بیو سرامیک ها

نویسنده: فاطمه حاجی محمدی

 

بیو سرامیک چیست :

بیوسرامیک ها Bioceramic موادی مرکب از فلزات و غیر فلزات است که باپیوندهای یونی یا کووالانسی با هم ترکیب شده است. این مواد سخت، ترد با خواص کششی ضعیف اما استحکام فشاری عالی، مقاومت سایشی بالا و اصطکاک پایین برای کاربردهای مفصلی است. بیوسرامیک ها هم به صورت منفرد وهم به صورت کامپوزیت های بیوسرامیک- پلیمر در بین همه بیومواد مناسب ترین گزینه برای جایگزینی بافت های سخت و نرم است.

بیوسرامیک ها می توانند به صورت تک کریستال،چند کریستال یاهیدروکسی آپاتایت،کامپوزیتی یاپلی اتیلن- هیدروکسی آپاتایت،شیشه یاشیشه-سرامیک باشند.

بیو سرامیک ها زیرمجموعه از بیومواد هستند که با محیط سازگارند و در ترمیم و نوسازی اعضاء معلول یا مصدوم بدن مورد استفاده قرار می گیرند.

 

 

 

 

تاریخچه بیو سرامیک:

عصر نوین و پیشرفت بیو سرامیک ها از سال ۱۹۳۶آغاز می شود هنگامی که شخصی به نام اسمیت، استخوان را با ماده ای به نام سروزیوم (ترکیبی از آلومینای متخلخل و رزین اپوکسی)جایگزین کرد و در عین حال ۸۴%تخلخل را (مانند استخوان معمولی) باقی گذاشت.

از دهه ۱۹۳۶،هنچ و همکارانش، ارزیابی بیوسرامیک هایی با سطوح فعال واکنش دهنده با بدن را آغاز کردند که نخستین آن ها بیوگلس ها بودند. از آن پس شیشه –سرامیک ها نیز مورد توجه فراوان قرار گرفتند و تا کنون نیز هم چنان مورد توجه قرار دارند.

 

خصوصیات بیو سرامیک ها:

۱ -سازگاری بیولوژیکی: عموماً مواد ایمپلانت باید با بافت های بدن سازگاری داشته باشد.

۲-عدم خوردگی: در بدن موجود زنده خوردگی بیولوژیکی روی ندهند و ایجاد حساسیت و مسمومیت نکنند.

۳ -کارایی در عملکرد: باید بتواند به نحو مطلوب وظیفه ای را که در هر نقطه از بدن بر عهده آن قرار میدهند به خوبی انجام دهد.

۴ -قابلیت استریلیزه شدن: قابلیت استریل و ضدعفونی شدن را داشته باشد، بدون اینکه تغییری در ترکیب آن ایجاد کند. یا باعث تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی شود.

۵-قابلیت دسترسی: قابل دسترس بوده و به راحتی تولید شود. امتیاز سرامیک ها به عنوان مواد زیستی بدلیل سازگاری آن ها با محیط فیزیولوژیکی است و این سازگاری بدلیل وجود یون هایی مشابه با یون های موجود در آن محیط، مثل کلسیم، پتاسیم، منیزیم و سدیم است. 

کربن، اکسیدآلومینیم، هیدروکسید آپاتیت، فسفات تری کلسیم، ترکیبات شیشه ای و غیره که جالب توجه ترین این مواد عبارتنداز:

دریچه های قلبی مصنوعی، زانوی ارتوپدیک (استخوان و مفاصل)، موادی که برای ترمیم و بازسازی جای دندان در فک بکار میروند، موادی که به وسیله آن ها از راه پوست می توان با داخل بدن ارتباط پیدا کرد، مفصل ران پروستتیک، پی های مصنوعی و غیره

 

کاربرد بیوسرامیک ها:

در بسیاری از کاربردها، بیوسرامیک به شکل ماده تکه ای با شکل ویژه مصرف می شود که به آن کاشتنی، عضو مصنوعی یا وسیله اندام مصنوعی گفته می شود.

 

بیو سرامیک همچنین برای پر کردن فضا و جای خالی بکار می رود در حالی که فرآیند ترمیم طبیعی بدن عملکرد بافت را حفظ می کند. بیو سرامیک همچنین می تواند برای ترمیم جمجمه بکار رود.

انواع بیوسرامیک ها برای ترمیم و بازسازی استخوان های فکی- صورتی مصرف می شوند. و برای کاشتنی های
دندانی نیز بیوسرامیک به شکل تکه ای و یا به صورت پوشش بر روی زیر لایه فلزی می توانند به کار رود.

