سمينار درس فلزات در پزشكي

بيومتريال‏ها
بيومتريال يك ماده مصنوعي است كه براي جايگزين سازي يا تعويض بخش از بدن انسان يا موجود زنده يا به منظور كاركردن در تماس نزديك با بافت زنده استفاده مي شود. بيومتريال بايد در بدن خنثي باشد.
بيومتريال ها براي التيام اعضاء و اصلاح كاربري و عمل آنها و همچنين اصلاح ناهنجاري‏ها يا وضعيت غير طبيعي به كار مي رود.

يك نوع تقسيم بندي مواد بر حسب جنس آنها مي باشد كه به گروههاي فلزي، پليمري، سراميكي و مواد مركب (Composites) دسته بندي مي شود.
مواد فلزي از نظر اهميتي كه در صنعت دارد به دو گروه فلزات آهني و آلياژهاي آن و فلزات غير آهني و آلياژهاي آن تقسيم مي شود.

مواد فلزي عمدتاً هادي (رساناي) خوبي براي حرارت و الكتريسته هستند اغلب فلزات در درجه حرارت هاي معمولي محيط شكل پذير بوده و درمقابل واكنش‏هاي شيميايي پايداري بسيار بالايي ندارد. فلزات در شرايط معمولي داراي ساختار كريستالي اند.
فلزات به صورت خا

لص به ندرت به كار مي روند واغلب از آلياژهاي آنها در صنعت استفاده مي شود.(۱)
بيومتريالهاي فلزي در كاربردهاي ارتوپدي
Metallic Biomaterials In Orthopaedic Application

اولين فلز به كاررفته دربدن انسان فولاد و اناديم دارشرمن بود كه براي ساخت صفحه‏ها و پيچ‏هاي شكسته بندي استخوان به كار رفت. و سپس فولاد ضد زنگ L316 و آلياژهاي كبالت- كروم به كاررفتند زيرا مقاومت خوب خوردگي و عمر خستگي مناسب و همچنين سختي، سفتي و استحكام مورد قبول داشت. فلزات نبايد داراي خاصيت سمي بودن و متاسيون زائي يا سرطان زايي در داخل بدن باشند.

آلياژهاي حافظه دار
Shape Memory Alloys
حافظه داري يعني نگاه داشتن يكسري اطلاعات و بازگو كردن اين اطلاعات در مواقع ضروري، كه اين اطلاعات هميشه محفوظ است و از بين نخواهد رفت.
منظور از حافظه داري فلز اين است كه فلز يك حالتي را حفظ مي كند و اين حالت را هميشه درخود نگهداري كرده و به همراه دارد و اگر در اثر نيرويي تغيير شكل يابد با ديدن حرارت، دوباره به حالت اوليه باز مي گردد، كه حرارت ركن اساسي است.

اثر حافظه داري در سال ۱۹۳۸ توسط آلدن گرنينجر و گ. مورديان در دانشگاه هاي هاروارد و MIT مشاهده شده و آنها ثابت كردند كه با تغيير درجه حرارت، فاز مارتنزيتي در نمونه برنجي، شكل گرفته و يا ناپديد مي شود.
فلزات آهن –پلاتين، آهن – نيكل، نيكل- آلومينيوم و فولاد ضد زنگ و نيكل – تيتانيم داراي اين اثر هستند.
دانش هوانبردي، مكانيك، الكترونيك، مهندسي پزشكي و مهندسي بيولوژيكي از جمله علوم در ارتباط با اين آلياژها مي باشند.

آلياژهاي حافظه دار به صورت يك طرفه Oneway و دو طرفه (Two Way) ساخته مي شوند. در ارتوپدي از فلزات يك طرفه استفاده مي شود زيرا برگشت پذيري احتياج نيست. به عنوان مثال اگر آلياژي با طول L0 موجود باشد و با كاهش درجه حرارت، طول آن به L رسانده شود. با افزايش درجه حرارت آلياژ به شكل و اندازه اوليه خود (L0) مي گردد. حال اگر با كاهش مجدد درجه حرارت، طول آن تغيير نكند، آن آلياژ يك طرفه و اگر به مقدار L برگردد، آلياژي دو طرفه خواهد بود.

تئوري اثر حافظه داراي Theory of the Shape Memory Effed
آلياژ زير دامنه دماي تبديل (Transition Temperature Range)[TTR] خود سرد شده و به سمت شكل مارتنزيتي مي رود و تغيير شكل مي دهد. افزايش دما سبب مي شود كه ساختمان

كريستالي به حالت اول خود يا همان ساختمان آستنيتي و تهايتاً به شكل اوليه خود برمي گردد. با بازيابي شكل اوليه، نيروي نسبتاً زيادي از خود خارج مي كند كه نيرو بزرگتر از نيروي ابتدايي مورد احتياج براي پيوندآلياژ است. (شكل ۱-۲). سرد كردن بايد در زير دماي تبديل باشد زيرا در اين ها پيوندها ضعيف مي باشد. در دماهاي پايين تر، ساختمان كريستالي به سمت ابر شبكه يا ساختمان مارتنزيتي با نظم كمتر مثل تتراگونال تغيير شكل مي دهد. و در دماي بالاتر از TTR شبكه كريستالي BCC ديده مي شود.

