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

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. پیشنهاد می شود قبل از مطالعه این قسمت، قسمت اول این نوشته را از این لینک بخوانید.

رفتار خوردگی فولاد زنگ نزن

اولین فولاد زنگ نزنی که برای تهیه ایمپلنت بدن مورد استفاده قرار گرفت، آلیاژ فولاد ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل (نوع ۳۰۲) بود که از فولاد وانادیوم دار قوی تر و مقاومت خوردگی آن نیز بیشتر بود. فولاد وانادیوم دار به مدت طولانی برای کاربردهای کاشتنی مصرف نشد زیرا مقاومت خوردگی آن کافی نبود. پس از آن، فولاد ۱۸-۸ مولیبدن دار معرفی شد که به منظور اصلاح مقاومت در برابر خوردگی در آب نمک، حاوی مولیبدن بود. این آلیاژ با نام فولاد زنگ نزن ۳۱۶ شناخته می شود. در دهه ۱۹۵۰، کربن فولاد زنگ نزن ۳۱۶ از ۰٫۰۸ درصد وزنی به حداکثر ۰٫۰۳ درصد وزنی کاهش یافت تا مقاومت خوردگی بهتری در آب نمک حاصل شود. این آلیاژ با نام فولاد زنگ نزن ۳۱۶L معروف شد.

پیشنهاد می شود این نوشته ها از عصر مواد را هم ببینید:

اطلاعات موجود نشان می دهد که در آغاز، فولاد ۳۰۲، ۳۰۴، نوعی فولاد ۸ – ۱۸ مولیبدن دار و فولاد ۳۱۶ مورد استفاده قرار گرفت. اما اغلب اوقات، مشکلاتی به دلیل عملکرد غیر قابل قبول این آلیاژها به ویژه از نظر حساس شدن اجزاء ساخته شده از فولاد زنگ نزن ۳۱۶ پدید آمد. از نیمه دهه ۱۹۸۰ میلادی، بهبود و اصلاحی در قابلیت اطمینان فولادهای زنگ نزن برای استفاده در تعویض مفصل ران كامله حاصل شد. این بهبود کیفی از طریق کنترل دقیق تر ترکیب شیمیایی و ریز ساختار فولاد به دست آمد. مقدار گوگرد فولاد زنگ نزن مصرفی در وسایل ارتوپدی به شدت کاهش داده شد. به این ترتیب که از طریق تولید فولاد با فرایند ذوب تحت خلاء، مقدار گوگرد از ۰٫۰۱ درصد در صد در سال ۱۹۷۵ به ۰٫۰۰۲ درصد در سال ۱۹۹۰ رسید. پس از اصلاحات انجام شده، فولاد زنگ نزن ۳۱۶L مهم ترین فولاد توصیه شده برای کاربردهای پزشکی بود که اصلی ترین مزیت آن، تمایل این آلیاز به خوردگی شیاری محسوب می شود. این آلیاژ تحت شرایط خوردگی شیاری از استحکام خستگی پایینی برخوردار است و همین امر کاربرد آن را برای تهیه کاشتنی تعویض فصل ران فقط برای بیماران پیرتر، سبک وزن و افرادی که تحرک کمتری دارند محدود می سازد. البته اصلاحاتی نیز در این آلياژها به کمک نیتروژن و منگنز صورت گرفته است.

فولاد زنگ نزن ۳۱۶L برای تهیه ایمپلنت ها، وسايل تثبیت شکست داخلی، پیچ ها و سیم ها، صفحه ارتوپدی، ساخت و تهیه سیم های ارتودونسی، وسیله معالجه ریشه دندان، ایمپلنت دندانی و روکش پیش ساخته در دندان پزشکی مصرف می شود.

البته به دلیل عدم موفقیت طرح های اولیه، استفاده از فولاد زنگ نزن در دهه اخیر به طور پیوسته و به صورت جریان عادی فراگیر انجام نگرفته است. فولاد زنگ نزن از نظر فرسایش، سازگاری زیستی و عمر خستگی ضعیف تر از آلیاژهای مدرن زیست سازگاری همچون سوپر آلیاژها است، اما این آلیاژ هنوز هم برای بیمارن پیرتر که تحرک آن ها محدودتر و طول عمر آن ها کوتاه تر است و به ویژه هنگامی که هزینه های اقتصادی عامل مهمی محسوب می شود مورد توجه است.

انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) شرایط تولید، ترکیب شیمیایی، ضروریات متالوژیکی و خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن کروم – نیکل – مولیبدن دار مصرفی برای ایمپلنت های جراحی را تعیین کرده است. فولاد زنگ نزن آستنیتی و به ویژه نوع ۳۱۶L متداول ترین فولاد برای کاربرد ایمپلنت ها محسوب می شود که در مقایسه با فولادهای دیگر، مقاومت به خوردگی بهتری دارند. حضور مولیبدن در آلیاژ، مقاومت در برابر خوردگی حفره ای در آب نمک را افزایش می دهد.

