علم سرامیک

ارائه طرح ساخت سرامیک مقاوم در برابر شکنندگی
چهارشنبه 17 آبان 1391  10:08 PM

در این طرح محسن زاده با توجه به مزایای استفاده از فرآیند سل- ژل و همچنین الگوبرداری از ترکیبات طبیعی تلاش خود را برای ساخت کامپوزیت کاریبد سیلسیم- پلی متیل متا اکریلات متمرکز کرده است و این کامپوزیت با بهره گیری از فرآیندهای آماده سازی بدنه های سلولزی، تزریق نانو ذرات سیلیس، پیرولیز، فرآیند احیای کربوترمال سیلیس و فرآیند پلیمریزاسیون رادیکال آزاد ساخته شده است.

بدنه های سرامیکی از ترکیبات متشکل از عناصر فلزی و غیر فلزی که به طور شیمیایی به هم متصل شده اند ساخته می شود و با وجود اینکه این ترکیبات دارای مزیت هایی مانند قیمت تمام شده پایین، سختی و خواص مکانیکی مطلوبی هستند اما خاصیت تردی و شکنندگی این بدنه ها سبب پرهزینه شدن و نیز کند بودن فرآیند ساخت در سال های اخیر شده است.

بر اساس یافته های این طرح اضافه نمودن فاز ثانویه به صورت الیاف، ذره وصفحه به بدنه های سرامیکی مشکل تردی این بدنه ها را تا حد زیادی کاهش می دهد.       

بررسی نتایج آزمایشهای خواص مکانیکی کامپوزیت ساخته شده نشان می دهد این بدنه می تواند به عنوان گزینه مناسبی جهت استفاده در صنایع هوافضا و جایگزین آلیاژهای فلزی آلومینیم T9 مورد استفاده در این صنعت مطرح شود.

ارائه طرح ساخت سرامیک مقاوم در برابر شکنندگی
چهارشنبه 17 آبان 1391  10:08 PM

در این طرح محسن زاده با توجه به مزایای استفاده از فرآیند سل- ژل و همچنین الگوبرداری از ترکیبات طبیعی تلاش خود را برای ساخت کامپوزیت کاریبد سیلسیم- پلی متیل متا اکریلات متمرکز کرده است و این کامپوزیت با بهره گیری از فرآیندهای آماده سازی بدنه های سلولزی، تزریق نانو ذرات سیلیس، پیرولیز، فرآیند احیای کربوترمال سیلیس و فرآیند پلیمریزاسیون رادیکال آزاد ساخته شده است.

بدنه های سرامیکی از ترکیبات متشکل از عناصر فلزی و غیر فلزی که به طور شیمیایی به هم متصل شده اند ساخته می شود و با وجود اینکه این ترکیبات دارای مزیت هایی مانند قیمت تمام شده پایین، سختی و خواص مکانیکی مطلوبی هستند اما خاصیت تردی و شکنندگی این بدنه ها سبب پرهزینه شدن و نیز کند بودن فرآیند ساخت در سال های اخیر شده است.

بر اساس یافته های این طرح اضافه نمودن فاز ثانویه به صورت الیاف، ذره وصفحه به بدنه های سرامیکی مشکل تردی این بدنه ها را تا حد زیادی کاهش می دهد.       

بررسی نتایج آزمایشهای خواص مکانیکی کامپوزیت ساخته شده نشان می دهد این بدنه می تواند به عنوان گزینه مناسبی جهت استفاده در صنایع هوافضا و جایگزین آلیاژهای فلزی آلومینیم T9 مورد استفاده در این صنعت مطرح شود.

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی و پزشکی (3)

 

شیشه – سرامیک های بیواکتیو
 

ما می دانیم که شیشه – سرامیک ها بوسیله ی کریستالیزاسیون شیشه ها تولید می شوند.این کار بوسیله ی کریستالیزاسیون بوسیله ی عملیات حرارتی انجام می شود. برخی از شیشه – سرامیک ها ، ترکیباتی بیواکتیوهستند.رفتار این مواد در بدن بسیار شبیه به رفتار شیشه های بیواکتیو است.گفته می شود که این مواد پیوندی قوی با بافت ایجاد می کنند.

