چه فلزاتی در زمینه پزشکی استفاده می شود؟

I. تعریف و کاربردهای مواد فلزی پزشکی

مواد فلزی پزشکی که به عنوان مواد فلزی کاشت جراحی نیز شناخته می‌شوند، عمدتاً برای تشخیص، درمان و جایگزینی یا بهبود بافت در بدن انسان استفاده می‌شوند. در طول 20 سال گذشته، در حالی که توسعه مواد پزشکی فلزی کندتر از مواد زیست پزشکی مانند پلیمرها، کامپوزیت ها، هیبریدها و مشتقات بوده است، آنها خواص غیرقابل جایگزین متعددی از جمله استحکام بالا، چقرمگی خوب، مقاومت در برابر خستگی خمشی و خواص پردازش عالی را ارائه می دهند. آنها پرمصرف‌ترین مواد کاشت بار-در کاربردهای بالینی هستند. با توسعه فناوری پرینت سه بعدی فلزی، مواد پزشکی فلزی کاربرد وسیع تری پیدا کرده اند و مهمترین کاربردها شامل صفحات ثابت شکستگی، پیچ ها، مفاصل مصنوعی و ایمپلنت های دندانی است.

II. مواد متداول پزشکی فلزی

مواد فلزی اصلی مورد استفاده در کاربردهای پزشکی بالینی عبارتند از فولاد ضد زنگ، آلیاژهای کبالت، آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای حافظه دار شکل، فلزات گرانبها و فلزات خالص مانند تانتالیوم، نیوبیم و زیرکونیوم.

1. فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ پزشکی (فولاد زنگ نزن به عنوان ماده زیست پزشکی) آلیاژی مبتنی بر آهن-مقاوم در برابر خوردگی-و یکی از اولین آلیاژهای زیست پزشکی توسعه یافته است. با سهولت پردازش و هزینه کم مشخص می شود. اجازه دادن به کار سرد شکل دادن به فولاد ضد زنگ نه تنها استحکام تسلیم را افزایش می دهد، بلکه آلیاژ را در برابر زنگ سخت می کند، که به نوبه خود احتمال ایجاد شکستگی ناشی از خستگی را کاهش می دهد. وقتی به ریزساختار نگاه می کنید، فولادهای زنگ نزن به صورت آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی، یا رسوبی سخت شده{5} قرار می گیرند. جای تعجب نیست که این فولادها در دنیای پزشکی به ابزار استاندارد تبدیل شده اند. آنها را به شکل چاقوهای جراحی، ریل زیر-روی تیغه قیچی، فک های هموستات و بدنه یک سوزن توخالی خواهید یافت. علاوه بر ابزارهای دستی، فولادهای ضد زنگ در کاربردهای قابل کاشت نیز کاربرد دارند، از جمله مفاصل مصنوعی، فیکساتورهای صفحه و پیچ، تکیه گاه‌های سیم قوس ارتودنسی، و محفظه دریچه‌های دستگاه‌های دریچه قلب مکانیکی. در میان این روش‌های کاربردی، درجه‌های آستنیتی 316L و 317L که دارای محتوای کربن فوق‌العاده پایین برای به حداقل رساندن بارش کاربید مرز دانه هستند، غالب هستند. مشخصات مکتوب این آلیاژها برای اولین بار در سال 1987 در بازنگری استاندارد ISO برای مواد فلزی قابل کاشت، ISO 5832 و ISO 7153 منتشر شد. به دنبال مجموعه بین المللی، یک استاندارد ملی در کشور من، GB 12417، در سال 1990 تهیه و در سال 1991 به تصویب رسید.

زیست سازگاری و مسائل مربوط به فولاد ضد زنگ پزشکی در درجه اول مربوط به واکنش های بافتی ناشی از انحلال یون فلزی به دلیل خوردگی یا سایش پس از کاشت است. داده های بالینی گسترده نشان می دهد که خوردگی فولاد ضد زنگ پزشکی منجر به پایداری ضعیف ایمپلنت در دراز مدت می شود. علاوه بر این، چگالی و مدول الاستیک آن به طور قابل توجهی با بافت سخت انسان متفاوت است و در نتیجه سازگاری مکانیکی ضعیفی دارد. خوردگی می تواند باعث ورود یون های فلزی یا سایر ترکیبات به بافت های اطراف یا بدن به عنوان یک کل شود که به طور بالقوه منجر به واکنش های بافت شناسی نامطلوب مانند ادم، عفونت و نکروز بافتی و در نتیجه درد و واکنش های آلرژیک می شود. به طور خاص، انحلال یون نیکل از فولاد ضد زنگ می تواند باعث تغییرات پاتولوژیک جدی شود (فولاد زنگ نزن پزشکی آستنیتی معمولاً حاوی تقریباً 10٪ نیکل است). در سال‌های اخیر، فولادهای ضدزنگ پزشکی بدون-نیکل و نیکل{8} به تدریج ساخته و به کار گرفته شده‌اند.