سيستم فازهاي بين فلزي
تركيبات بين فلزي يا واسط از تركيب دو عنصر يا بيشتر تشكيل شده اند. اينها، تركيباتي هستند با نسبت اجزاء شبكه كريستالي و خواص مربوط به خود، كه با شبكه كريستالي و خواص هر يك از عناصر تشكيل دهنده خود تفاوت دارند.

تركيبات بين فلزي مي توانند داراي نسبت‏هاي كاملاً مشخص نباشد، بلكه در محدوده‏اي قرار گرفته باشد مانند نيكل – تيتانيم (شكل ۳-۲۳)
تركيبات بين فلزي غالباً سخت و ترد بوده، اما داراي نقطه ذوب بالا و مقاومت خوراكي و خزشي خوبي هستند.

آلياژ نيكل – تيتانيم (نايتنيول)
اين آلياژ در سال ۱۹۶۳ توسط ويليام بوهلر در آزمايشگاه مهمات سازي نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا مشاهده شد.
اين آلياژ، علاوه بر حافظه داري حرارتي داري سوپر الاستيسيته و خواص ميرايي بالايي مي باشد. نايتنيون مي تواند به تعدادي به مراتب بيشتر از آلياژهاي فلزي معمولي كرنش داده شود بدون آنكه در آن تغيير شكل پلاستيكي رخ دهد، و تغيير شكلي برابر با كرنش ۸% مي تواند كاملاً باز يافته شود به عبارت ديگر حداكثر بازيافت ۸% مي باشد.

آلياژ نايتينول –۵۵ داراي ۵۵% وزني نيكل مي باشد. و تك فاز بوده و حافظه مكانيكي همراه با ميرائي صورت، تبديل مستقيم انرژي حرارتي به انرژي مكانيكي، خواص خستگي جذب و شكل پذيري در دماي پايين را دارد.
آلياژ نيكل – تيتانيم استفاده شده در دندانپزشكي داراي تقريباً ۵۴% نيكل ۴۴% تيتانيم و معمولاً ۲% كبالت مي باشد.

بست‏هاي حافظه دار Shape Memory Alloy Staples
بست ها براي بي حركت نگاه داشتن شكستگي ها و جا اندازي استخوان به كار مي رود. بدست آوردن فشار جا اندازي استخوان مشكل است و نياز است كه فشار مورد نياز براي اتصال قطعات شكسته شده استخوان تامين شود و شيار شكستگي از بين رود، بنابراين اينگونه بست ها به بست فشاري معروف هستند. شيارهاي بزرگ يا كوچك باقي مانده باعث بد جوش خوردن دو استخوان و تمركز تنش در آنها مي شود و به طبع آن، شكستگي هاي بعدي صورت مي گيرد. كه اين مشكل با بست ها حل مي شود.
در شكستگي هاي استخوان هاي كوچك مثل كشكك پا، قوزك داخلي و جانبي استخوانهاي مچ پا و دست از بست ‏ها استفاده مي شود.
براي نزديك كردن انتهاي دو استخوان از صفحه شكاف دار استخوان و صفحه فشره اتصال دروني استفاده مي كنند كه تاثيرات نامطلوبي مثل پوكي استخوان و شكستگي صفحه‏اي استخوان دارد. ولي بست هاي حافظه دار نايتينول، بدون داشتن معايب فوق، واكنش كمي با بافت توليدمي كند.
مشخصات فني

آلياژ حافظه دار نايتنول از ۱۹۸۰ در ساخت بست ها مورد استفاده قرار گرفت. در ترميم شكستگي هاي استخوانهاي قوزك پا و مچ دست، دست‏ها داراي قطري برابر با ۵/۱ ميليمتر با بدنه موج دار و دو بازوي به هم رسيده با زاويه ۶۰درجه نسبت به انتهاي بدنه مي باشد.
بدنه موج دار مي تواند در دامنه حرارتي C5-0 صاف شود. بازوهاي بست وارد بافت استخوان شده و توسط درجه حرارت بدن ولايه‏هاي داغ نمكي، موج دار شده و در نتيجه، نيرويي فشاري به انتهاي دو استخوان وارد مي كنند.