سرابون A-W (Cerabone A-W)
 

این نوع شیشه – سرامیک از کریستالیزاسیون شیشه ای با ترکیب زیر تولید می شود.
4.6% وزنی MgO، 44.7 % وزنی CaO ، 34%.O وزنی ، %6.2 وزنی و %O.5 وزنی فازهای کریستالی این شیشه – سرامیک اکسی فلئورو آپاتیت به نام فاز A وتباولاستونیت به نام فاز W است. این فاز ها به ترتیب در دمای 870C° و 900C° رسوب می کنند .ترکیب فاز شیشه ای باقیمانده عبارتست از : %16.5 وزنی MgO ، 24.2 % وزنی CaO و 59.2% وزنی ویژگی های شیشه – سرامیک A-W در جدول 2 بخش اول مقاله نشان داده شده است.کابردهای این نوع شیشه – سرامیک عبارتست از پروتزهای ستون فقرات ، اسپسی سرهای ستون فقرات ( Vertebral Spacers) و پروتزهای تاج لگن خاصره (iliac crest Prostheses)

کراویتال (ceravital)
 

این نام به تعدادی از ترکیبات مختلف شیشه و شیشه – سرامیک اشاره دارد که در دهه ی 1970 در آلمان تولید شدند. این نوع از شیشه سرامیک ها برای استفاده های پزشکی توسعه یافتند. تنها جایی که از این نوع شیشه – سرامیک ها به صورت بالینی استفاده می شود در جایگزینی استخوانهای کوچک درگوش میانی است. دراین کاربردها خواص مکانیکی ماده به حدی است که پروتز تنها می تواند حداقل نیروهای اعمالی را تحمل کند.

بیووریت I(I bioverit)
 

این شیشه – سرامیک از دو فاز کریستالی دریک زمینه ی شیشه ای تشکیل شده است . جزء کریستالین حیاتی که باعث می شود این شیشه – سرامیک قابلیت ماشین کاری داشته باشد، میکاست. برای ایجاد خاصیت بیواکتیوی ، فاز دیگر پدید آمده دراین شیشه – سرامیک آپاتیت است. نوع ومیزان هر فاز به ترکیب شیشه ی اضافی بستگی دارد.

جدول 1 ترکیب نمونه وار یک شیشه – سرامیک بیووریتی I را نشان می دهد. ترکیب 1 از میکای فلئوروفلوگوپیتی و آپاتیت تولید شده است.ترکیب 2 نیز از میکای تتراسیلیسیک و آپاتیت تولید شده است. چندین کاربرد بالینی برای شیشه – سرامیک های با قابلیت ماشین کاری وبیواکتیو وجود دارد این کاربردها عبارتند از اسپی سرهای مورد استفاده در جراحی های ارتوپدیک و امپلنت های گوش میانی