بازسازی و ترمیم حفره دندان با بیو سرامیک میسر است و از این مواد به عنوان وسایل زیر پوستی نیز استفاده میگردد. پوشش دریچه قلب مصنوعی از کربن است که نوعی از بیوسرامیک ها محسوب می گردد. در جراحی ستون فقرات، تعویض مفصل ران کامل و ترمیم استخوان لگن خاصره نیز بیوسرامیک ها به کار می روند و در ترمیم استخوان های شکسته،انواع شکسته بندی و جراحی های ارتوپدی نیز این گونه مواد نقش مهمی بر عهده دارند. کامپوزیت های بیوسرامیکی هم در ترمیم بند و رباط بدن مورد توجه قرار گرفته اند و در بسیاری از وسایل تثبیت شکسته بندی نیز نوعی از بیوسرامیک در شکل متفاوت مصرف می شود.
در دهه گذشته دو سیستم بیو سرامیکی مجزا برای درمان سرطان ایجاد شده است هر یک مکانیزم مشخصی دارد. در سیستم اول از دانه های شیشه برای انتقال عامل درمان استفاده می شود و در سیستم دوم شیشه- سرامیک های فرو مغناطیسی درمان حرارت موضعی تومورهای استخوانی را موجب می شود.
یکی از راه های درمان سرطان به وسیله سرامیک استفاده از ذرات فرو مغناطیس است که با ایجاد گرمایی موضعی سلول های سرطانی را نابود می کنند. شیشه-سرامیک هایی وجود دارند که دو خاصیت زیست فعالی و فرو مغناطیس را دارا هستند. در طراحی این سیستم ها در نهایت باید به کامپوزیستی متشکل از ذرات مگنتیت در زمینه کلسیم اکسید-سیلسیم دی اکسید دست یافت.

زمینه سیلیکاتی زیست فعال بوده و با حضور در کنار خون و بافت بدنی لایه آپاتیت روی آن تشکیل می شود.

لازم به ذکر است بیوسرامیک های مورد استفاده در پزشکی باید دارای برخی ویژگی ها باشند:

۱ -از نظر شیمیایی کاملا خنثی باشد.
۲ _اثرات مخرب بر بافت های مجاور نداشته باشد.
۳ -طول عمر آن زیاد باشد.
۴ -استحکام خستگی بالا داشته باشد.
۵ -اثرات مخرب بر فرآیندهای متابولیسم آزاد بدن نداشته باشد.

 

 

 

عیوب بیو سرامیک:

تنها نکته ای که کاربرد این مواد را محدود می سازد، تردی آن ها است که تمام تلاش های محققان در صدد رفع این عیب و بهبود چقرمگی این مواد صورت می گیرد.

 

انواع بیو سرامیک:

 

۱- بیوسرامیک های تقریبا خنثی

در صورتی که بیوسرامیکی تقریبا خنثی باشد، سطح مشترک بین بافت و کاشتنی فاقد هر گونه پیوند شیمیایی و یا بیولوژیکی می باشد.

بنابراین در این حالت بر روی کاشتنی، پوششی از بافت فیبروز و غیر چسبنده تشکیل می شود. ضخامت بافت ایجاد شده بسته به نوع ماده و میزان حرکت سطح مشترک بافت و بیوماده، شدیدا تغییر می کند.

این گونه مواد در جاهایی که ثبات، نفوذناپذیری و عدم پاسخ فیزیولوژیکی مورد نیاز باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. به طور کلی در کاشتنی های فشرده و خنثی پایداری مکانیکی در استخوان به وسیله شکل هندسی و اصطکاک کاشتنی با بافت به دست می آید و رشد استخوان بر روی سطح به صورت نامنظم می باشد. شکل های مختلف کربن، آلومینا (تک کریستال و پلی کریستال) و زیرکونیا در زمره این نوع بیوسرامیک ها به شمار می آیند.

 

 

 

آلومینا و زیرکونیا از جمله اکسیدهای سرامیکی خنثی هستند که دارای نقطه ذوب، سختی و استحکام بالا می باشند. آلومینا به صورت خالص و زیرکونیا همراه با ناخالصی هایی نظیر کلسیم اکسید،منیزیم اکسید (جهت پایداری)، برای کاربردهای کاشتنی به کار می روند. این مواد پایداری شیمیایی و ابعادی بالا و هم چنین مقاومت به سایش خوبی را از خود نشان می دهند.

۲-بیو سرامیک های بیواکتیو

ماده بیواکتیو، ماده ای است که از یک پاسخ بیولوژیکی خاص در سطح مشترک مواد نتیجه می شود که باعث تشکیل پیوند بین بافت و ماده می شود. در حقیقت حالت بیواکتیو یک حد واسط بین حالت های انحلال و غیر فعال بودن می باشد. یکی از ویژگی های مهم مواد بیواکتیو تشکیل یک لایه هیدروکسی کربنات آپاتیت بر روی سطح می باشد. فاز هیدروکسی کربنات آپاتیت از نظر ترکیب شیمیایی و ساختار شبیه فاز معدنی استخوان است.

