0
04136674922

فلزات و آلیاژهای مورد استفاده در کاربردهای پزشکی و ساخت ایمپلنت ها

استفاده از بیومواد به ­صورت کاربردی و عملی توسط جی ­لیستر در دهه ۱۸۶۰ میلادی آغاز شد. به علت ملاحظات مختلفی که در به ­کارگیری اجسام خارجی (ایمپلنت­ ها) در بدن وجود دارد، تجربه ­های پیشین عموماً موفقیت آمیز نبود. یکی از علل اصلی این امر، شناخته شدن بیوماده یا همان ایمپلنت به عنوان یک عضو مهاجم در بدن توسط سلول ­های ایمنی بود. در این شرایط سیستم دفاعی بدن به عضو خارجی (ایمپلنت) واکنش تدافعی نشان داده و آن را اصطلاحاً پس می ­زند. اولین ایمپلنت ­های موفقیت­ آمیز مدرن در جراحی­ های تثبیت استخوان شکسته شده، استفاده شدند. لازم به ذکر است که به علت مشابه نبودن مدول این ایمپلنت­ ها با مدول استخوان و کمتر بودن نسبت به آن، در اثر تنش­ های فشاری دچار شکستگی می­ شدند.

 

در ابتدا برای ساخت ایمپلنت ها، موادی مانند فولادهای وانادیم دار به­ خاطر ویژگی ­های خوب در نظر گرفته شدند، ولی این فولادها، در بدن متحمل خوردگی سریع می ­شدند. پس از معرفی فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای کبالت-کروم در دهه ۱۹۳۰، در تثبیت شکستگی موفقیت بیشتری به دست آمد و جراحی ­های موفقیت ­آمیز جایگزینی مفصل انجام شد. به علت پیشرفت ­های بیشتر در مواد و تکنیک­ های جراحی، جایگزینی رگ­ های خون در دهه ۱۹۵۰ میلادی امتحان شد. جایگزینی دریچه قلب و همچنین مفصل سیمانی در دهه ۱۹۶۰ میلادی انجام شد. در سال ­های اخیر پیشرفت­ه ای بیشتری در شاخه­ های مختلف کاربردی دیده شده است.

 

 

 

 

مواد ایمپلنت فلزی

 

فلزات به عنوان اولین مواد برای تولید انواع ایمپلنت ها، استفاده شده ­اند. فولاد وانادیم دار شرمن اولین ماده فلزی است که به صورت خاص برای استفاده در بدن انسان توسعه یافت. این ماده برای ترمیم شکستگی استخوان به شکل صفحه و پیچ استفاده می ­شود. برخی از عناصر فلزی دیگر مانند آهن، برای عملکرد سلول، مفید و ضروری می ­باشد. مواد فلزی نمی ­توانند در مقادیر زیاد در بدن تحمل شوند. این مساله به علت سازگاری محدود و تمایل به خوردگی آن­ ها در مایعات بدن می ­باشد. محصولات خوردگی می­ توانند در بافت­ ها نفوذ کرده و باعث اثرات ناخواسته گردند.

 

خوردگی، یک واکنش شیمیایی نامطلوب بین فلزات و محیط اطراف آن­ ها می ­باشد. بدن انسان، دارای محیطی تهاجمی نسبت به فلزات کاشته شده می ­باشد. واکنش بین فلزات و مایعات بدن باعث تخریب فلز به اکسیدها و ترکیبات دیگر می شود. بنابراین، باید توجه بیشتری به دوام خوردگی یک کاشت فلزی به عنوان ویژگی مهم کاربردی بودن آن، به عنوان یک ماده زیست ­سازگار نمود. در ادامه برخی از نمونه­ های آلیاژهای فلزی زیست­ سازگار معرفی می­ گردد:

 

 

  • آلیاژهای طلا

 

طلای خالص نسبتاً نرم است. بنابراین، استفاده از این فلز به عنوان یک ماده ترمیمی، محدود به قسمت ­­هایی می شود که در معرض بارگذاری یا فشار بسیار بالا نیستند. به عبارت دیگر، آلیاژهای طلا به علت مقاومت نسبت به خوردگی و ثبات آن­ ها، در دندان ­پزشکی مفید هستند. مقاومت خوردگی در آلیاژهای حاوی ۷۵% وزنی طلا و فلزات نجیب دیگر حفظ می شود. به­ علاوه، آلیاژهای طلا ویژگی­ های مکانیکی دارند که برتر از طلای خالص می ­باشد. به عنوان نمونه، اضافه شدن مس در زمینه طلا، استحکام آلیاژ حاصل را به ­صورت قابل توجهی افزایش می ­دهد و در نتیجه ویژگی ­های مکانیکی آن را بهبود می ­بخشد.

