علم سرامیک

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