ترکیب شیمیایی فلز مصرفی برای تهیه ایمپلنت بدن نقش تعیین کننده ای در مقاومت به خوردگی دارد و به همین دلیل ترکیب شیمیایی مناسب برای فولادهای زنگ نزن مصرفی در بدن توسط موسسات استاندارد کشورهای مختلف مشخص گردیده است.

جدول ۱ نشان می دهد که چند درصد از هر نوع ایمپلنت در بدن دچار خوردگی شده و مقایسه ای بین رفتار خوردگی آلیاژهای مختلف کاشتنی صورت گرفته است. اطلاعات مذکور نشان می دهد که فرایند ذوب تحت خلاء برای تولید فولاد زنگ نزن ۳۱۶L سبب افزایش مقاومت به خوردگی این آلیاژ شده است. خوردگی ناشی از عملکرد مکانیکی ایمپلنت ها نیز می تواند منجر به آلودگی بافت ها به یون های فلزی شود، البته تشخیص و شناسایی یون های آزاد شده از ایمپلنت های فلزی به تکنیک و روش مورد استفاده بستگی دارد. خلوص مواد کاشتنی در بهبود مقاومت به خوردگی اهمیت دارد.

جدول ۱ – مقایسه خوردگی سه آلیاژ در بدن

نوع ایمپلنت-نوع آلیاژ	درصد ایمپلنت خورده شده
۳۸ قطعه وسیله تثبیت شکسته بتدی از فولاد ۳۱۶L	۹۵ درصد، خوردگی شکافی
۴۳ قطعه صفحه کوچک از فولاد ۳۱۶L تهیه شده با فرایند ذوب تحت خلاء	۱۹ درصد، فقط در قسمت سوراخ محل قرار گرفتن پیچ
۱۹ قطعه صفحه کوچک از تیتانیم خالص تجارتی	صفر درصد

بررسی ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن می تواند برای تشریح اهمیت خلوص ماده جهت کاهش خوردگی مفید باشد. کروم و مولیبدن عناصر کلیدي در بهبود مقاومت فولاد زنگ نزن در برابر خوردگی حفره ای و شکافی محسوب می شوند. اما مقادیر بالایی از کروم و مولیبدن برای اطمینان از مقاومت به خوردگی مناسب، کافی نیست، پایین بودن میزان ناخالصی هایی چون کربن، سیلیسیم، فسفر و گوگرد به شدت توصیه شده است. فولاد زنگ نزن ۳۱۶L و نیز ۳۱۶L که با فرایند ذوب تحت خلاء تولید شده است معمول ترین فولادهای مصرفی برای تهیه وسایل تثبیت ارتوپدی استخوان به شمار می روند. هر دو فولاد مذکور کمتر از ۰٫۰۳ درصد کربن دارند.

نشان داده شده است که رابطه مستقیمی بین خوردگی سطح ایمپلنت های فولاد زنگ نزن که به مدت ۱۰ سال یا بیشتر در بدن باقی مانده بوده اند با مقدار کربن و آخال موجود در فولاد وجود دارد. آلیاژهای فولاد زنگ نزن به حضور ناخالصی حساس می باشند و به همین دلیل تلاش های مداومی برای کاهش مقدار ناخالصی ها صورت گرفته است. فولادهای F138 و F139 استاندارد ASTM معادل فولاد ۳۱۶L در AISI هستند که مقدار آخال غیر فلزی کمتری دارند. فولاد زنگ نزن دوپلکس با ترکیب ۲۵ درصد کروم، ۷ درصد نیکل، ۴ درصد مولیبدن و ۰٫۲۵ درصد نیتروژن نیز مقاومت خوردگی بهتری در مقایسه با فولادهای زنگ نزن آستنیتی سنتی نشان داده است. در فولادهای زنگ نزن، خوردگی حفره ای به طور معمول از آخال ها و ناخالصی های غیر فلزی آغاز می شود. سولفایدها به ویژه مستعد خوردگی هستند و ناخالصی های اکسیدی می تواند سرچشمه خوردگی باشد اما این گونه ناخالصی ها کمتر از سولفایدها فعال هستند. کاربیدها نیز ممکن است محل آغاز خوردگی حفره ای باشند و هنگامی که تعداد آن ها در مرزدانه ها بی شمار باشد می توانند خوردگی بین دانه ای را افزایش دهند. در هر حال در فولادهای زنگ نزن با درجه پزشکی – جراحی، این گونه خوردگی نباید پدید آید. خوردگی شکافی در فولادهای زنگ نزن معمول است ولی در آلیاژهای کبالت – کروم کمتر اتفاق می افتد.

