0
04136674922

بیومواد، انواع و کاربرد آن ها + هندبوک علم بیومواد

بیومواد، موادی طبیعی یا اصلاح ­شده هستند که همواره با یک سیستم زیستی در تماس می ­باشند. آن ها به ­طور مداوم با این سیستم در حال برهم ­کنش ­اند و با کارکرد تعریف شده و مشخص خود باعث افزایش کیفیت و کارایی سیستم می شوند. هر دو نوع بیومواد، اعم از متخلخل و نفوذ ناپذیر، در جایگزینی یا ترمیم بافت­ های نرم و سفت مانند استخوان ها، غضروف ­ها، رگ­ های خونی و یا حتی کل اندام، استفاده می شوند. تمایل انسان ها به عمر طولانی ­تر، توقعات بالاتر و رشد همیشگی جمعیت، نیاز به بیومواد را افزایش داده است و محققان را به تمرکز بیشتر بر ساخت بیومواد جدید که با حداقل میزان واکنش با بدن انسان، نقش مورد انتظار خود را ایفا کنند واداشته است.

 

بیومواد برای کاربردهای پزشکی گوناگونی از قبیل موارد زیر استفاده می شوند:

 

– قطعات قابل کاشت در قلب و عروق مانند استنت ­ها، عروق خون ­رسان، دریچه های قلبی، الکتروشوک و ضربان­سازها

– قطعات مورد استفاده در سیستم عصبی، مانند ایمپلنت های عصبی وپروتزهای مورد استفاده در سیستم عصبی مرکزی و سیستم عصبی محیطی

– پروتزهای ارتوپدی مانند استخوان های پیوندی، صفحات استخوانی، فین ­ها و تجهیزات جوش­ دادن

– تجهیزات تثبیت­کننده ­ی مورد استفاده در ارتوپدی مثل پیچ­ های تداخلی در مچ پا، زانو و نواحی دست، میله ­ها و پین ­های تثبیت کننده ­ی شکستگی و پیچ ­ها و صفحات مورد استفاده در ترمیم جمجمه، فک و صورت

– داربست­ های مهندسی بافت استخوان برای شکستگی ­ها و ایمپلنت های دندانی

 

 

 

 

 

بیومواد می ­توانند به چهار گروه اصلی دسته ­بندی شوند: فلزات، سرامیک ها، پلیمرها و کامپوزیت ها

 

 

  • فلزات

 

فلزات به سبب دارا بودن مجموعه ­ای از خواص مانند استحکام ذاتی، چقرمگی شکست و استحکام خستگی بالا معمولاً در کاربردهای تحمل بار، همچون موارد زیر استفاده می­ شوند:

 

– به ­عنوان مفاصل مصنوعی، صفحات و پیچ ­ها در ارتوپدی

– دستگاه های مورد استفاده در ارتودنسی و دندان ­پزشکی، مانند براکت ­ها و ایمپلنت­ های دندانی

– به عنوان قطعات مورد استفاده در قلب و عروق و جراحی مغز و اعصاب، مانند قلب مصنوعی، گیره­ ها، استنت ­ها، سیم ­ها و کویل ­ها به سبب شکل ­پذیری بهتر

 

آهن، کروم، کبالت، نیکل، تیتانیم، تانتالیم، مولیبدن و تنگستن فلزهای زیست ­تخریب ­ناپذیری هستند که معمولاً در تولید ایمپلنت ­ها استفاده می شوند.

 

 

 

 

 

 

  • سرامیک ­ها

 

آلومینا و زیرکونیا رایج ­ترین سرامیک هایی هستند که زیست ­خنثی هستند و در ساخت تجهیزات پزشکی قابل کاشت، به خصوص ایمپلنت های دندانی، مورد استفاده قرار می گیرند. مجموعه ­ای از خواص مکانیکی ذاتی در سرامیک ها از جمله سختی بالا، استحکام فشاری عالی و مقاومت به سایش به ­همراه پایداری شیمیایی عالی و بافت ­سازگاری، این مواد را به موادی مرجح در کاربردهای زیستی بدل کرده است. اگرچه پایین بودن چقرمگی شکست و بالا بودن زبری سطح مواد سرامیکی کاربردهای بالینی آن ها را به خصوص در شرایط تحمل بار محدود کرده است؛ ولی در عوض، به­ منظور ارتقای خاصیت ترمیم استخوان در ایمپلنت های فلزی حامل ­بار از پوشش ­های سرامیکی استفاده می ­شود. سرامیک هایی مانند آلومینا و زیرکونیا، از آن­جایی که در مقایسه با فلزات تحت تاثیر هیچ واکنش اکسیدکننده­ای قرار نمی­ گیرند، هیچ ­گونه یون ­های ایجادکننده­ ی سمیت سلولی را به عنوان فراورده ­ی جانبی خوردگی در بدن انسان آزاد نمی ­کنند و امنیت زیستی بالایی را فراهم می ­آورند. سایر سرامیک های رایج مورد استفاده عبارتند از: تیتانیا، تری­کلسیم فسفات، هیدروکسی آپاتیت، زیرکونیای پلی­ کریستال تتراگونال، سیلیکا، چینی، کربن ­ها و کامپوزیت های سرامیکی مانند کامپوزیت های آلومینا-زیرکونیا.

