بيوسراميک ها درکامپوزيت ها
 

دليل اصلي بوجود آمدن کامپوزيت ها، بهبود خواص مکانيکي (دراغلب موارد تافنس) است.خواص کامپوزيت ها معمولاًاز خواص سراميک هاي تنها بهترند.درمورد بيوسراميک ها تلاش مي کنيم. تا kicرا افزايش ومدول الاستيک را کاهش دهيم.
اولين کامپوزيت بيوسراميکي کامپوزيت شيشه ي بيواکتيو / الياف و فولاد زنگ نزن (compositos Stainless Steel / bioactive glass) است. اين نوع کامپوزيت از بيوگلاس 45S5( bioglass 45s5) وفولاد ضد زنگ با شماره ي AISI316L توليد شد. نحوه ي توليد اين کامپوزيت در ابتدا بدين نحو بود که يک پيش ساخت از الياف فلزي غير مداوم تهيه مي شود وسپس اين ساختار در داخل شيشه ي مذاب غوطه ور مي شد. پس از آن عمليات حرارتي مناسب سبب بهبود خواص مکانيکي آن مي شود.
براي انتقال مؤثر تنش ها درميان زمينه ي شيشه اي والياف تقويت کننده ي کامپوزيت ، بايد پيوندي قوي ميان شيشه و فلز وجود داشته باشد.براي تحقق اين امر ترشوندگي الياف فلزي با شيشه را بايد تقويت کرد. دراين فرآيند پيش از وارد کردن الياف به شيشه ي مذاب، سطح فيبر فلزي اکسيد مي شود تاترشوندگي آن افزايش يابد. آناليزهاي شيميايي انجام شده بر روي محل اتصال الياف فلزي وماتريکس شيشه دراين کامپوزيت نشان داد که اتم هاي سيليس از داخل شيشه به داخل اکسيد نفوذ کرده اند و همچنين اتم هاي آهن از اکسيد به داخل شيشه نفوذ کرده اند.گراديان شيميايي بوجود آمده درسطح مقطع محل اتصال باعث پديد آمدن ميانکنش هاي شيميايي گشته است. که اين ميانکنش ها موجب بهبود چسبندگي شده است. با فرض آنکه الياف در جهت اعمال بار مرتب شده اند وهمچنين چسبندگي خوبي ميان زمينه واجزاء وجود داشته باشد مي توانيم بگوييم که کرنش الاستيک هر دو فاز برابر است واز اين رومي توان گفت
که دراين فرمول زير بندهاي F,C و M به ترتيب به کامپوزيت، الياف و زمينه نسبت داده مي شود. همچنين V نسبت حجمي هر فاز است. اگر دريک نمونه از اين کامپوزيت 45% حجمي الياف فولادي وجود داشته باشد. و و مي توان σc را محاسبه کرد. اين مقدار برابر 262MPa است که اين عدد استحکام بسيار بالاتري نسبت به شيشه ي تنها دارد.
يکي از مشکلات بالقوه ي موجود در توليد کامپوزيت ها عدم تطابق ضريب انبساط حرارتي بين فازهاست. اين تفاوت بين شيشه وفولاد بسيار زياد است. براي بسياري از الياف ديگر مانند Ti ، اين تفاوت بيشتر نيز هست. از اين رو لازم است تا شيشه را بوسيله ي تغيير ترکيب شيسشه بهبود دهيم.
ساير بيوسراميک هاي امروزي که مورد توجه هستند عبارتند از:
1)شيشه ي بيواکتيو تقويت شده با Ti
2)شيشه ي A-W تقويت شده با 3)پلي اتيلن تقويت شده با TCP
4)پلي اتيلن تقويت شده با HA
پلي اتيلن تقويت شده با هيدروکسي آپاتيت (HA) يک مثال خوب از کامپوزيت هايي است که مي تواند خواصي از خودنشان دهد که يک ماده ي تنها آنها را ندارد. اين کامپوزيت ها براي جايگزيني استخواني بوجود آمده اند و داراي خواصي همچون بيواکتيو بودن وداکتيل بودن هستند. همچنين همخواني مناسبي با مدول الاستيک استخوان دارند.