بست هاي انواع مختلفي دارند كه سطوح مقاطع اين بست ها، با توجه به محل و نوع شكستگي اختياري مي باشد. مي توان بست ها را به بست سيمي، بست خاردار، بست لچكي، بست زانويي و بست ميزي تقسيم بندي كرد.

خواص بست هاي حافظه دار Properties of Memory Staples
آلياژ نيكل – تيتانيم داراي اثر حافظه داري، الاستيسيته كاذب، مقاومت عالي خوردگي، مشخصه سايشي و خواص مكانيكي و زيست سازگاري خوبي مي باشد.
سوپر الاستيسيته و الاستيسيته كاذب
هر حالت غير خطي در منحني تنش- كرنش به هنگام بار برداري سود و الاستيسيته ناميده مي شود. شكل ۳-۳، نمايانگر حالت غير خطي مي باشد كه مي تواند الگوي واضحي براي مهندسين و در جهت طراحي اوليه مدولهاي الاستيكي ثابت باشد كه از مهمترين مزاياي وسايل اتصال حافظه دار مي باشد.

شكل ۴-۳ جنبه مفيد تر سود و الاستيسيته را تحت وضعيت هاي مشخص نشان مي دهد. فلز سود و الاستيك مي تواند ۱۰ برابر اندازه اي كه يك فلز معمولي تغيير شكل مي يابد، تغيير شكل يابد و كاملاً به شكل قبل از تغيير شكل خود برگردد. به علت تغيير شكل الاستيك، اين نوع سود .والاستيسيته، سوپر الاستيسيته ناميده مي شود. سوپر الاستيسيته قابليت يك فلز را به برگشت به حالت اوليه هنگام باربرداري نشاني مي دهد واژه تخصصي تري است كه براي تشريح مواد سود والاستيك كه در نمودارها ناحيه ثابت و بدون تغييري را به هنگام باربرداري نشان مي دهند، استفاده مي شود.

سود و الاستيسيته مي تواند با دو قلويي (Twinning) يا بوسيله تنش القايي تبديل فاز بوجود بيايد.
سود و الاستيسيته دو قلويي Twinning Pseudoelasticity
سود و الاستيستيه دوقلويي بوسيله حركت برگشت پذير مرزهاي دو قلويي بوجود مي آيد.
وضعيت هاي دو قلوها در حالت تغيير شكل يافته، پايدار نيستند و نيروي رانشي وجود دارد كه سبب مي شود به هنگام باربرداري به وضعيت هاي اصلي خود بازگردانده شوند.
شكل ۵-۳ منحني كشش Ni-Ti در فاز آستنيتي در بالاي Md (تغيير حالت مارتنزيتي) را نشان مي دهد كه هيچ اثر تبديلي را در بر نمي گيرد.

اين فرايند دو قلويي معمولي نيست. به اين حالت، دو قلويي كاذب گفته مي شود. كه با برداشته شدن تنش، تعدادي از دو قلوها به نظم شبكه‏اي دلخواه بر گردند مي توان مدولهاي مماس در اولين شروع باربرداري و مدولهاي مماس در بار صفر را بدست آورد.
شكل ۶-۳ جنبه هاي ديگر سود و الاستيك را كه به بارگذاريهاي چرخه اي توجه دارد، نشان مي دهد. به علت عدم تبعيت بارگذاري مجدد از باربرداري، پسماند كرنشي ايجاد مي شود.
فاز مارتنزيتي Ni-Ti همچنين سود و الاستيسيته دو قلويي را نشان مي دهد كه در شكل ۷-۳ مشخص است. تغيير شكل بوسيله حركت مرزهاي دو قلويي مارتنزيتي رخ مي دهد. اگر چه حركت، سبب بي نظمي نمي شود با اين وجود به عنوان نيروي رانشي براي دو قلوها در جهت بازگرداني به وضعيت هاي اصلي خودشان به هنگام برداشتن تنش ظاهر مي شود.

آزمون خستگي خمشي در دامنه ثابت
اين تست، شامل اجراي آزمايش خستگي در دامنه ثابت براي بست هاي فلزي مورد استفاده در استخوان مي باشد. اين آزمايش ممكن است در هوا و در دماي محدود و يا در محلول آبي يا فيزيولوژيكي انجام گيرد. اهميت اين آزمايش، تعيين مقاومت خستگي بست هاي فلزي استخوان مي باشد هنگامي كه تحت بارگذاري مداوم براي تعداد زيادي سيكل مي باشند. (شكل ۸-۳)

پايه‏هاي هر بست درون حفره‏هايي در بلوك قرارگرفته تا خم شدن بست در درون حفره را محدود كند. پايه ها ممكن است سطح مقطع گرد مربعي يا چند پهلو داشته باشند. با به كاربردن بارهاي سيكلي، گشتاورهاي خمسازي در بست بدون تغير شكل پايدار ايجاد مي گردد.