هیدروکسی آپاتیت
 

خانواده ی مینرالی آپاتیت دارای فرمول عمومی است .در هیدورکسی آپاتیت (HA) یا کلسیم هیدروکسی آپاتیت A=Ca ، B=P و X=OH بخش مینرالی دندان واستخوانها از آپاتیت کلسیم و فسفر است که کریستالهایی شبیه به HA دارد.تقریباً 70% وزنی و 50 درصد حجمی استخوان طبیعی از هیدروکسی آپاتیت ساخته شده است.
هیدروکسی آپاتیت دارای کریستال های هگزا گونال است که ثوابت شبکه ای آن عبارتند از : a=o.9432nm و C=O.6881nm
یون های هیدروکسی درموقعیت های گوشه های صفحه ی اصلی ودر فاصله های مساوی در طول ستون هگزاگونال (موازی محور C ) قرار دارند. شش عدد از 10 یون کلسیم دوباره مثبت درسلول واحد با گروه های هیدروکسیل پیوند داده اند. یک گروه از این یون های تشکیل یک مثلث می دهند. که در دوره یک گروه OH قرار دارند. یکی از این مثلث ها در Z=0.25 ودیگری در Z=0.75 قرار دارند. شش تتراهدرال به صورت آرایش پیچی شکل از Z=0.25 تا Z=0.75 قرار دارند. شبکه ی گروه های تشکیل یک شبکه ی اسکلت مانند می دهد که باعث پایداری ساختار آپاتیت می شود.
ممکن است در ساختار HA جانشینی هایی بوجود آید یون های جانشین به جای گروه های موجب تغییر در پارامترهای شبکه وبرخی ازخواص کریستال مانند پایداری آن می شود. اگر گروه در HA با جایگزین شود، آینون ها به یون های اطراف خود نزدیک می شوند. این مسئله سبب افزایش پایداری شبکه می شود. وبه این دلیل است که گفته می شود یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. یون فلئور باعث کاهش فساد دندان ها می شود. این یافته ها از مطالعات بر روی فلئور وتأثیراتش بر روی HA نتیجه شده است. معمولاً آپاتیت های زیستی که فازهای مینرالی استخوان ، مینای دندان وعاج دندان را تشکیل داده است. را هیدروکسی آپاتیت (HA) می گویند. در واقع این اجزای بدن با HA خالص از لحاظ استوکیومتری ، ترکیب شیمیایی وکریستالیزاسیون تفاوت دارند. همچنین خواص فیزیکی ومکانیکی این اجزا نیز نسبت به HA خالص متفاوت است. (همانگونه که درجدول 2 نشان داده شده است) .

آپاتیت های زیستی معمولاً دارای کمبود یون بوده ودر آنها همواره گروه کربنات جایگزین شده است. به همین دلیل برخی اوقات به آپاتیت های زیستی، کربنات آپاتیت می گویند. (نه هیدروکسی آپاتیت) برای کاربردهای بیومدیکالی HA به یک یا دو حالت وجود دارد.
1)فرم متراکم
2)فرم متخلخل
ما در ادامه به نحوه ی تولید این فرم ها وبرخی از کاربردهایشان اشاره می کنیم.
از بیشتر روش های مورد استفاده در ساخت سرامیک ها می توان برای ساخت آپاتیت متراکم (dense HA) استفاده کرد.ساده ترین روش تولید پرس خشک پودر HA است. در این روش فشار پرس 60-80MPa است. پودر مورد استفاده ممکن است . همچنین با مقدار کمی از یک بایندر مخلوط شود. بایندرهای مناسب برای این فرآیند یک درصد وزنی نشاسته ی غلات و آب ، اسید استریک (Steric acid) در الکل یا هیدروکربن های با وزن ملکولی پایین است. پس از پرس کردن ، سرامیک خام در اتمسفر هوا زینتر می شود. دمای زینترینگ بیش از 1300c° است. نمونه ها معمولاً چند ساعت در دمای ماکزیمم قرار داده می شوند تاعمل زینترینگ مناسب انجام شود.
با استفاده از تکنیک پرس ایزواستتیک ما می توانیم دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر بدست آوریم. (در دمای 900c° به جای 1300C° ). استفاده از دمای پایین تر درعمل زینترینگ نه تنها هزینه ی تولید را کاهش می دهد بلکه از بوجود آمدن سایر فازهای فسفات کلسیم نیز جلوگیری می کنند.
فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم همچنین برای شکل دهی سرامیک های HA استفاده می شود. استفاده از این فرآیند موجب تشکیل بدنه های بادانسیته ی یکنواخت تری نسبت به بدنه های تولیدی با پرس تک محوری می شود. وبدنه هایی با استحکام مکانیکی بالاتر بوجود می آورد. معایب پرس گرم وپرس ایزواستاتیک گرم قیمت بالای ادوات آن هاست.
کاربردهای فراوانی برای هیدروکسی آپاتیت متراکم وجود دارد. این نوع آپاتیت به دوفرم بالک وذره ای کاربرد دارد. جدول 3 لیستی از کاربردهای آن آورده شده است. یکی از کاربردهای مهم این مواد در جایگزینی ریشه های دندان است. این امپلنت ها که کمک می کنند تا حفرات آلواره از بین نرود وحالت صورت تغییر نکند.