 

شکل 1 نشان مي دهد که چگونه با افزايش نسبت حجمي HA به O.5 درکامپوزيت مي توان مدول الاستيک درگسترده ي استخوان متراکم پديد آورد. هنگامي که نسبت حجمي HA در کامپوزيت از O.45 بيشتر شود، حالت شکست از نرم به ترد تبديل مي شود. درکاربردهاي باليني نسبت حجمي O.4 ، بهينه است. کامپوزيت لپي اتيلن تقويت شده با HA با نام تجاري هاپکس (HAPEX) توليد مي شود. و چندين هزار نفر از بيماران از امپلنت هاي گوش مياني توليد شده از اين کامپوزيت استفاده مي کنند. اين نوع تکنولوژي در سال 1995 از FDA ايالات متحده ي آمريکا مجوز اخذ کرده است.

پوشش هاي بيواکتيو
 

اعمال يک پوشش سراميکي يا شيشه اي بر روي يک سطح اجازه مي دهد تا خواص سطحي وخواص مکانيکي جسم حاصله بهبود يابد. دراين مواد ما هم خواص بالک وهم خواص سطحي مناسب را داريم. سه دليل اصلي براي اعمال پوشش وجود دارد:
1)جلوگيري از خوردگي ماده
2)زيست سازگار پذير کردن امپلنت
3)پديد آوردن يک لايه ي غير بيواکتيو بر روي مواد بيواکتيو درموارد ضروري
چهار ترکيب پوششي – زير لايه وجود دارد:
1)سراميک پلي کريستال بر روي سراميک
2)شيشه بر روي سراميک
3)شيشه بر روي فلز
4)سراميک پلي کريستال بر روي فلز
پوشش هاي بيوسراميکي معمولاً بر روي زير لايه هاي فلزي اعمال مي شوند تا هم تافنس شکست بالا و هم خاصيت بيواکتيوي سطحي درامپلنت ايجاد شود. استفاده از پوشش سراميکي بيواکتيو مي تواند سبب پديد آمدن پيوند مناسب ميان پروتز وبافت هاي اطراف شود واز اين رو طول عمر پروتز افزايش مي يابد. در شرايط مناسب يک پروتز بدون سيمان بايد طول عمر بيشتر نسبت به نوع سيماني داشته باشد.(درپروتزهاي سيماني عمل اتصال پروتز به استخوان بوسيله ي سيمان انجام مي شود.)
پوشش هاي سراميکي مهم تري کلسيم فسفات و هيدروکسي آپاتيت هستند. تري کلسيم فسفات (TCP) يک بيوسراميک با قابليت جذب مجدد (resorbable bioceramic) است. اين ماده در دو مزفولوژي α وايت لوکايت (α-whitelockite) وβ وايت لوکايت (β-white lockite ) وجود دارد. فرم β اين ماده پايدارتر است. هنگامي که از TCP به عنوان امپلنت در بدن استفاده شود، اين ماده بوسيله ي محيط جذب مي شود. و بوسيله ي بافت جايگزين مي شود. وظيفه ي بيوسراميک هاي با قابليت جذب مجدد، پديد آوردن يک داربست است که بافت بتواند در داخل آن رشد کند. که اين نوع بيوسراميک ها به صورت تدريجي جذب محيط مي شوند. درصورت لزوم اين مواد مي توانند نقش چار چوب استخواني را ايفا کنند. TCP به صورت باليني دربسياري از زمينه هاي دندانپزشکي وارتوپدي استفاده مي شود. نوع بالک اين ماده در حالت متخلخل ومتراکم وجود دارد اين ماده درجايگزين هاي فوري ريشه ي دندان (tooth root replacement) و در امپلنت هاي بازسازي صورت وفک کار برد دارد .به هر حال به دليل آنکه تري کلسيم فسفات درحالت بالک داراي خواص مکانيکي ضعيفي است ، نمي توان از آن در کاربردهاي بارکش استفاده کرد.بنابراين در اغلب موارد TCP به صورت يک پوشش بر روي زير لايه ي فلزي استفاده مي شود.
