مقدمه:
 

بيوسراميک ها، سراميک هايي هستند که براي ترميم و بازسازي بخش هاي بدن انسان استفاده مي شوند.کاربردهاي بسياري براي بيوسراميک ها وجود دارد که معمولاً مهمترين آنها ساخت امپلنت هايي مانند پروتزهاي مفصل ران (hip prostheses) است. (اين نوع پروتز ها از جنس آلوميناست). آلومينا يک بيوسراميک خنثي است زيرا واکنش بسيار کمي با محيط بدن مي دهد. مواد بيواکتيو (bioactive Materials) داراي قابليت پيوند مستقيم با بافت هاي بدن هستند.
مزيت هاي اين مواد عبارتند از:
1)ايجادپايداري اوليه ي مناسب براي امپلنت
2)افزايش طول عمر مفيد امپلنت
3)سراميک هاي بيواکتيو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سراميک هاي با استحکام بالا (مانند آلومينا و زيرکونيا) ضعيف ترند. به عنوان يک نتيجه بايدگفت که سراميک هاي بيواکتيو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده مي شود. از اين مواد به صورت پوشش بر روي بسته هاي با استحکام وتافنس بالا استفاده مي شود. يکي از سراميک هاي بيواکتيو مهم هيدروکسي آپاتيت (HA) است .استخوان طبيعي کامپوزيتي از ذرات HA است که بوسيله ي الياف آلي کولاژن (Collagen) تقويت شده اند.
کامپوزيت هاي لپي اتيلن تقويت شده با هيدروکسي آپاتيت در جهت ساخت موادي با ويژگي هاي شبيه به استخوان توسعه يافتند.
يکي از مسائلي که در زمينه ي بيو مواد با آن روبرو هستيم آگاهي از نحوه ي بوجود آمدن ويژگي هاي مکانيکي برتر در استخوان هاست. اگر علاقه منديادگيري نحوه ي بازسازي استخوان ها هستيد، بايد در مورد بيولوژي اطلاعات کسب کنيد.

بيوسراميک ها چه موادي هستند؟
 

تعريف کاملي از بيومواد بوسيله ي انستيتوي ملي سلامت آمريکا (NIH) ارائه شده است. طبق اين تعريف: يک بيوماده هر ماده اي غير از دارو ويا ترکيب ازمواد است که منشع طبيعي يا مصنوعي داشته ومي توان از آن درطي يک بازه ي زماني به عنوان بخشي از سيستم بهبود دهنده، تقويت کننده ويا جايگزين هر بافت، عضو يا بخشي از بدن استفاده کرد.
اين تعريف درسال 1986 ودر کنفرانس بيومواد که در اتحاديه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زير در آمده: بيو ماده يک ماده ي غير ماندني (non-viable) است که در يک وسيله ي پزشکي استفاده مي شود.
اين ماده توانايي ميانکش باسيستم بيولوژيک را داراست.
يک بيوسراميک، سراميکي است که به عنوان يک بيوماده استفاده مي شود. بيوسراميک ها زمينه اي نسبتاً جديد در بيومواد هستند . اين زمينه از بيومواد تا قبل از دهه ي 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسياري از بيو سراميک ها امروزه، موادي جديد به شمار مي آيند. يکي از مهمترين آنها، آلومينا (Alumona) است. بيوسراميک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذيري شيميايي دربدن به زيرگروه هايي تقسيم مي شوند. اين زير گروه ها درجدول 1 به صورت ليست آورده شده اند.

واکنش پذيري نسبي اين گروه ها در شکل 1 مقايسه شده است.

