0
04136674922

مروری بر جنبه های خوردگی فلزات مصرفی برای ایمپلنت بدن – قسمت اول

اگر چه در بین مواد زیستی – پزشکی یا بیومواد (Biomaterials) مصرفی در بدن، فلزات و آلیاژها از دیرباز جایگاه ویژه ای داشته اند و استفاده از آن ها برای ترمیم، جایگزینی یا تعویض اندام ها و اعضای بدن به گذشته دور بر می گردد اما همواره سازگاری زیستی و پیامدهای مصرف آن ها در بدن مورد بحث و بررسی بوده است. خوردگی فلزات، ایجاد محصولات خوردگی، آزاد شدن یون های فلزی در بدن و به طور کلی چگونگی بر همکنش بین فلز و بافت و نتایج آن از جمله عوامل تعیین کننده سازگاری زیستی فلز یا آلیاژ محسوب می شود. به همین دلیل اطلاع از جنبه های خوردگی فلزات و ارزیابی و سنجش رفتار خوردگی آن ها با آزمون های آزمایشگاهی و آزمون های در بدن می تواند مبنای مناسبی برای پیش بینی سازگاری زیستی و مناسب بودن آن ها برای کاربردهای پزشکی در بدن باشد. در این نوشته از عصر مواد ضمن معرفی اجمالی فلزات مصرفی برای ایمپلنت بدن، جنبه های خوردگی و پیامدهای آن در حصول موفقیت یا عدم موفقیت ترمیم یا درمان مورد بحث قرار گرفته و به نتایج برخی از پژوهش های به انجام رسیده اشاره شده است. 

 

 

 

ماده زیستی – پزشکی یا بیومواد (Biomaterials) یک ماده مصنوعی است که برای جایگزین سازی و یا تعویض بخشی از بدن انسان یا موجود زنده یا به منظور کار کردن در تماس نزدیک با بافت زنده استفاده می شود. ماده زیستی – پزشکی ماده ای است که در بدن موجود زنده بی اثر واز نظر دارو شناسی خنثی است و برای کاشتن (implant) در سیستم های زنده یا استفاده همراه با آن ها طراحی گردیده است.

 

 

 

استفاده از تیتانیم به عنوان پلاک استخوانی

 

 

تاریخچه مواد زیستی – پزشکی به طور کلی به ایمپلنت ها یا کاشتنی های فلزی باز می گردد و برای مثال، استفاده از فلزات برای کاربردهای ارتوپدی و درمان استخوان به زمان های قدیم نسبت داده می شود. تا سال ۱۸۷۵ میلادی، فلزات نسبتاً خالص مثل طلا، نقره و مس مورد استفاده قرار می گرفت اما کاربرد آن ها به دلیل شرایط نامناسب جراحی، همواره موفقیت آمیز نبود. در فاصله سال های ۱۸۷۵ تا ۱۹۲۵ میلادی ، آلیاژهای فلزی مهندسی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفتند که این عمل مقارن با اصلاحات اساسی و مهم در تکنیک های جراحی بود. اولین کاشتنی های موفق همانند بسیاری از انواع جدید موجود، در چهارچوب اسکلت بدن به کار رفت. پلاک یا صفحه ارتوپدی استخوان در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی به منظور تثبیت و بستن شکستگی ها معرفی شد. بسیاری از صفحه های ارتوپدی اولیه در نتیجه طراحی مکانیکی نامناسب شکسته می شد زیرا این گونه صفحات بسیار نازک بود و گوشه هایی با تمرکز تنش داشت. از طرف دیگر کشف شد که ماده ای مثل فولاد وانادیم دار که به دلیل خواص مکانیکی خوب، انتخاب شده بود به سرعت در بدن دچار خوردگی می شد. در ادامه کار، انتخاب و تامین مواد و طراحی های بهینه تر پیگیری گردید تا آن که منجر به معرفی فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای کبالت – کروم در دهه ۱۹۳۰ میلادی شد. مقطع زمانی ۱۹۲۵ میلادی را می توان یک مبداء تاریخی و دوران جدید مواد زیستی-پزشکی فلزی همراه با توسعه تنوع گسترده ای از کاربردهای ارتوپدی استخوان تصور کرد که برای این گونه کاربردها، آلیاژهای انتخابی غالباً عبارت بود از: فولاد زنگ نزن ۳۱۶L، آلیاژهای کبالت – کروم و آلیاژ تیتانیم-۶ درصد آلومینیم-۴ درصد وانادیم. در آغاز دهه ۱۹۶۰ میلادی، چارنلی از پلی متیل متاکریلات (پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق زیاد) و فولاد زنگ نزن برای تعویض مفصل ران كامله استفاده کرد.