روش هاي متداول دراعمال پوشش هاي HA و TCP روش پلاسما (Plasma Spray) است.اين روش يکي از تکنيک هاي توليد لايه هاي مانع حرارتي است. در روش پلاسما اسپري ازيک پلاسما ( يک گازيونيزه شده ) براي ذوب کردن HA استفاده مي شود. وسپس اين ذرات مذاب بر روي سطح مورد نظر اعمال مي شود. براي توليد پوشش هاي HA از ذرات کريستالي HA به عنوان ماده ي آغاز کننده استفاده مي شود. (گسترده ي اندازه ي ذرات HA بين 40-20Mm است) . يکي از مزاياي استفاده از روش پلاسما اسپري دراين است که زير لايه ي ما در دمايي نسبتاً ً پايين قرار دارد.(عموماً کمتر از 300c ° )واين در حالي است که دماي پلاسما ممکن است از 10000C° نيز تجاوز کند. بالانرفتن دماي زير لايه باعث مي شود که خواص مکانيکي آن تغيير نکند (مخصوصاً فلزات) ضخامت پوشش معمولا بين 60-40Mm است که ميزان تخلخل باقي مانده در آن کمتر از 2 درصد است.
پوشش هاي هيدروکسي آپاتيت بوسيله ي روش پلاسما اسپري ايجاد مي شوند، معمولاً داراي مقادير قابل توجهي کلسيم فسفات آمورف ومقدار اندکي فاز کريستالي ديگر هستند.عمليات حرارتي پوشش مي تواند ميزان کريستالينيتي آن را افزايش داده و همچنين موجب بهبود چسبندگي پوشش به زير لايه شوند. به هر حال اين فرآيند معمولاً بر روي زير لايه انجام نمي شود. زيرا از لحاط اقتصادي به صرفه نبوده و همچنين ممکن است خواص مکانيکي زير لايه را کاهش دهد.
علاوه بر پلاسما اسپري، ساير روش هاي مورد استفاده براي اعمال پوششHA عبارتند از :
1)روش رسوب دهي الکتروفورتيک (electrophoretic deposition)
2)روش اسپاترينگ (Sputtering) براي توليد پوشش هاي بسيار نازک
3)روش پرس ايزواستاتيک گرم براي توليد مواد بادانسيته ي بالا
از رسوب دهي الکتروفورتيک مي توان براي پوشش دهي تخلخل هايي که به روش هاي معمولي مانند پلاسما اسپري پوشيده نشده اند. استفاده کرد. اما چسنبدگي ميان ذرات HA و زير لايه وذرات HA با هم ضعيف است واز اين رو پس از رسوب از رسوب دهي نياز است تا قطعه در دماي بالا زنيترينگ شود.
روش اسپاترينگ براي توليد پوشش هاي نازک (1Mm) از HA استفاده مي شود. فيلم رسوب داده شده دراين روش آمورف است زيرا ذرات پاشيده شده دراين روش انرژي کينتيکي کافي براي باز آرايي حالت کريستالي را ندارند. عمليات حرارتي در دماي 500C° کافي است تا اين فيلم آمورف را به صورت کريستالي در آورد. دوام فيلم هاي نازک اسپاتر شده در بدنه هنوزاثبات نشده است.
روش پرس ايزواستاتيک گرم نيز براي توليد فيلم ها استفاده مي شود. اگر يک امپلنت فلزي را با ذرات HA پوشش دهيم . و سپس آن را پرس گرم کنيم، مي توانيم پوششي چسبنده وبا دانسيته ي بالا توليد کنيم. براي ايجاد يک فشار يکسان بر روي ذرات HA دراين فرآيند بايدامپلنت را در داخل يک فويل فلزي (فلز گران بها ) قرار دهيم.همانگونه که مي دانيد با استفاده از روش پرس ايزواساتيک گرم مي توانيم از دماهاي پايين تري نسبت به روش هاي غير ايزواستاتيک ، براي زينتر ينگ استفاده کنيم. استفاده از دماي پايين تر در زينتر ينگ احتمال تغيير خواص مکانيک زيرلايه ي فلزي کاهش مي يابد.
چندين شرايط براي استفاده از پوشش هاي HA در وسايل پروتزي وجود دارد:
1)فاز کريستالي صحيح
2)ترکيب پايدار
3)دانسيته ي بالا
4)چسبندگي خوب به زير لايه
5)خلوص بالا
6)واکنش ندادن با زير لايه
پوشش هاي توليدي با پلاسماي اسپري اغلباً مخلوطي از فازهاي کريستالي و آمورف هستند. که اين مسئله ممکن است مطلوب نباشد. چسبندگي پوشش هاي HA توليد شده به اين روش به زير لايه هاي فلزي اساساً مکانيکي است. وبنابراين زبري زير لايه نقش مهمي را ايفا مي کند.
منبع:ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton
ادامه دارد...