2. آلیاژهای کبالت
آلیاژهای کبالت (آلیاژهای مبتنی بر Co-به عنوان مواد زیست پزشکی) نیز معمولاً در کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند. در مقایسه با فولاد ضد زنگ، آنها برای تولید ایمپلنت‌های طولانی‌مدت در معرض بارهای سنگین در بدن، با مقاومت در برابر خوردگی 40 برابر بیشتر از فولاد ضد زنگ مناسب‌تر هستند. اولین آلیاژ کبالت{5}}که به طور هدفمند برای پزشکی مهندسی شد، کبالت-کروم-مولیبدن بود، ترکیبی که خنک می‌شود و به یک ساختار آستنیتی پایدار تبدیل می‌شود. سپس، در اواخر دهه 1970، موجی از گزینه‌های جدید پدیدار شد، به ویژه یک جهش آهن کبالت، نیکل، کروم، آلومینیوم، تنگستن{8}} که مقاومت بالایی در برابر خستگی نشان می‌دهد، و نوع MP35N که کبالت-نیکل-کروم-آلومینیوم را حفظ می‌کند. ماتریس آستنیتی بالینی کبالت لاغرتر و انواع کبالت نیکل از آن زمان در مهندسی پروتز سرآمد بوده اند.آنها ساقه‌ها و فنجان‌های باسن مصنوعی مبتنی بر کبالت کروم-، سطوح مفصلی زانوهای آلیاژ کبالت کروم، و دستگاه‌های ارتوپدی را شکل می‌دهند که شامل آبکاری برای شکستگی‌های ناپایدار، {1}پیچ‌های درز و پرس{2}استخوان نصب شده است. در حال حاضر، آلیاژهای آلومینیم کبالت ریخته‌گری{4}}کروم- بیشترین استفاده را دارند و در استاندارد ISO 5582/4 گنجانده شده‌اند. در سال 1990، کشور من آن را در استاندارد ملی GB12417 گنجاند.

آلیاژهای کبالت معمولاً در بدن انسان در حالت غیرفعال باقی می مانند و به ندرت خورده می شوند. در مقایسه با فولاد ضد زنگ، فیلم غیرفعال آنها پایدارتر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی-است. آنها همچنین بهترین مقاومت در برابر سایش را در بین تمام مواد فلزی پزشکی ارائه می دهند، که عموماً اعتقاد بر این است که پس از کاشت هیچ واکنش بافت شناسی قابل توجهی ایجاد نمی کند. با این حال، به دلیل هزینه بالای خود، مفاصل ران مصنوعی ساخته شده از آلیاژهای کبالت، به دلیل آزاد شدن یون‌های Co و Ni ناشی از سایش و خوردگی فلز، سرعت بالایی از شل شدن را در داخل بدن نشان می‌دهند. علاوه بر این، عناصر Co و Ni رسوب‌شده چالش‌های بیولوژیکی مانند حساسیت‌زایی شدید را ارائه می‌کنند که می‌تواند به راحتی باعث نکروز سلولی و بافتی در داخل بدن شود و منجر به درد، شل شدن مفاصل و فرو رفتن شود. در نتیجه کاربرد آنها محدود شده است. در سال‌های اخیر، تکنیک‌های اصلاح سطح برای بهبود خواص سطحی آلیاژهای کبالت مورد استفاده قرار گرفته‌اند که به طور موثری اثربخشی بالینی آن‌ها را افزایش می‌دهد.

3. آلیاژهای تیتانیوم

آلیاژهای مبتنی بر Ti{0}}به عنوان مواد زیست پزشکی از جمله زیست سازگارترین فلزات شناخته شده هستند. از دهه 1940، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به تدریج در پزشکی بالینی کاربرد پیدا کردند. در سال 1951، انسان شروع به استفاده از تیتانیوم خالص برای ساخت صفحات استخوانی و پیچ کرد. در اواسط{15}}1970، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم کاربرد پزشکی گسترده‌ای پیدا کردند و به یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد پزشکی تبدیل شدند. در حال حاضر، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم عمدتاً در ارتوپدی، به ویژه در بازسازی اندام و جمجمه استفاده می‌شوند. از آن ها برای ساخت دستگاه های مختلف تثبیت شکستگی، مفاصل مصنوعی، کلاهک های جمجمه و سخت شامه، دریچه های مصنوعی قلب، دندان ها، لثه ها، حلقه های نگهدارنده و تاج استفاده می شود. پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم در کاربردهای پزشکی TC4 (Ti-6Al-4V) است. این آلیاژ دارای ساختار + دو فاز در دمای اتاق است. استحکام و سایر خواص مکانیکی آن را می توان به طور قابل توجهی از طریق درمان محلول و پیری بهبود بخشید.