 

 

 

 

اولین فلزی که در دوران اخیر برای استفاده در بدن انسان توسعه و گسترش یافت، فولاد وانادیم دار شرمن بود که برای ساخت صفحه ها و پیچ های ارتوپدی استخوان به کار رفت. پس از آن فولاد زنگ نزن مولیبدن دار معرفی شد و در دهه ۱۹۵۰ تلاش شد تا با کاهش کربن آن، بهینه سازی لازم صورت گیرد. آلیاژهای پایه کبالت نیز که به آلیاژهای کبالت – کروم شهرت دارند در دو نوع ریختگی و کارشده طی چندین دهه در دندان پزشکی و ارتوپدی مصرف شده اند. تلاش برای استفاده از تیتانیم جهت ساخت کاشتنی یا ایمپلنت به دهه ۱۹۳۰ باز می گردد و انواع غیرآلیاژی و آلیاژی آن مورد استفاده قرار گرفته است.

 

اساسی ترین ویژگی ضروری مواد زیستی-پزشکی که برای ایمپلنت بدن به کار می روند خاصیت و مشخصه سازگاری زیستی (biocompatibility) است. بر طبق تعریف ویلیامز، سازگاری زیستی یا زیست سازگاری عبارت است از توانایی یک ماده برای ایفای نقش در یک کاربرد ویژه و اجرای وظیفه خاص به گونه ای که توام با دریافت پاسخ صحیح و مناسب از طرف بافت میزبان باشد.

 

وقتی که یک ماده زیستی – پزشکی در تماس با بافت و مایعات بدن موجود زنده قرار می گیرد، انواع متفاوتی از برهمکنش مابین ماده و محیط بیولوژیکی پدید می آید. ماده ای را می توان زیست سازگار نامید که در محیط زیستی کیفیت غیر مخرب داشته باشد. برای مثال، برهمکنش های بین مواد زیستی – پزشکی مصرفی در دندان پزشکی و محیط بیولوژیکی می تواند مشتمل بر حساسیت پس از عمل سمی بودن، خوردگی و افزایش حساسیت یا آلرژی باشد.

 

سازگاری زیستی و همسازی با بدن در مورد برخی از انواع مواد زیستی پزشکی مثل فلزات و آلیاژها به دلیل ماهیت رفتاری آن ها اهمیت بیشتری دارد. سازگاری زیستی آلیاژها، اساساً با خوردگی آن ها مرتبط است. هر آلیاژی که خوردگی بیشتری داشته باشد، عناصر فلزی بیشتری در بدن آزاد می سازد و خطر واکنش های ناخواسته با بافت را افزایش می دهد. البته آزاد شدن هر نوع عنصر فلزی لزوماً سبب ایجاد مشکلات مهم و قابل توجه نمی شود ولی نیکل از فلزاتی است که بسیاری از مردم نسبت به آن آلرژی و حساسیت دارند.

 

 

 

 

 

ضروریات و شرایط که تمام مواد زیستی پزشکی باید داشته باشند عبارت است از: مقاومت به خوردگی، سازگاری زیستی، چسبندگی زیستی، عملکرد زیستی و فرایند پذیری. البته مواد مختلف بر حسب نوع و ماهیت، رفتارهای متفاوتی از خود نشان می دهند ولی خواص ویژه یک ماده می تواند دلیلی برای استفاده از آن باشد. نمونه جالب توجه در این رابطه، آمالگام دندانی است که با وجود مقاومت به خوردگی پایین و سازگاری زیستی نه چندان زیاد آن به مدت طولانی برای ترمیم دندانی مورد استفاده قرار گرفته است زیرا این ماده فرآیند پذیری بسیار خوبی دارد.

 

سازگاری زیستی اغلب مواد زیستی پزشکی فلزی به واسطه یک لایه اکسید رویین که همواره بر سطح فلز وجود دارد و در زمان بسیار کوتاهی (یک هزارم ثانیه) تشکیل می شود، فراهم می گردد. طی شصت سال گذشته، فولاد زنگ نزن و آلیاژ كبالت – کروم که چنین لایه اکسیدی خنثی و رویین در سطح دارند، در دسترس بوده اند. از بیست و پنج سال پیش نیز استفاده از فلزاتی چون نیوبیوم، تانتالیم و تیتانیم به عنوان مواد زیستی- پزشکی به دلیل خواص مطلوب آن ها مورد بحث و توجه بوده است و به ویژه تیتانیم و آلیاژهای آن جایگاه ویژه ای یافته اند.