 

 

سیر تکامل ایمپلنت های دندانی 

 

 

دسته ­ای از سرامیک ­ها که امروزه در کاربردهای زیستی مانند ایمپلنت ­ها و پوشش ­ها مورد استفاده قرار می ­گیرند, شیشه­ ها و شیشه-سرامیک­ ها هستند. شیشه های زیست ­فعال می ­توانند به عنوان پوشش برای مواد دارای خواص مکانیکی خوب ولی زیست خنثی به ­کار برده شوند. نمونه هایی از این مواد، آلومینای پلی­ کریستال، زیرکونیا، فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن هستند. این مواد به عنوان اجسام خارجی، اغلب توسط یک کپسول فیبروزی نازک احاطه می شوند که از اتصال آن ها به ارگانیسم ممانعت می­ کند. پوشش ­دهی این مواد با لایه ­ای از شیشه زیست ­فعال اجازه تشکیل مواد کامپوزیتی را می ­دهد که می ­توانند به بافت استخوانی زنده متصل شوند و ویژگی ­های مکانیکی مورد نیاز را برآورده کنند.   

 

مواد شیشه-سرامیک طبیعی مانند اُبسیدین(شیشه آتشفشانی)، همیشه در طبیعت وجود داشته ولی شیشه-سرامیک های سنتز شده (پیروسرام) اولین بار در سال ۱۹۵۳ تهیه شده و مشخص شد که برای استفاده های مختلف مناسب می ­باشند. شیشه-سرامیک های حاوی آپاتیت، به علت فعالیت زیستی بالا، کریستالوگرافی نزدیک و شباهت شیمیایی با آپاتیت بافت استخوانی انسان برای ایمپلنت های جراحی بسیار مهم می ­باشند. معمولاً شیشه-سرامیک ها با داشتن چند ویژگی مطلوب از شیش ه­ها و سرامیک ها متمایز می شوند. مقاومت نسبت به آسیب سطحی و خراشیدگی با کنترل اندازه دانه افزایش می ­یابد. همچنین استحکام کششی و مقاومت نسبت به فرسایش نیز بهبود می ­یابد. با این وجود، شیشه-سرامیک های زیست سازگار نیز محدودیت ­هایی دارند که در مورد سایر شیشه­ ها و سرامیک ها نیز وجود دارد.

 

 

 

 

 

 

  • پلیمرها

 

در بین مواد غیرقابل جذب، پلیمرهای زیست تخریب ­پذیر در مقایسه با سرامیک ها و فلزات توجه بیشتری را به خود جلب کرده ­اند. آن ها به ­راحتی می ­توانند به اشکال گوناگونی فراوری شوند و دارای گستره وسیعی از خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی هستند. پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی خواص ویسکوالاستیک دارند و می­توان از آن ها در جاهایی که تنش­های مکانیکی اندک وجود دارد، مثل بافت­های نرمی نظیر غضروف و تاندون ­ها، استفاده کرد. نیازهای یک ماده پلیمری برای این ­که بتوان از آن در کاربردهای مهندسی پزشکی استفاده کرد شامل مقاومت به خستگی، مقاومت به پیرشدن در محیط ­های آبی-نمکی، زیست ­سازگاری، پایداری ابعادی، عدم حضور افزودنی ­های مضر مهاجر و قابلیت سِتَرون شدن با روش ­های استاندارد بدون از دست ­دادن خواص می ­باشد. ترکیب پلیمرها و فازهای غیرآلی منجر به تولید مواد کامپوزیتی با خواص مکانیکی بهبود یافته به­ خاطر استحکام و سفتی ذاتی بالاتر مواد غیرآلی می ­شود. بنابراین در جاهایی مانند استخوان که سفتی به­ همراه توانایی جذب ضربه نیاز است، پلیمرهای پر شده با ذرات سرامیکی می ­توانند راه حل جالب توجهی باشند.

 

 

 

 

دسته ­ای از مواد پلیمری که در کاربردهای زیست­ پزشکی و دارورسانی کاربرد وسیعی پیدا کرده ­اند، هیدروژل­ ها هستند. هیدروژل ­ها مواد چند فازی آبدوست هستند که زیست سازگاری عالی و هر دو خواص شبه جامد و شبه مایع را از خود نشان می­ دهند. ساختار آن ها شامل یک شبکه سه بعدی از زنجیره های پلیمری است که معمولاً به عنوان یک مش، با فضای درون شبکه ­ای پر شده با آب، سیالات بیولوژیکی و یا انواع یون ­ها توصیف می شوند. شبکه، سیال را در جای خود نگه می ­دارد که استحکام هیدروژل را به ­وجود می ­آورد، در حالی که فاز سیال آن ­را خیس و نرم می ­کند. به­ خاطر این ساختار ویژه، این پلیمرها رفتار ویسکوالاستیک یا گاهی الاستیک خالص از خود نشان می ­دهند. هیدروژل ­ها می ­توانند مقادیر زیادی آب (حتی تا بیش از ۱۰۰۰ برابر جرم پلیمر) را بدون حل شدن جذب کنند، که اجازه تبادل راحت مواد غذایی و مواد زائد را با محیط اطراف می­ دهد. پروتئین ­ها و پلی­ ساکاریدهای ماتریس خارج سلولی را می­ توان به عنوان هیدروژل در نظر گرفت. این شباهت با ماتریس خارج سلولی به هیدروژل ­ها توانایی تقلید بافت انسانی را می ­دهند. می ­توان هیدروژل­ ها را به گروه های مختلفی دسته­ بندی کرد:

 

  • بر اساس نوع پلیمر: هیدروژل ­های هموپلیمر، کوپلیمر، مولتی پلیمر یا پلیمرهای در هم نفوذ کرده.
  • بر اساس بار یونی: هیدروژل ­های خنثی، آنیونی، کاتیونی یا آمفولیتیک.
  • بر اساس خواص ساختاری فیزیکی: هیدروژل­ های با پیوند هیدروژنی و ساختارهای کمپلکس، آمورف یا نیمه کریستالی.
  • بر اساس طبیعت پیوندهای عرضی آن ها: هیدروژل ­های شیمیایی یا فیزیکی.

 

از جمله هیدروژل ­های کامپوزیتی نیز می­ توان به هیدروژل ­های کامپوزیتی بر پایه پلی ­وینیل الکل/ پلی­اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا و همچنین هیدروکسی آپاتیت به عنوان یک بیومواد بالقوه برای جایگزینی با غضروف، نام برد.

 

 

 

دارورسانی به کمک هیدروژل ها

 

 

 

  • کامپوزیت ها

 

بسیاری از کامپوزیت های زمینه ­فلزی و زمینه ­پلیمری با چگالی پایین و استحکام بالا برای کاربردهای زیست ­پزشکی تولید شده ­اند. به ­منظور فراهم شدن الزامات یک ایمپلنت ایده ­آل، انتخاب ماده زمینه و نوع، اندازه و مقدار تقویت ­کننده ­ها از اهمیت ویژه ­ای برخوردار است. کامپوزیت هایی مانند پرکننده های کوارتز-سیلیکا یا پرکننده های شیشه ­ای در زمینه ­ی پلی ­متیل متاکریلات، به ­طور عمده در دندان ­پزشکی به عنوان سیمان دندانی استفاده می شوند. در تولید کامپوزیت ها باید از توزیع یکنواخت تقویت­ کننده­ ها در زمینه اطمینان حاصل کرد.

 

 

امروزه بیومواد، کاربردهای فراوانی در صنایع نوین پزشکی و داروسازی پیدا کرده ­اند. با توجه به لزوم زیست ­سازگاری ایمپلنت ها و مواد کاشتنی در بدن انسان، توسعه ­ی انواع بیومواد با کاربردهای گوناگون سهم عمده ­ای از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. یکی از کتاب­ های ارزشمندی که در این حوزه می ­تواند راهنمای جامع و کاملی برای علاقمندان، دانشجویان و محققین این حوزه باشد، کتاب “BIOMATERIALS SCIENCE” است. این کتاب در ۸۷۹ صفحه، ۳ بخش و ۱۱ فصل توسط پروفسور  Buddy D. Ratner استاد دانشگاه واشنگتن آمریکا و همکارانشان تالیف و توسط انتشارات Elsevier منتشر شده است. محتوای این کتاب به شرح زیر می باشد:

 

بخش اول – مهندسی و علم مواد

فصل اول: خواص مواد

فصل دوم: طبقه­ بندی مواد مورد استفاده در پزشکی

 

بخش دوم – دارو، زیست ­شناسی و بیوشیمی

فصل سوم: مروری بر مفاهیم پایه­

فصل چهارم: واکنش میزبان به بیومواد و ارزیابی آن

فصل پنجم: آزمون ­های زیستی بیومواد

فصل ششم: تخریب مواد در محیط ­های زیستی

فصل هفتم: کاربرد مواد در داروسازی، اعضای مصنوعی و زیست ­شناسی

فصل هشتم: مهندسی بافت

 

بخش سوم – مشخصه ­یابی عملی بیومواد

فصل نهم: ایمپلنت ها، دستگاه ­ها و بیومواد؛ موضوعات مهم در این زمینه

فصل دهم: محصولات نوین و استانداردها

فصل یازدهم: دورنماها و افق ­های علم بیومواد

 

 

علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند کتاب علم بیومواد را از لینک زیر دریافت نمایند:

 

BIOMATERIALS SCIENCE

 

فرمت: PDF

تعداد صفحه: ۸۷۹

زبان: انگلیسی

حجم: ۲۴ مگابایت

لینک دانلود غیرمستقیم:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مطالب مرتبط:

 

 

 

ارسال دیدگاه