تیتانیوم ؛ آچارفرانسه مهندسی پزشکی!

رفتار فیزیولوژیکی

تیتانیوم ماده ای زیست سازگار است. یعنی وقتی در بدن انسان قرار می گیرد، بدون تغییر باقی می ماند. این خاصیت تیتانیوم، ارتباط تنگاتنگی با مقاومت این فلز در برابر خوردگی دارد. پس از عملیات کاشت ایمپلنت در بدن انسان، سلول های بدن این مواد را به عنوان «مواد خارجی» تشخیص می دهند.

از این رو سلول ها سعی می کنند با قرار دادن ایمپلنت ها در یک سری بافت های رشته ای، آن ها را از سایر ارگان های بدن جدا کنند. با این حال ایمپلنت های تیتانیومی هیچ گونه واکنش منفی ندارند و بدن آن ها به خوبی تحمل می کند. یعنی برخلاف فولادهای زنگ نزن، واکنش آلرژیکی با بافت های زنده ایجاد نمی کنند.

پوشش هیدروکسی آپاتیت

برای کاربردهای زیستی، سطح تیتانیوم با پوشش هیدروکسی آپاتیت (Hydroxyapatite) اصلاح می شود. فرایند اسپری پلاسما، تنها روش پذیرفته شدۀ تجاری برای رسوب چنین پوششی روی تیتانیوم است.

هیدروکسی آپاتیت یک سطح زیست ­فعال (Bioactive) فراهم می کند. این ماده نوعی پیوند با استخوان ایجاد می کند تا سایر دستگاه های تثبیت مکانیکی مورد نیاز نباشند. رایج ترین گریدهای استفاده شده از نظر تجاری برای کاربردهای پزشکی، تیتانیوم خالص و آلیاژ Ti6Al4V هستند.

پایداری مکانیکی

تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای خواص مکانیکی مناسبی مانند استحکام، مقاومت در برابر خمش و خستگی هستند. سایر خصوصیات خاصی که این مواد را به یک مادۀ بیولوژیکی مطلوب تبدیل می کند، چگالی و مدول الاستیک آنهاست.

از نظر چگالی، تیتانیوم چگالی کمتری نسبت به دیگر فلزات مورد استفاده در کاربردهای پزشکی است. جدول زیر مقایسۀ خوبی بین چگالی آلیاژهای زیستی مطرح و استخوان کورتیکال انجام داده است. (منظور از استخوان کورتیکال، نوعی استخوان است که لایۀ بیرونی استخوان های بدن را می سازند. حدود 80 درصد کل وزن اسکلت بدن را استخوان های کورتیکال تشکیل می دهند).

داشتن مدول الاستیک پایین تر نسبت به سایر فلزات، از نظر “بیومکانیکی” امری مطلوب است. زیرا باعث می شود رفتار تیتانیوم، شبیه به استخوان های بدن باشد. این خاصیت باعث می شود که استخوان میزبانِ مادۀ زیستی، کمتر دچار آتروفی و جذب ایمپلنت شود.

ایمپلنت های ارتوپدیک

از تیتانیوم معمولاً در ایمپلنت های ارتوپدی نظیر جایگزین مفاصل، به صورت صفحه و پیچ استفاده می شود. شکل زیر اجزای مختلف یک جایگزین مفصل ران را نشان می دهد. سمت چپ ساقۀ ران از آلیاژ تیتانیوم ساخته شده است. قسمت سفید یک پوشش هیدروکسی آپاتیت برای تشویق پیوند استخوان به ایمپلنت است.

این پوشش برای ایجاد درهم آمیختگی مکانیکی نیز ضروری است. به توپ بالای ساقۀ ران، سر ران (Femoral Head) گفته می شود. این قسمت از سرامیک زیرکونیا ساخته شده و در مفصل ران در لگن قرار می گیرد.

مادۀ نیم کره ای در سمت راست، از یک آلیاژ تیتانیوم ساخته شده است. این ماده در یک سرامیک آلومینای متخلخل پوشانده شده است تا رشد و ثبات استخوان امکان پذیر باشد. یک آستر پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا در این قسمت قرار می گیرد. این آستر سطح مفصلی سر استخوان ران را فراهم می کند.

شکل زیر یک پروتز کامل جایگزین زانو را نشان می دهد که از آلیاژ تیتانیوم تشکیل شده است. این پروتز از نظر طراحی شبیه به بسیاری از ایمپلنت های تجاری است. در این پروتز یک سطح سایشی از جنس زیرکونیا برای قسمت فوقانی تعبیه شده است.

تیتانیوم و دندانپزشکی

یکی دیگر از کاربردهای بیولوژیک تیتانیوم، استفادۀ آن به عنوان پین در ایمپلنت های دندانی است. این پین ها با استفاده از شگردهایی در فک انسان محکم می شوند. با گذشت زمان و اثبات خواص زیست سازگار تیتانیوم، رفته رفته این فلز جایگزین فلزاتی مانند طلا در کاربردهای پزشکی می شود. شکل زیر نمای جانبی یک آلیاژ تیتانیوم سوپرپلاستیک کارگذاشته شده در فک را نشان می دهد.

منبع

www.azom.com