سرامیک های بیواکتیو، سطح مشترک چسبنده ای با بافت ایجاد می کنند که در برابر نیروهای مکانیکی مقاومت می نماید. دراکثر موارد، استحکام چسبندگی سطح مشترک مساوی و یا بیشتر از استحکام چسبندگی ماده کاشتنی و یا بافت پیوند داده شده یا کاشتنی می باشد. دراین مواد شکست در کاشتنی یا استخوان رخ می دهد و هیچ گاه در سطح مشترک به وقوع نمی پیوندد.

هم چنین توزیع تنش در مقطع سطح مشترک بیواکتیو درمقایسه با سایر انواع کاشتنی ها، با توزیع تنش طبیعی شباهت و سازگاری بیشتری دارد.

امروزه انواع مختلفی از مواد بیو اکتیو مورد تحقیق و بررسی قرار می گیرند که عبارتند از:

شیشه های بیواکتیو،شیشه سرامیک های بیواکتیو مانند سرویتال یا شیشه سرامیک آپاتیت – ولاستونیت، هیدروکسی آپاتیت متراکم و متخلخل، کامپوزیت های بیواکتیو مانند هیدروکسی آپاتیت – پلی اتیلن و پوشش های بیو اکتیو نظیر پوشش
هیدروکسی آپاتیت بر روی آلیاژ متخلخل تیتانیوم و غیره.

تمامی موارد فوق با بافت مجاور در سطح مشترک، پیوند تشکیل می دهند. البته زمان پیوند خوردن، استحکام،
مکانیزم و ضخامت منطقه واکنشی برای مواد مختلف متفاوت خواهد بود.

۳- بیوسرامیک های زیست تخریب پذیر

اصطلاح زیست تخریب پذیر (قابل جذب) به آن دسته از مواد اطلاق می شود که پس از قرار گیری در بافت،بدون هیچ گونه واکنش مخربی با بافت، حل شوند. در سال ۳۴۶۲ گزارشی درباره استفاده از گچ پاریس سولفات کلسیم دی هیدرات قابل جذب برای پر کردن شکاف ها در استخوان منتشر کرد و نتیجه پزشکی آن را در هشت بیمار اعلام نمود. با وجود نتایج مطلوبی که حاصل شد ولی با گذشت زمان کاربرد آن به دلیل خواص مکانیکی ضعیف، سرعت انحلال بالا و در نتیجه عدم رشد کامل استخوان محدود شد.

در سال ۳۶۲۱ آلبی و موریسون طی انجام آزمایشاتی روی حیوانات از تری کلسیم فسفات برای پر کردن شکاف های استخوانی استفاده کردند و پس از آن ها تا ۱۱ سال مطالعات زیادی روی استفاده از گچ پاریس و نمک های کلسیم فسفات به عنوان بیو سرامیک قابل جذب صورت گرفت تا اینکه در سال ۳۶۹۶ ،مک دیوید تری کلسیم فسفات را یک نوع سرامیک قابل جذب معرفی کرد.

امروزه کلسیم فسفات ها و کلسیم سولفات ها نمونه های خوبی از سرامیک های قابل جذب می باشند. تا کنون اکثر فعالیت های انجام شده در زمینه کاشت سرامیک های کلسیم فسفاتی در حیوانات و کاربردهای کلینیکی بر روی تری کلسیم فسفات و هیدروکسی آپاتیت متمرکز گردیده است. تری کلسیم فسفات ها، به طور کلی زیست تخریب پذیر در نظر گرفته شده اند، اگر چه بسته به خصوصیات ماده مورد استفاده بعضا اختلاف هایی نیز گزارش گردیده است.

از طرف دیگر، در خصوص زیست تخریب پذیری هیدروکسی آپاتیت هم گزارشاتی مبنی بر عدم تخریب، تخریب آهسته یا جزئی و در برخی موارد تخریب کامل به چشم می خورد. این اختلافات عمدتا ناشی از تفاوت های موجود در شرایط آزمایش نظیر خصوصیات مواد، گونه حیوانی به کار رفته، موضع کاشت و روش بررسی می باشند.

با توجه به آنچه گفته شد در می یابیم که هیدروکسی آپاتیت بیواکتیو می باشد در حالی که تری کلسیم فسفات سریع تر تخریب می شود. بر این اساس سرامیک های کلسیم فسفاتی دو فازی ( calcium biphasic=BCP phosphate )مطرح شدند. این سرامیک ها مخلوطی از دو فاز هیدروکسی آپاتیت و تری کلسیم فسفات می باشند و با تغییر نسبت TCP/HA می توان بیواکتیویته بودن و یا قابل جذب بودن سرامیک BCP را کنترل کرد.