اگر ماده ي تقريباً خنثي که به عنوان بخشي از امپلنت دربدن استفاده مي شود. موجب پديد آمدن واکنش هاي حفاظتي بدن بشوند، امپلنت را با يک پوشش به ضخامت تقريبي يک ميکرون کپسوله مي کنند. البته بايد گفت که اين واکنش حفاظتي ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت هاي فلزي وپليمري نيز اتفاق افتد.هنگامي که از سراميک هاي بيواکتيو به عنوان پوشش استفاده مي شود، يک حالت پيوند ميان بافت وامپلنت پديدمي آيد ويک لايه بوسيله ي فرآيند ترميم طبيعي بافت بوجود مي آيد. که اين لايه به عنوان يک ميانجي ميان بافت وامپلنت عمل مي کند. سراميک هاي بيواکتيو مانند HA را مي توان به حالت بالک يا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بيوسراميک هاي با قابليت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تري کلسيم فسفات (Tcp) در بدن حل مي شوند .اين نوع از بيوسراميک ها بوسيله ي بافت هاي بوجود آمده در اطراف امپلنت جايگزين مي شوند. يکي از ملزومات اين نوع بيوسراميک هاي با قابليت جذب مجدد اين است که اين مواد نبايد سمي باشند. شبيه به هيدروکسي آپاتيت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نيز براي پرکردن فضاهاي موجود در استخوان ها استفاده مي شود.

شکل 2 تعدادي از استفاده هاي باليني از بيوسراميک ها را نشان مي دهد. اين استفاده ها در بخش هاي مختلف بدن مانند سر وانگشتان و براي ترميم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. اين گونه از ترميم ها درمواردي که بافت در اثر بيماري ويا صدمه ويا بر اثر سايش از بين رفته است، ضروري مي شوند. کاربردهاي بسيار ديگري از بيوسراميک ها وجود دارد مثلاً پوشش هاي کربني پيروليتيک مورد استفاده در دريچه هاي قلب و شيشه هاي راديو اکتيوويژه که در درمان تومورهاي خاص از آنها استفاده مي شود. درپايان اين مقاله توضيح مختصري در مورد اين کاربردها مي دهيم. در ادامه همچنين به بيان مزيت هاومعايب سراميک ها درکاربردهاي بيو موادي مي پردازيم. واين مزيا ومعايب را با فلزات و پليمرهاي مورد استفاده دربيو مواد مقايسه مي کنيم وبه اين نکته توجه کنيد که اگر چه بيومواد موادي هستند که از خود ويژگي هاي مناسب براي استفاده شدن دربدن نشان مي دهندولي اين مواد ممکن است از جنبه هاي ديگر باعث ايجاد مشکلات سلامتي شوند.

مزايا و معايب سراميک ها
 

در انتخاب مواد براي يک کاربرد خاص ما تنها يک انتخاب مي توانيم انجام دهيم.انتخاب ماده يکي از بخش هاي اساسي در فرآيند توليد است.وبه طور خاص درشرايطي که هدف ما توليد يک امپلنت يا وسيله ي پزشکي است، اين مسأله مهم تر مي شود.

سه گروه اصلي ماده که ما از آنها مي توانيم به عنوان يک بخش بارکش استفاده کنيم. عبارتند از : فلزات، پليمرها وسراميک ها . جدول 2 ليستي مقايسه اي از خواص فيزيکي مهم سه گروه اصلي بيومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار اين مواد را در شرايط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسي کرده است.

مزيت اصلي سراميک ها درمقايسه با ساير گروه هاي بيومواد خاصيت زيست سازگار پذيري آنهاست . برخي از سراميک ها وقتي درمحيط بدن قرار گيرند، خاصيت خنثي داشته درحالي که برخي ديگر واکنشي کنترل شده با بدن دارند. معايب عمده ي اکثر بيوسراميک هاي عبارتند از:
تافنس پايين (که اين تافنس پايين بر روي قابليت اطمينان امپلنت تأثير مي گذارد)

مدول يانگ بالا
 

يکي از راه هاي اصلي براي افزايش تافنس سراميک ها توليد يک ماده ي کامپوزيت است. که دراين کامپوزيت، سراميک مي تواند به عنوان فاز تقويت کننده زمينه ويا هر دو قسمت باشد. يک مثال از اين گونه کامپوزيت ها پلي اتيلن تقويت شده با ذرات HA است. اين نوع کامپوزيت يک کامپوزيت زمينه پليمري (PMC) است. تافنس کامپوزيت حاصله از تافنس HA بيشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته مي شود، تافنس حاصله از اين کامپوزيت همخواني بيشتري با استخوان دارد. (مدول يانگ آن به استخوان نزديک تر است). بيوسراميک ها همچنين به عنوان پوشش بر روي زير لايه هاي فلزي استفاده مي شوند. يک مثال از اين نوع مواد، پوشش هاي بيواکتيو شيشه اي است که بر روي فولاد زنگ نزن استفاده مي شود. اين نوع کامپوزيت داراي تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحي شيشه است.