 

 

 

 

رفتار خوردگی فلزات مصرفی برای ایمپلنت ها

 

سازگاری زیستی مواد فلزی مورد استفاده در بدن ارتباط بسیار نزدیک با مقاومت خوردگی آن ها و قابلیت انتقال و جابجایی محصولات خوردگی دارد. شکل زیر نمودار مقاومت خوردگی مواد فلزی بر حسب سازگاری زیستی آن ها را نشان می دهد. وانادیم، کبالت، مس و نیکل فلزات سمی و حساسیت زا محسوب می شوند در حالی که سازگاری زیستی و مقاومت به خوردگی آلیاژهای پایه کبالت و نیز فولاد زنگ نزن در حد قابل قبول است و فلزاتی چون تیتانیم، نیوبیوم، تانتالیم و پلاتین از مقاومت خوردگی خوب و سازگاری زیستی عالی برخودارند. نیکل یک فلز حساسیت زا شناخته شده و تماس با این فلز می تواند منجر به ایجاد واکنش آلرژیک گردد.

 

 

سازگاری زیستی و مقاومت به خوردگی مواد فلزی

 

 

ایمپلنت ها یا کاشتنی های جراحی از فلزاتی با استحکام مکانیکی خوب و مقاومت خوردگی مناسب تولید می شوند اما در هر حال از هر کاشتنی فلزی که در بدن کار گذاشته می شود، یون های فلزی داخل بافت آزاد می گردد. ضروریات و نیازهای کلینیکی منجر به این شد که تحقیقات زیادی در رابطه با آلیاژهای فلزی صورت پذیرد و در ادامه کار حصول روشی را جهت آزمون مقایسه ای سمی شدن بافت، اجتناب ناپذیر ساخت.

 

بحث و مناظره مداومی طی سال ها در رابطه با تاثیرات سیستمی فلز نیکل و سایر فلزات ادامه یافته است. مقالات و مطالب منتشر شده و اطلاعات چاپ نشده حاصل از کشت سلول در آزمایشگاه و نیز آزمون های در بدن نشان می دهد که نیکل و وانادیوم تاثیرات سمی زیادتری در مقایسه با سایر فلزات مصرفی در کاشتنی ها دارند. این اثرات حتی در غلظت ها و مقادیر بسیار پایین فلزات مذکور نیز قابل توجه است. برخلاف فلزاتی چون نیکل و وانادیم، تیتانیم خالص از خود فعالیت و کنش بسیار اندکی ظاهر می سازد و به گونه علمی و کلینیکی نیز توانایی تحمل بافت همجوار آن نشان داده شده است. در مورد کاشتنی های تثبیت داخلی ناپایدار ملاحظه گردید که بافت اطراف کاشتنی به ذرات سایش یافته تیتانیم خالص آلوده شده بود ولی هیچگونه خوردگی همراه با آن مشاهده نشد. تیتانیم خالص و محصولات حاصل از سایش آن به صورت رویین و غیر فعال عمل می کنند و اثر سمی و واکنش های آلرژیک ظاهر نمی سازند.

 

در روش های مورد استفاده برای ارزیابی مقاومت خوردگی، سازگاری زیستی و چسبندگی زیستی، محقق و پژوهشگر تلاش می کند تا شرایط طبیعی موجود در بدن را شبیه سازی نموده و به طور ساختگی ایجاد نماید. می توان گفت که به تازگی و در سال های اخیر، کوشش های صورت گرفته برای استاندارد کردن این گونه آزمون ها به نتیجه رسیده است.

 

بر اساس نتایج آزمون های مختلف می توان نتیجه گرفت که مقاوم ترین مواد در برابر خوردگی، فلزات خاصی همچون تیتانیم، نیوبیوم، تانتالیم و آلیاژهای آن ها و سپس آلیاژ کبالت – کروم کارشده، آلیاژ كبالت – کروم ریختگی و آلیاژ فولاد زنگ نزن می باشند.

 

 

 

 

فلز تیتانیم پرینت شده به عنوان جناغ و دنده های قفسه سینه

 

 

 

