرامیک های شیشه ای A-W به صورت داخل بدنی، مورد استفاده قرار گرفته است. ساختار جزئی در جهت Z آگاهی بیشتری در مورد پاسخ های آزمایشگاهی مواد ارائه می دهد.
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) یکی دیگر از روش های مورد استفاده برای بررسی سطح مشترک بیومواد- بافت می باشد. TEM با رزلیشن بالا و مجهز به تفرق الکترونی انتخابی، یک ابزار قدرتمند برای نشان دادن افزایش نرخ جذب امپلنت های بیوسرامیکی HA می باشد. استفاده از TEM با رزولیشن بالا، می توان نابجایی ها و مرزدانه ها را در HA و SiHA مورد بررسی قرار داد. در واقع این بخش ها بواسطه ی افزایش در دانسیته ی نقاط سه گانه در واحد سطح موجود در SiHA نسبت به HA شناسایی می شوند. بررسی انحلال نشان داده است که میزان انحلال برای نمونه های حاوی SiHA بیشتر است. یافته ها کمک می کند تا مکانیزم هایی را بشناسیم که بوسیله ی آنها، یون های سیلیکاتی فعالیت خود را به صورت داخل بدنی، افزایش می دهند.
تخلخل و اندازه ی حفرات، توزیع و ارتباط داخلی این تخلخل ها نیز عامل مهمی برای شیشه های متخلخل و مواد سرامیکی، می باشد. در واقع این عوامل تعیین کننده ی خواص مکانیکی و زیست سازگارپذیری این مواد می باشد. برای مواد متخلخل، اندازه ی تخلخل ها و حجم آنها، می تواند با استفاده از تخلخل سنج نفوذ جیوه، اندازه گیری شود. میکروتوموگرافی اشعه ی X (XMT) یکی دیگر از روش هایی است که اخیرا برای بررسی ساختار سه بعدی مواد به صورت غیر مخرب، مورد استفاده قرار گرفته است. برای یک چارچوب مهندسی بافت، این مهم است که اندازه ی تخلخل ها و توزیع و ارتباط داخلی مناسبی بین تخلخل ها در حالت سه بعدی، ایجاد شده باشد. شکل 3 نشاندهنده ی اندازه ی تخلخل و ارتباط آنها در یک چارچوب HA است که بوسیله ی روش XMT بدست آمده است. ارتباط های داخلی مربوط به چارچوب های HA که با استفاده از روش XMT نشان می دهد که این روش، یک ابزار ارزشمند برای مطالعه ی ساختار سه بعدی چارچوب های متخلخل، به صورت غیر مخرب می باشد.
عموماً هیچ کدام از این روش های تجزیه و تحلیل ممکن نیست به طور کافی برای بررسی کل خواص سرامیک ها، مناسب باشند اما آنها می توانند همدیگر را تکمیل کرده و ویژگی های مختف مربوط به مواد مورد استفاده در مهندسی بافت را هم به صورت داخل بدنی و هم به صورت آزمایشگاهی، نشان دهند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers / Aldo R. Boccaccini