ویژگی خاص هیدروکسی آپاتیت متخلخل (poraus HA) این است که این ماده اجازه می دهد که بافت در داخل تخلخل هایش رشد کند. این ماده سبب ثابت شدن زیستی (فیکس شدن زیستی) امپلنت می شود.اندازه ی حداقل تخلخل های لازم برای این کار 100 میکرون است.هنگامی که HA متخلخل به عنوان بستر رشد بافت استفاده می شود. این ماده باید از شبکه ی استخوانی تقلید کند. ریز ساختار ایده آل برای بازسازی استخوان متراکم (غشائی) یک ساختار با تخلخل های به هم پیوسته (به میزان 65% ) است، که اندازه ی تخلخل ها بین 190تا 230 میکرون باشند. جایگزین ایده آل برای استخوان اسفنجی می تواند شامل شبکه ی نازکی از تخلخل های به هم پیوسته ی بزرگ (500-600Mm) باشد.
چندین روش برای تولید سرامیک های HA متخلخل وجود دارد. که بیشتر آنها روش هایی ابداعی هستند. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:

زینترینگ پودر HA
 

دراین فرآیند پودر HA ویا یک مخلوط مناسب زینترینگ می شود. ذرات نفتالن مورد استفاده درمخلوط در طی فرآیند حرارت دهی تبخیر می شود. وتشکیل شبکه ای از تخلخل ها را در توده ی ماده می دهد. از روش های مشابهی در تهیه ی مواد متخلخل مختلف مانند فرم های شیشه ای استفاده می شود.

تهیه ی یک ماده ی سیمانی
 

دراین روش مخلوطی از یک سیمان HA با گرانول های ساکاروز تهیه می شود. (این نوع سیمان ها بوسیله ی آب سخت می شوند) . دراین روش تخلخل ها پس از حل شدن ساکاروز در طی فرآیند گیرش سیمان بوجود می آیند. واکنش یک سیمان HA( درمحیط آبکی) که دراین روش استفاده می شوند در زیر آورده شده است:

استفاده از یک الگوی طبیعی
 

روش استفاده از الگوی طبیعی (natural-template method) در سال 1974 بوجود آمده این روش می تواند در HA متخلخل تولید کند . یک الگوی مناسب برای این کار اسکلت مرجان دریایی است که از کلسیم کربنات تشکیل شده است. (یک چنین مرجان هایی در اقیانوس آرام جنوبی یافت می شوند.)
در واکنش تولید HA واکنشی تبادلی میان گروه های کربنات و فسفات انجام می شود. واکنش می تواند به صورت زیر انجام شود:

ساختار HA تولید شده بوسله ی واکنش های تبادلی دارای تخلخل های به هم متصل است.هیدروکسی آپاتیت رشد یافته از اسکلت مرجان های پوریتس (PORITES) و گونیوپورا (Goniopora) به ترتیب می توانند ساختار نمدی استخوان های متراکم و اسفنجی را ایجاد می کنند.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.

سرامیک ها در بیولوژی وپزشکی (1)

 

مقدمه:
 