پس از جاگذاری سیم هایی از فلزات مختلف در ناحيه استخوانی خرگوش و بعد از گذشت پانزده ماه، بررسی های بافت شناسی نتایج متفاوتی را نشان داد. در رابطه با مواد خنثی یا زیست سازگار، سلول های مجاور کاشتنی هنوز با خون تغذیه می شدند در حالی که سلول های مجاور مواد سمی دچار التهاب و آماس گشته و از بین رفته بود. تعدادی از عناصر مثل نیکل و وانادیوم اثر سمی دارند و از مقاومت پولاریزاسیون نسبتاً اندکی نیز برخوردارند. تیتانیم و آلیاژهای آن، نیوییم و تانتالیم که مقاومت پولاریزاسیون بالایی دارند، رفتار خنثى ارایه می کنند. در اطراف موادی که رفتار خنثی داشته باشند یک پوسته تشکیل می شود. نتایج بررسی ها نشان می دهد که فقط رفتار خوردگی ناشی از مقاومت پولاریزاسیون عامل سازگاری زیستی ماده در تماس با بافت نیست. فولاد زنگ نزن ۳۱۶L و آلیاژ کبالت – کروم که مقاومت پولاریزاسیون مشابهی با تیتانیم دارند توسط غشایی از بافت محصور می گردند و در اطراف آن ها پوسته ای تشکیل می شود اما رفتار این گونه آلیاژها خنثی نیست.

 

 

 

 

 

در سیستم ایمپلنت – بدن چندین برهمکنش وجود دارد که می تواند منجر به آسیب و صدمه گردد:

 

  • الف- فرایند خوردگی، جریانی از الكترون ها داخل ایمپلنت یا کاشتنی فلزی و جریانی از یون ها داخل بافت اطراف ایجاد می کند. متعاقب آن، احتمال اغتشاش و اختلال در جابجایی یونی فیزیولوژیکی در سلول های عصبی وجود دارد.

 

  • ب- واکنش غیراندامی کاشتنی فلزی یا محصولات خوردگی اولیه از طریق انحلال یون های فلزی در مایع بدن و انتقال آن به اندام های مختلف صورت می گیرد. در ادامه، غلظت یون های مذکور در اندام ها افزایش می یابد و به ویژه اگر از حد سمی بودن یک فلز خاص تجاوز نماید می تواند سبب ایجاد اثرات سیستمی یا حساسیت شدید گردد.

 

  • پ – واکنش اندامی مستقیم کاشتنی یا محصولات خوردگی اولیه با پروتئین های بافت اتفاق می افتد و نتیجه آن عوارضی چون تورم و آماس است.

 

  • ت – خلق و ایجاد آب اکسیژنه (H2O2) توسط سلول های متورم و آماس کرده و تجزیه آن از طریق تشکیل یک رادیکال هیدرواکسیل که سبب صدمه و آسیب به سیستم زیستی (بیولوژیکی) می شود.

 

 

در هر حال و خواه ناخواه، برهمکنش های مذکور پدید می آید که این امر به خواص فیزیکی و شیمیایی مواد مختلف بستگی دارد. گزارش شده که تیتانیم، تانتالیم و نیوبیوم خاصیت سازگاری زیستی دارند زیرا در سطح آن ها لایه سطحی محافظ از اکسید غیررسانا یا نیمه رسانا تشکیل می شود. این اکسیدها تا حد زیادی توانایی جلوگیری از تعويض الكترون ها را دارند و بنابراین به دلیل اثر عایق بندی خود، می توانند از جریان یون ها در بافت ممانعت به عمل آورند.

 

با توجه به واکنش های مستقیم یا غیر مستقیم با اندام ها، محصولات خوردگی کاشتنی فلزی اساساً مسئول سازگاری زیستی یا عدم سازگاری زیستی فلز کاشته شده است زیرا محصولات خوردگی با داشتن سطح وسیع خود می توانند با بافت یا مایع بدن برهمکنش داشته باشند. مقدار فلزی که از طریق مایع بدن جابجا می شود و به اندام های مختلف انتقال می یابد ممکن است در یک عضو یا ناحيه غنى گردد و میزان آن به حدی برسد که بر همکنش های نامطلوب به وقوع بپیوندد.

 

در قسمت دوم این نوشته به رفتار خوردگی برخی از فلزات ویژه که کاشتن آن ها در بدن متداول بوده است، اشاره می شود.

 

 

 

این نوشته مقاله ای مروری و مشترک از اساتید بزرگوار دانشکده مهندسی مواد دانشگاه صنعتی اصفهان جناب آقای دکتر محمد حسین فتحی و جناب آقای دکتر احمد ساعتچی و سرکار خانم دکتر وجیه السادات مرتضوی از اساتید دانشکده دندان پزشکی دانشگاه علوم پزشکی اصفهان است. برای تالیف این مقاله از بیش از ۱۰۰ کتاب و مقاله معتبر استفاده شده است. 

 

 

 

مطالب مرتبط:

 

 

 

 

 

 

 

دیدگاه کاربران
  • با سلام
    ضمن تشکر از شما بابت این مطالب کاربردی، در صورت امکان لینک اصلی خود مقاله رو هم قرار بدید.
    ممنونم.

ارسال دیدگاه