امپلنت هاي سراميکي و ساختار استخوان
 

ويژگي هاي لازم براي يک امپلنت سراميک براساس وظيفه اي که امپلنت در بدن ايفا مي کند، ايجاد مي شود. براي مثال مي توان گفت که عملکرد يک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش مياني متفاوت است.به هر حال براي سراميکهاي مورد استفاده در امپلنت ها دو معيار اصلي وجود دارد.
سراميک بايد با محيط فيزيولوژي بدن زيست سازگاري داشته باشد.
خواص مکانيکي سراميک بايد با بافت محيطي خود همخواني داشته باشد.
بيشتر امپلنت هاي بيوسراميکي با استخوان در تماس هستند.استخوان يک ماده ي زنده است که از سلول تشکيل شده است. ودر داخل آن جريان خون برقرار است. استخوان يک ماده ي کامپوزيت است که از کالوژن (يک ماده ي انعطاف پذير وبا تافنس بالا ) وکريستال هاي آپاتيت کلسيم وفسفات (البته به مجموع آپاتيت کلسيم وفسفات، کلسيم هيدروکسي آپليت مي گويند) . دراين ها به اختصار اين ماده را HAمي ناميم اين HA است که موجب سخت بودن استخوان مي شود.
کريستال هاي سوزني آپاتيت طولي برابر 40-20 نانومتر وعرضي برابر 3-1.3 نانومتر دارند. اين کريستال ها در داخل زمينه اي از فيبرهاي کالوژني قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بيوسراميک ها بيشتر با آنها سروکار داريم عبارتند از :
استخوان اسفنجي (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان هاي اسفنجي دانسيته ي کمتري نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما داراي يک لايه ي متراکم بيروني از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجي را در برگرفته است.

شکل 3 نمايشي از برش طولي يک استخوان بلند است. فضاي بازبين بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد يا قرمز پر شده است.که اين بخش، قسمت زنده ي استخوان است. استخوان اسفنجي به دليل دانسيته ي کمتر، مدول يانگ کمتري نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا داراي مدول يانگي بزرگ تر از بافت هاي اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول يانگ ميان انواع مختلف بافت هاي متصل به هم باعث مي شود که گراديان مناسبي از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانيکي يک امپلنت بسيار مهم مي باشد. شکل 4 مدول يانگ مواد مورد استفاده در امپلنت هاي مختلف را مقايسه کرده است. مدول يانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از ?AI?_2 O_3 است. همچنين مدول يانگ استخوان اسفنجي چند مرتبه کمتر از ?AI?_2 O_3 است.
اگر امپلنت داراي مدول يانگ بالاتري نسبت به استخوان باشد، موجب پديد آمدن مشکلي مي شود که به آن استرس شيلدينگ (Stress Shielding) مي گويند. پديده ي استرس شيلدينگ باعث سست شدن بخش هايي از استخوان مي شود که کمترين بار بر روي آن ها اعمال مي شود ويا بار به صورت فشاري بر آن اعمال مي شود. (به استخوان بايد به صورت کششي نيرو اعمال شود تا سالم بماند) استخواني که بر روي آن بار اعمال نمي شود يا به صورت فشاري بار بر روي آن اعمال مي شود، متحمل تغييرات بيولوژيکي مي شود. که اين تغييرات باعث جذب استخوان توسط محيط مي شود.
از بين بردن استرس شيلدينگ بوسيله ي کاهش مدول يانگ يکي از اولين راه کارها در توسعه ي کامپوزيت هاي بيوسراميکي بوده است.
منبع انگليسي مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton
ادامه دارد...