بیوسرامیک ها، سرامیک هایی هستند که برای ترمیم و بازسازی بخش های بدن انسان استفاده می شوند.کاربردهای بسیاری برای بیوسرامیک ها وجود دارد که معمولاً مهمترین آنها ساخت امپلنت هایی مانند پروتزهای مفصل ران (hip prostheses) است. (این نوع پروتز ها از جنس آلومیناست). آلومینا یک بیوسرامیک خنثی است زیرا واکنش بسیار کمی با محیط بدن می دهد. مواد بیواکتیو (bioactive Materials) دارای قابلیت پیوند مستقیم با بافت های بدن هستند.
مزیت های این مواد عبارتند از:
1)ایجادپایداری اولیه ی مناسب برای امپلنت
2)افزایش طول عمر مفید امپلنت
3)سرامیک های بیواکتیو نسبت به فلزات مرسوم درساخت امپلنت ها و سرامیک های با استحکام بالا (مانند آلومینا و زیرکونیا) ضعیف ترند. به عنوان یک نتیجه بایدگفت که سرامیک های بیواکتیو در اغلب موارد به صورت پوشش استفاده می شود. از این مواد به صورت پوشش بر روی بسته های با استحکام وتافنس بالا استفاده می شود. یکی از سرامیک های بیواکتیو مهم هیدروکسی آپاتیت (HA) است .استخوان طبیعی کامپوزیتی از ذرات HA است که بوسیله ی الیاف آلی کولاژن (Collagen) تقویت شده اند.
کامپوزیت های لپی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت در جهت ساخت موادی با ویژگی های شبیه به استخوان توسعه یافتند.
یکی از مسائلی که در زمینه ی بیو مواد با آن روبرو هستیم آگاهی از نحوه ی بوجود آمدن ویژگی های مکانیکی برتر در استخوان هاست. اگر علاقه مندیادگیری نحوه ی بازسازی استخوان ها هستید، باید در مورد بیولوژی اطلاعات کسب کنید.

بیوسرامیک ها چه موادی هستند؟
 

تعریف کاملی از بیومواد بوسیله ی انستیتوی ملی سلامت آمریکا (NIH) ارائه شده است. طبق این تعریف: یک بیوماده هر ماده ای غیر از دارو ویا ترکیب ازمواد است که منشع طبیعی یا مصنوعی داشته ومی توان از آن درطی یک بازه ی زمانی به عنوان بخشی از سیستم بهبود دهنده، تقویت کننده ویا جایگزین هر بافت، عضو یا بخشی از بدن استفاده کرد.
این تعریف درسال 1986 ودر کنفرانس بیومواد که در اتحادیه اروپا برگزار شد ساده شد وبه صورت زیر در آمده: بیو ماده یک ماده ی غیر ماندنی (non-viable) است که در یک وسیله ی پزشکی استفاده می شود.
این ماده توانایی میانکش باسیستم بیولوژیک را داراست.
یک بیوسرامیک، سرامیکی است که به عنوان یک بیوماده استفاده می شود. بیوسرامیک ها زمینه ای نسبتاً جدید در بیومواد هستند . این زمینه از بیومواد تا قبل از دهه ی 1970 وجود نداشته است. به هر حال، بسیاری از بیو سرامیک ها امروزه، موادی جدید به شمار می آیند. یکی از مهمترین آنها، آلومینا (Alumona) است. بیوسرامیک ها به طور نمونه بر اساس واکنش پذیری شیمیایی دربدن به زیرگروه هایی تقسیم می شوند. این زیر گروه ها درجدول 1 به صورت لیست آورده شده اند.

واکنش پذیری نسبی این گروه ها در شکل 1 مقایسه شده است.

اگر ماده ی تقریباً خنثی که به عنوان بخشی از امپلنت دربدن استفاده می شود. موجب پدید آمدن واکنش های حفاظتی بدن بشوند، امپلنت را با یک پوشش به ضخامت تقریبی یک میکرون کپسوله می کنند. البته باید گفت که این واکنش حفاظتی ممکن است درهنگام استفاده از امپلنت های فلزی وپلیمری نیز اتفاق افتد.هنگامی که از سرامیک های بیواکتیو به عنوان پوشش استفاده می شود، یک حالت پیوند میان بافت وامپلنت پدیدمی آید ویک لایه بوسیله ی فرآیند ترمیم طبیعی بافت بوجود می آید. که این لایه به عنوان یک میانجی میان بافت وامپلنت عمل می کند. سرامیک های بیواکتیو مانند HA را می توان به حالت بالک یا به صورت پوشش در امپلنت ها استفاده کرد. بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد (Resorbable bioceramics) مانند تری کلسیم فسفات (Tcp) در بدن حل می شوند .این نوع از بیوسرامیک ها بوسیله ی بافت های بوجود آمده در اطراف امپلنت جایگزین می شوند. یکی از ملزومات این نوع بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد این است که این مواد نباید سمی باشند. شبیه به هیدروکسی آپاتیت، استفاده از Tcp به صورت پوشش از حالت بالک مرسوم تر است.البته Tcp به صورت پودر نیز برای پرکردن فضاهای موجود در استخوان ها استفاده می شود.

شکل 2 تعدادی از استفاده های بالینی از بیوسرامیک ها را نشان می دهد. این استفاده ها در بخش های مختلف بدن مانند سر وانگشتان و برای ترمیم استخوان ها، مفصل ها ودندان ها هستند. این گونه از ترمیم ها درمواردی که بافت در اثر بیماری ویا صدمه ویا بر اثر سایش از بین رفته است، ضروری می شوند. کاربردهای بسیار دیگری از بیوسرامیک ها وجود دارد مثلاً پوشش های کربنی پیرولیتیک مورد استفاده در دریچه های قلب و شیشه های رادیو اکتیوویژه که در درمان تومورهای خاص از آنها استفاده می شود. درپایان این مقاله توضیح مختصری در مورد این کاربردها می دهیم. در ادامه همچنین به بیان مزیت هاومعایب سرامیک ها درکاربردهای بیو موادی می پردازیم. واین مزیا ومعایب را با فلزات و پلیمرهای مورد استفاده دربیو مواد مقایسه می کنیم وبه این نکته توجه کنید که اگر چه بیومواد موادی هستند که از خود ویژگی های مناسب برای استفاده شدن دربدن نشان می دهندولی این مواد ممکن است از جنبه های دیگر باعث ایجاد مشکلات سلامتی شوند.

مزایا و معایب سرامیک ها
 

در انتخاب مواد برای یک کاربرد خاص ما تنها یک انتخاب می توانیم انجام دهیم.انتخاب ماده یکی از بخش های اساسی در فرآیند تولید است.وبه طور خاص درشرایطی که هدف ما تولید یک امپلنت یا وسیله ی پزشکی است، این مسأله مهم تر می شود.

سه گروه اصلی ماده که ما از آنها می توانیم به عنوان یک بخش بارکش استفاده کنیم. عبارتند از : فلزات، پلیمرها وسرامیک ها . جدول 2 لیستی مقایسه ای از خواص فیزیکی مهم سه گروه اصلی بیومواد آورده شده است. جدول 3 رفتار این مواد را در شرایط استفاده بالقوه درامپلنت ها بررسی کرده است.

مزیت اصلی سرامیک ها درمقایسه با سایر گروه های بیومواد خاصیت زیست سازگار پذیری آنهاست . برخی از سرامیک ها وقتی درمحیط بدن قرار گیرند، خاصیت خنثی داشته درحالی که برخی دیگر واکنشی کنترل شده با بدن دارند. معایب عمده ی اکثر بیوسرامیک های عبارتند از:
تافنس پایین (که این تافنس پایین بر روی قابلیت اطمینان امپلنت تأثیر می گذارد)

مدول یانگ بالا
 

یکی از راه های اصلی برای افزایش تافنس سرامیک ها تولید یک ماده ی کامپوزیت است. که دراین کامپوزیت، سرامیک می تواند به عنوان فاز تقویت کننده زمینه ویا هر دو قسمت باشد. یک مثال از این گونه کامپوزیت ها پلی اتیلن تقویت شده با ذرات HA است. این نوع کامپوزیت یک کامپوزیت زمینه پلیمری (PMC) است. تافنس کامپوزیت حاصله از تافنس HA بیشتر است وهمانگونه که در ادامه گفته می شود، تافنس حاصله از این کامپوزیت همخوانی بیشتری با استخوان دارد. (مدول یانگ آن به استخوان نزدیک تر است). بیوسرامیک ها همچنین به عنوان پوشش بر روی زیر لایه های فلزی استفاده می شوند. یک مثال از این نوع مواد، پوشش های بیواکتیو شیشه ای است که بر روی فولاد زنگ نزن استفاده می شود. این نوع کامپوزیت دارای تافنس واستحکام فولاد و خواص سطحی شیشه است.