 

 

 

 

 

  • آمالگام دندانی

 

آمالگام، آلیاژی است که جیوه یکی از فلزات تشکیل­ دهنده آن است. دلیل استفاده از آمالگام به عنوان ماده پرکننده دندان این است که جیوه در دمای اتاق مایع است. به این دلیل، می ­تواند با فلزات دیگر مانند نقره و قلع واکنش دهد و یک توده خمیری شکل را تشکیل دهد، که به آسانی در حفره دندانی فشرده می شود. این توده­ ی خمیری به مرور زمان سفت و محکم می شود. بنابراین، برای پر کردن حفره دندانی، دندان ­پزشک، آلیاژ جامد را با جیوه مخلوط می­ کند. محصول، ماده ­ای شکل ­پذیر است و می ­تواند برای پر کردن حفره آماده شده استفاده شود. آلیاژ جامدی که به عنوان ماده پرکننده دندان به ­کار می­ رود حاوی ۳% جیوه، ۶۵% نقره، ۲% مس و کمتر از ۲۶% قلع است.

 

 

 

 

 

  • تیتانیم و آلیاژهای β و α+β آن

 

تیتانیم عنصری راهبردی است که خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی جالب توجهی از خود بروز می­ دهد. استحکام به وزن بالا، چگالی نسبی پایین و مقاومت به خوردگی از جمله این خواص هستند که موجب شده ­اند این فلز در میان سایر فلزات از برجستگی­ های قابل ملاحظه ­ای برخوردار باشد. این فلز دارای فازهای مختلفی است که هرکدام ویژگی­ های منحصر به خود را بروز می ­دهند. استفاده از تیتانیم در حوزه زیست ­پزشکی، به یک امر محرز بدل شده است، زیرا تیتانیم الزامات مورد نیاز را بهتر از هر ماده رقیبی (فولاد زنگ­ نزن، آلیاژهای CoCr، نایوبیم با خلوص تجاری و تانتالم با خلوص تجاری) برآورده می­ سازد. از جمله خواصی که برای کاربردهای زیست پزشکی مورد توجه می ­باشند، می ­توان به مقاومت به خوردگی، زیست­ سازگاری، چسبندگی (رویش درونی استخوان)، مدول الاستیسیته (باید تا حد ممکن نزدیک به مدول استخوان که در حدود  Gpa ۳۰-۱۰ است، باشد)، استحکام خستگی و فرایندپذیری مناسب (ریخته­ گری و برقراری اتصال) اشاره کرد.

 

سه دسته از آلیاژهای تیتانیم (تیتانیم تجاری یا CP، آلیاژهای تیتانیم α+β و آلیاژهای تیتانیمβ) در حوزه زیست پزشکی مورد استفاده قرار می ­گیرند. به­ علاوه، وسایلی نیز وجود دارند که از آلیاژهای حافظه ­دار بر پایه ترکیب TiNi استفاده می ­کنند. تیتانیم CP و آلیاژ Ti-6Al-4V اولین مواد تیتانیمی مورد استفاده در کاربردهای زیست پزشکی بودند و حتی امروزه نیز این دو ماده بیش­ترین مصرف را در این حوزه دارند. به دلیل تردید در مورد مشکلات سمیت دراز مدت ناشی از وانادیم، آلیاژهای α+β مثل Ti-5Al-2.5Fe و Ti-6Al-7Nb در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافتند. این دو آلیاژ ریزساختار مشابهی با آلیاژ Ti-6Al-4V دارند. سپس در دهه ۱۹۹۰، تعدادی آلیاژهای تیتانیم β توسعه یافتند که دلیل عمده آن استحکام خستگی بالاتر و مدول الاستیسیته کمتر آن­ ها نسبت به آلیاژهای تیتانیم α+β بود. این دو خاصیت برای کاربردهایی مثل ایمپلنت های اتصال مفصل ران حائز اهمیت است.