چگالی تیتانیوم و آلیاژهای آن تقریباً 4.5 گرم بر سانتی‌متر مربع است که تقریباً نصف چگالی فولاد ضد زنگ و آلیاژهای کبالت است و به چگالی بافت سخت انسان نزدیک می‌شود. علاوه بر این، زیست سازگاری، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر خستگی آنها از فولاد ضد زنگ و آلیاژهای کبالت پیشی گرفته و آنها را در حال حاضر بهترین مواد پزشکی فلزی می کند. میل ترکیبی تیتانیوم و آلیاژهای آن برای بدن انسان از لایه غلیظ اکسید تیتانیوم (TiO2) روی سطوح آنها ناشی می‌شود که پس از کاشت، رسوب یون‌های کلسیم و فسفر را در مایعات بدن و تشکیل آپاتیت ایجاد می‌کند. این یک درجه خاصی از زیست فعالی و پیوند استخوانی را نشان می دهد، که آنها را به ویژه برای کاشت داخل استخوانی مناسب می کند. اما از معایب تیتانیوم و آلیاژهای آن می توان به سختی کم و مقاومت ضعیف در برابر سایش اشاره کرد. اگر سایش رخ دهد، ابتدا لایه اکسیدی از بین می رود و به دنبال آن محصولات خوردگی ذرات سایش که وارد بافت انسانی می شوند، آزاد می شود. به طور خاص، وانادیوم سمی (V) در آلیاژ Ti{11}}6Al-4V می‌تواند باعث شکست ایمپلنت شود. برای بهبود مقاومت به سایش تیتانیوم و آلیاژهای آن، می توان از آمیناسیون یونی در دمای بالا یا کاشت یون برای افزایش مقاومت به سایش سطح آنها استفاده کرد. در سال‌های اخیر، برخی از آلیاژهای تیتانیوم جدید (عمدتاً آلیاژهای نوع) ساخته شده‌اند که همگی بر کاهش عناصر مضر برای بدن انسان تمرکز دارند و به طور موثر زیست سازگاری آلیاژهای تیتانیوم را بهبود می‌بخشند.

4. شکل دادن به آلیاژهای حافظه دار

تحقیقات روی آلیاژهای حافظه دار شکل پزشکی (SMAs) به عنوان مواد زیست پزشکی در دهه 1970 آغاز شد و به سرعت کاربرد گسترده ای پیدا کرد. پرکاربردترین SMA در عمل بالینی نیکل{2}}تیتانیوم SMA است. دمای بازیابی حافظه شکل SMA های پزشکی 2 ± 36 درجه است که با دمای بدن انسان مطابقت دارد و زیست سازگاری قابل مقایسه با آلیاژهای تیتانیوم را نشان می دهد. با این حال، از آنجایی که SMA ها حاوی مقدار زیادی نیکل هستند، درمان سطحی نامناسب می تواند باعث انتشار و نفوذ یون های نیکل به بافت های اطراف شود و باعث نکروز سلولی و بافتی شود. SMA های پزشکی عمدتاً در جراحی پلاستیک و دندانپزشکی استفاده می شوند. استنت‌های خود{9}، به‌ویژه استنت‌های قلبی عروقی، نمونه بارز کاربرد آن‌ها هستند.

5. فلزات گرانبها و فلزات خالص: تانتالیم، نیوبیم و زیرکونیوم

فلزات گرانبهای پزشکی به طلا، نقره، پلاتین و آلیاژهای آنها به عنوان مواد زیست پزشکی اطلاق می شود. فلزات گرانبها زیست سازگاری عالی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی قوی، پایداری فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد، ویژگی‌های فرآوری عالی دارند و برای بافت انسان سمی نیستند. آنها در ترمیم های دندانی، ترمیم جمجمه، دستگاه های الکترونیکی قابل کاشت، پروتزهای عصبی، دستگاه های تحریک عصب گوش و دیافراگم، دستگاه های عصب بینایی و الکترودهای ضربان ساز استفاده می شوند.

تانتالیوم برای ترمیم های دندان دارای پایداری شیمیایی عالی و مقاومت در برابر خوردگی فیزیولوژیکی است. اکسید تانتالم اساساً جذب نشده و سمی نیست. تانتالیوم را می توان بدون آسیب رساندن به لایه اکسید سطحی با فلزات دیگر ترکیب کرد. در بالینی روزمره، به نظر می رسد که اتصال فلزات امکان پذیر باشد و در عین حال از ایجاد اختلال در لایه اکسید پیوسته که سطوح آنها را غیرفعال می کند، جلوگیری شود. از آنجایی که تانتالیوم، نیوبیوم و زیرکونیوم هر دو ریزساختار و پروفیل‌های واکنش‌پذیری را با مشخصات تیتانیوم نشان می‌دهند، برای کاربردهای مختلف ایمپلنت، از گرافت‌های استخوانی ابزاردار و ریشه‌های دندانی با پیچ- گرفته تا بخش‌های لولای پروتزهای متحرک، پروتزهای متحرک، مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. طیفی از دستگاه‌هایی مانند قلب‌های مصنوعی کل-تنظیم دما. با این وجود، پیگیری این فلزات در عمل معمول محدود است. اقتصاد پالایش و ساخت ذاتی آنها آنها را فراتر از بودجه اکثر حاشیه های ایمپلنت قرار می دهد.