امپلنت های سرامیکی و ساختار استخوان
 

ویژگی های لازم برای یک امپلنت سرامیک براساس وظیفه ای که امپلنت در بدن ایفا می کند، ایجاد می شود. برای مثال می توان گفت که عملکرد یک پروتز مفصل ران (THP) با امپلنت گوش میانی متفاوت است.به هر حال برای سرامیکهای مورد استفاده در امپلنت ها دو معیار اصلی وجود دارد.
سرامیک باید با محیط فیزیولوژی بدن زیست سازگاری داشته باشد.
خواص مکانیکی سرامیک باید با بافت محیطی خود همخوانی داشته باشد.
بیشتر امپلنت های بیوسرامیکی با استخوان در تماس هستند.استخوان یک ماده ی زنده است که از سلول تشکیل شده است. ودر داخل آن جریان خون برقرار است. استخوان یک ماده ی کامپوزیت است که از کالوژن (یک ماده ی انعطاف پذیر وبا تافنس بالا ) وکریستال های آپاتیت کلسیم وفسفات (البته به مجموع آپاتیت کلسیم وفسفات، کلسیم هیدروکسی آپلیت می گویند) . دراین ها به اختصار این ماده را HAمی نامیم این HA است که موجب سخت بودن استخوان می شود.
کریستال های سوزنی آپاتیت طولی برابر 40-20 نانومتر وعرضی برابر 3-1.3 نانومتر دارند. این کریستال ها در داخل زمینه ای از فیبرهای کالوژنی قرار دارند . دونوع مختلف از استخوان ها که در موضوع بیوسرامیک ها بیشتر با آنها سروکار داریم عبارتند از :
استخوان اسفنجی (Can Cellaus)
استخوان متراکم (Cortical)
استخوان های اسفنجی دانسیته ی کمتری نسبت به نوع متراکم دارند. هر استخوان بدن ما دارای یک لایه ی متراکم بیرونی از جنس استخوان فشرده است که استخوان اسفنجی را در برگرفته است.

شکل 3 نمایشی از برش طولی یک استخوان بلند است. فضای بازبین بخش متراکم استخوان از مغز استخوان زرد یا قرمز پر شده است.که این بخش، قسمت زنده ی استخوان است. استخوان اسفنجی به دلیل دانسیته ی کمتر، مدول یانگ کمتری نسبت به استخوان متراکم دارد.(شکل 4) هر دونوع استخوان اشاره شده در بالا دارای مدول یانگی بزرگ تر از بافت های اطراف خود مانند تاندون ها و رباط ها هستند.

تفاوت مدول یانگ میان انواع مختلف بافت های متصل به هم باعث می شود که گرادیان مناسبی از تنش ها به استخوان و بافت وارد شود. خواص مکانیکی یک امپلنت بسیار مهم می باشد. شکل 4 مدول یانگ مواد مورد استفاده در امپلنت های مختلف را مقایسه کرده است. مدول یانگ (E) استخوان متراکم 10- 50 مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است. همچنین مدول یانگ استخوان اسفنجی چند مرتبه کمتر از 〖AI〗_2 O_3 است.
اگر امپلنت دارای مدول یانگ بالاتری نسبت به استخوان باشد، موجب پدید آمدن مشکلی می شود که به آن استرس شیلدینگ (Stress Shielding) می گویند. پدیده ی استرس شیلدینگ باعث سست شدن بخش هایی از استخوان می شود که کمترین بار بر روی آن ها اعمال می شود ویا بار به صورت فشاری بر آن اعمال می شود. (به استخوان باید به صورت کششی نیرو اعمال شود تا سالم بماند) استخوانی که بر روی آن بار اعمال نمی شود یا به صورت فشاری بار بر روی آن اعمال می شود، متحمل تغییرات بیولوژیکی می شود. که این تغییرات باعث جذب استخوان توسط محیط می شود.
از بین بردن استرس شیلدینگ بوسیله ی کاهش مدول یانگ یکی از اولین راه کارها در توسعه ی کامپوزیت های بیوسرامیکی بوده است.