 

در ۱۰ سال گذشته، تلاش ­های زیادی برای فرمول­ بندی آلیاژهای جدید β به ­عنوان مواد ایمپلنت با استفاده از عناصر آلیاژی زیست ­سازگار(Mo، Zr، Ta، Nb) شده است. مهم ­ترین مزیت عملکرد آلیاژهای β، استحکام بالاتر و مدول الاستیسیته پایین ­تر نسبت به آلیاژهای α+β است. مزیت دیگر در مورد ساخت آن است که قطعات ریخته ­گری دقیق شده از آلیاژهای β که به سختی پایدار شده ­اند، خواص تقریباً یکسانی با محصولات کار شده و آنیل شده دارند.

 

 

 

 

 

 

  • آلیاژ نیکل-تیتانیم (نایتینول)

 

در سال ۱۹۶۲ بوهلر و همکارانش خاصیت حافظه ­داری (به توانایی یک ماده برای برگشت به شکل اولیه خود، اثر حافظه ­داری می­ گویند، که این قابلیت در اثر اعمال حرارت و در نتیج ه­ی آن، انجام استحاله فازی رخ می­ دهد) را در آلیاژی از Ti شامل ۵۰% اتمی Ni کشف کردند و آن ­را نایتینول نامیدند. خواص حافظه ­دای و سوپرالاستیسیته در آلیاژ های حافظه ­دار بر اساس استحاله­ های غیر نفوذی آستنیت-مارتنزیت می­ باشد. در آلیاژ نیکل-تیتانیم علاوه­ بر دگرگونی مارتنزیتی، استحاله فازی دیگری نیز اتفاق می ­افتد. این استحاله ­های نفوذی می­ توانند به­ طور موثری در بهبود اثر حافظه­ داری آلیاژ به­ کار گرفته شوند. وجود عناصر آلیاژی باعث تغییر در دماهای استحاله و در نتیجه اثر حافظه ­داری آلیاژ می شود. از مهم ­ترین کاربردهای آلیاژ­های حافظه ­دار می ­توان به استنت ­های رگی، گیره ­های ارتوپدی، عضلات مصنوعی برای قلب و سیم­ های ارتودنسی اشاره کرد.

 

 

 

 

 

  • استیل ها یا فولادهای زنگ نزن

 

ابزار و تجهیزات ساخته شده از فولاد زنگ نزن به علت آن ­که به­ راحتی استریل می­ شوند، مقاومت به خوردگی خوبی دارند و تیزی خود را حفظ می ­کنند، در کاربردهای پزشکی، جراحی و بیمارستانی کاربرد دارند. به عنوان مثال تجهیزات و وسایلی مانند اتوکلاوها، کابینت ­های نگه­داری وسایل، تخت­ های جراحی و تجهیزات استریل کننده از جمله کاربردهای فولاد زنگ نزن می ­باشد.

 

انواع فولادهای زنگ­ نزن مورد استفاده در پزشکی و ایمپلنت ها عبارتند از:

 

 

فولادهای زنگ نزن فریتی

 

این دسته از فولادهای زنگ نزن که عملیات حرارتی ناپذیر بوده و قابلیت سخت شدن ندارند، کاربرد قابل توجهی در پزشکی نداشته و بیشتر در ساخت ظروف نگه ­دارنده موادغذایی و شیمیایی کاربرد دارند.

 

 

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی

 

این فولادها دارای ۱۱ تا ۱۸ درصد کرم بوده و از ناحیه آستنیتی با سرعت سرد می شود که در نتیجه باعث تشکیل فولاد زنگ نزن مارتنزیتی و مغناطیسی می شود. این فولاد دارای قابلیت سخت شدن می ­باشد و برای تهیه ابزار جراحی و برش استفاده می شود.

 

 

فولادهای زنگ نزن آستنیتی

 

افزودن نیکل باعث جلوگیری از دگرگونی فاز آستنیت به مارتنزیت طی سرمایش سریع آلیاژ می­ گردد. به ­طوری که تا دمای اتاق فاز آستنیت پایدار باقی می ­ماند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی ۳۰۲ و ۳۰۴ که دارای ۱۸% کرم و ۸% نیکل است و به ترتیب دارای ۰٫۱۵% و ۰٫۰۸% کربن می ­باشند، در ساخت سیم ­های ارتودونسی کاربرد فراوان دارند. همچنین فولاد زنگ نزن آستنیتی ۳۱۶ با حداکثر ۰٫۰۳% کربن، در ساخت ایمپلنت های بدن استفاده می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

مطالب مرتبط:

 

 

 

ارسال دیدگاه