آلودگی بافت با فلزات ممکن است دو سرچشمه داشته باشد. اول، آزاد شدن ذرات یونی ناشی از فرایند حل شدن الکتروشیمیایی ایمپلنت که معمولاً توام با خوردگی استاتیکی است. دوم، تحت شرایط دینامیکی و به ویژه هنگامی که سایش به وقوع می پیوندد، ذرات فلزی ریز از سطح جدا می شوند و در بافت نرم اطراف ایمپلنت قرار می گیرند. تاثیر این ذرات متفاوت است و به اندازه و ماهیت شیمیایی آن وابسته است. ممکن است این گونه ذرات نیز فرایند خوردگی را متحمل شوند و متعاقب آن یون های فلزی آزاد گردد.

جدول ۲ غلظت عناصری چون کروم، نیکل، آهن و کبالت را در نمونه های بیولوژیکی چون خون و استخوان ارایه می کند و نشان می دهد که بافت اطراف ایمپلنت ممکن است در مقایسه با خون یا استخوان، دارای عناصر مذکور به مقدار چندین برابر باشد.

ارزیابی و سنجش تاثیر پروتئین بر روی خوردگی مواد فلزی ایمپلنت های ارتوپدی در برخی از پژوهش ها مورد توجه بوده است و نتایج نشان می دهد که حضور پروتئین در محلول سرم فیزیولوژی سبب افزایش اندکی در پتانسیل حفره دار شدن می شود و آهنگ خوردگی را افزایش می دهد. بررسی تاثیر پوشش ها و عملیات اصلاح سازی سطحی بر روی مقاومت به خوردگی فلزات مصرفی برای ایمپلنت بدن نیز مورد توجه پژوهشگران بوده است. هنگامی که فلزی به عنوان پوشش فلزی بر روی ایمپلنت فلزی به کار رود امکان ظهور خوردگی گالوانیکی وجود دارد زیرا که وجود هرگونه ترک یا تخلخل در پوشش می تواند تماس زیر لایه فلزی را با محيط برقرار سازد و خوردگی تشدید شود. به همین دلیل پوشش های فلزی برای ایمپلنت های داخل بدن استفاده نشده است اما عملیات اصلاح سازی سطحی به طور گسترده ای به کار رفته و هم اینک کاربرد کلینیکی پیدا کرده است. با توسعه فرایند کاشت یونی، پوشش دادن و به ویژه کاشت هر عنصر دلخواه بر روی زیر لایه میسر شده و منظر جدیدی از عملیات اصلاح سازی سطحی مواد زیستی-پزشکی را ظاهر ساخته است. کربن و نیتروژن متداول ترین عناصر مورد استفاده جهت بهبود رفتار خوردگی و سایشی فولاد زنگ نزن و آلیاژهای تیتانیم بوده اند. در هر حال، پوشش دادن عناصر فلزی به منظور اصلاح عملکرد خوردگی یا بهبود رفتار بیولوژیکی ایمپلنت های فلزی، نکته قابل توجه و مورد علاقه بوده است. پوشش های تیتانیم، نیوبیوم و تانتالیم بر روی فولاد زنگ نزن به صورت آند عمل می کنند و بنابراین این گونه پوشش ها می توانند از جابجایی و انتقال کروم و نیکل به محیط اطراف جلوگیری نمایند. توجه به تاثیر فرایند ساخت ایمپلنت بر خواص نهایی فلز نیز اهمیت دارد. فولادهای زنگ نزن آستنیتی به سرعت کار سرد می شوند و به همین دلیل نمی توان آن ها را بدون اجرای عملیات حرارتی میانی تحت کار سرد قرار داد. عملیات حرارتی نباید به گونه ای باشد که در خلال آن، تشکیل کاربید کروم در مرز دانه ها میسر باشد زیرا تشکیل کاربید کروم سبب کاهش کروم در سایر نواحی می گردد که با کاهش اکسید کروم محافظ و عدم رویین شدن آلیاژ همراه است و در نتیجه خوردگی فلز (خوردگی بین دانه ای) افزایش می یابد. به همین دلیل است که ایمپلنت های ساخته شده از فولاد زنگ نزن آستنیتی معمولاً جوشکاری نمی شوند.

از سوی دیگر، تجربه های به دست آمده در شکسته بندی و ترمیم بیماری ها و ضایعات استخوانی نشان می دهد که برای کاهش و کمینه کردن خوردگی، توجه به مواردی چون استفاده از فلزات مناسب و انتخاب صحیح، اجتناب از کاشتن دو یا چند فلز در یک ناحیه، طراحی مناسب و صحیح ایمپلنت به گونه ای که حفره ها و شیارها به حداقل برسد و نیز اجتناب از انتقال فلز از ابزارها به ایمپلنت یا بافت ضرورت دارد.

∗ 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.

قسمت دوم این نوشته را از لینک زیر می توانید بخوانید:

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

مطالب مرتبط: