بیوسرامیک ها درکامپوزیت ها

دلیل اصلی بوجود آمدن کامپوزیت ها، بهبود خواص مکانیکی (دراغلب موارد تافنس) است.خواص کامپوزیت ها معمولاًاز خواص سرامیک های تنها بهترند.درمورد بیوسرامیک ها تلاش می کنیم. تا kicرا افزایش ومدول الاستیک را کاهش دهیم.
اولین کامپوزیت بیوسرامیکی کامپوزیت شیشه ی بیواکتیو / الیاف و فولاد زنگ نزن (compositos Stainless Steel / bioactive glass) است. این نوع کامپوزیت از بیوگلاس 45S5( bioglass 45s5) وفولاد ضد زنگ با شماره ی AISI316L تولید شد. نحوه ی تولید این کامپوزیت در ابتدا بدین نحو بود که یک پیش ساخت از الیاف فلزی غیر مداوم تهیه می شود وسپس این ساختار در داخل شیشه ی مذاب غوطه ور می شد. پس از آن عملیات حرارتی مناسب سبب بهبود خواص مکانیکی آن می شود.
برای انتقال مؤثر تنش ها درمیان زمینه ی شیشه ای والیاف تقویت کننده ی کامپوزیت ، باید پیوندی قوی میان شیشه و فلز وجود داشته باشد.برای تحقق این امر ترشوندگی الیاف فلزی با شیشه را باید تقویت کرد. دراین فرآیند پیش از وارد کردن الیاف به شیشه ی مذاب، سطح فیبر فلزی اکسید می شود تاترشوندگی آن افزایش یابد. آنالیزهای شیمیایی انجام شده بر روی محل اتصال الیاف فلزی وماتریکس شیشه دراین کامپوزیت نشان داد که اتم های سیلیس از داخل شیشه به داخل اکسید نفوذ کرده اند و همچنین اتم های آهن از اکسید به داخل شیشه نفوذ کرده اند.گرادیان شیمیایی بوجود آمده درسطح مقطع محل اتصال باعث پدید آمدن میانکنش های شیمیایی گشته است. که این میانکنش ها موجب بهبود چسبندگی شده است. با فرض آنکه الیاف در جهت اعمال بار مرتب شده اند وهمچنین چسبندگی خوبی میان زمینه واجزاء وجود داشته باشد می توانیم بگوییم که کرنش الاستیک هر دو فاز برابر است واز این رومی توان گفت
که دراین فرمول زیر بندهای F,C و M به ترتیب به کامپوزیت، الیاف و زمینه نسبت داده می شود. همچنین V نسبت حجمی هر فاز است. اگر دریک نمونه از این کامپوزیت 45% حجمی الیاف فولادی وجود داشته باشد. و و می توان σc را محاسبه کرد. این مقدار برابر 262MPa است که این عدد استحکام بسیار بالاتری نسبت به شیشه ی تنها دارد.
یکی از مشکلات بالقوه ی موجود در تولید کامپوزیت ها عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی بین فازهاست. این تفاوت بین شیشه وفولاد بسیار زیاد است. برای بسیاری از الیاف دیگر مانند Ti ، این تفاوت بیشتر نیز هست. از این رو لازم است تا شیشه را بوسیله ی تغییر ترکیب شیسشه بهبود دهیم.
سایر بیوسرامیک های امروزی که مورد توجه هستند عبارتند از:
1)شیشه ی بیواکتیو تقویت شده با Ti
2)شیشه ی A-W تقویت شده با 3)پلی اتیلن تقویت شده با TCP
4)پلی اتیلن تقویت شده با HA
پلی اتیلن تقویت شده با هیدروکسی آپاتیت (HA) یک مثال خوب از کامپوزیت هایی است که می تواند خواصی از خودنشان دهد که یک ماده ی تنها آنها را ندارد. این کامپوزیت ها برای جایگزینی استخوانی بوجود آمده اند و دارای خواصی همچون بیواکتیو بودن وداکتیل بودن هستند. همچنین همخوانی مناسبی با مدول الاستیک استخوان دارند.

شکل 1 نشان می دهد که چگونه با افزایش نسبت حجمی HA به O.5 درکامپوزیت می توان مدول الاستیک درگسترده ی استخوان متراکم پدید آورد. هنگامی که نسبت حجمی HA در کامپوزیت از O.45 بیشتر شود، حالت شکست از نرم به ترد تبدیل می شود. درکاربردهای بالینی نسبت حجمی O.4 ، بهینه است. کامپوزیت لپی اتیلن تقویت شده با HA با نام تجاری هاپکس (HAPEX) تولید می شود. و چندین هزار نفر از بیماران از امپلنت های گوش میانی تولید شده از این کامپوزیت استفاده می کنند. این نوع تکنولوژی در سال 1995 از FDA ایالات متحده ی آمریکا مجوز اخذ کرده است.

پوشش های بیواکتیو

اعمال یک پوشش سرامیکی یا شیشه ای بر روی یک سطح اجازه می دهد تا خواص سطحی وخواص مکانیکی جسم حاصله بهبود یابد. دراین مواد ما هم خواص بالک وهم خواص سطحی مناسب را داریم. سه دلیل اصلی برای اعمال پوشش وجود دارد:
1)جلوگیری از خوردگی ماده
2)زیست سازگار پذیر کردن امپلنت
3)پدید آوردن یک لایه ی غیر بیواکتیو بر روی مواد بیواکتیو درموارد ضروری
چهار ترکیب پوششی – زیر لایه وجود دارد:
1)سرامیک پلی کریستال بر روی سرامیک
2)شیشه بر روی سرامیک
3)شیشه بر روی فلز
4)سرامیک پلی کریستال بر روی فلز
پوشش های بیوسرامیکی معمولاً بر روی زیر لایه های فلزی اعمال می شوند تا هم تافنس شکست بالا و هم خاصیت بیواکتیوی سطحی درامپلنت ایجاد شود. استفاده از پوشش سرامیکی بیواکتیو می تواند سبب پدید آمدن پیوند مناسب میان پروتز وبافت های اطراف شود واز این رو طول عمر پروتز افزایش می یابد. در شرایط مناسب یک پروتز بدون سیمان باید طول عمر بیشتر نسبت به نوع سیمانی داشته باشد.(درپروتزهای سیمانی عمل اتصال پروتز به استخوان بوسیله ی سیمان انجام می شود.)
پوشش های سرامیکی مهم تری کلسیم فسفات و هیدروکسی آپاتیت هستند. تری کلسیم فسفات (TCP) یک بیوسرامیک با قابلیت جذب مجدد (resorbable bioceramic) است. این ماده در دو مزفولوژی α وایت لوکایت (α-whitelockite) وβ وایت لوکایت (β-white lockite ) وجود دارد. فرم β این ماده پایدارتر است. هنگامی که از TCP به عنوان امپلنت در بدن استفاده شود، این ماده بوسیله ی محیط جذب می شود. و بوسیله ی بافت جایگزین می شود. وظیفه ی بیوسرامیک های با قابلیت جذب مجدد، پدید آوردن یک داربست است که بافت بتواند در داخل آن رشد کند. که این نوع بیوسرامیک ها به صورت تدریجی جذب محیط می شوند. درصورت لزوم این مواد می توانند نقش چار چوب استخوانی را ایفا کنند. TCP به صورت بالینی دربسیاری از زمینه های دندانپزشکی وارتوپدی استفاده می شود. نوع بالک این ماده در حالت متخلخل ومتراکم وجود دارد این ماده درجایگزین های فوری ریشه ی دندان (tooth root replacement) و در امپلنت های بازسازی صورت وفک کار برد دارد .به هر حال به دلیل آنکه تری کلسیم فسفات درحالت بالک دارای خواص مکانیکی ضعیفی است ، نمی توان از آن در کاربردهای بارکش استفاده کرد.بنابراین در اغلب موارد TCP به صورت یک پوشش بر روی زیر لایه ی فلزی استفاده می شود.
روش های متداول دراعمال پوشش های HA و TCP روش پلاسما (Plasma Spray) است.این روش یکی از تکنیک های تولید لایه های مانع حرارتی است. در روش پلاسما اسپری ازیک پلاسما ( یک گازیونیزه شده ) برای ذوب کردن HA استفاده می شود. وسپس این ذرات مذاب بر روی سطح مورد نظر اعمال می شود. برای تولید پوشش های HA از ذرات کریستالی HA به عنوان ماده ی آغاز کننده استفاده می شود. (گسترده ی اندازه ی ذرات HA بین 40-20Mm است) . یکی از مزایای استفاده از روش پلاسما اسپری دراین است که زیر لایه ی ما در دمایی نسبتاً ً پایین قرار دارد.(عموماً کمتر از 300c ° )واین در حالی است که دمای پلاسما ممکن است از 10000C° نیز تجاوز کند. بالانرفتن دمای زیر لایه باعث می شود که خواص مکانیکی آن تغییر نکند (مخصوصاً فلزات) ضخامت پوشش معمولا بین 60-40Mm است که میزان تخلخل باقی مانده در آن کمتر از 2 درصد است.
پوشش های هیدروکسی آپاتیت بوسیله ی روش پلاسما اسپری ایجاد می شوند، معمولاً دارای مقادیر قابل توجهی کلسیم فسفات آمورف ومقدار اندکی فاز کریستالی دیگر هستند.عملیات حرارتی پوشش می تواند میزان کریستالینیتی آن را افزایش داده و همچنین موجب بهبود چسبندگی پوشش به زیر لایه شوند. به هر حال این فرآیند معمولاً بر روی زیر لایه انجام نمی شود. زیرا از لحاط اقتصادی به صرفه نبوده و همچنین ممکن است خواص مکانیکی زیر لایه را کاهش دهد.
علاوه بر پلاسما اسپری، سایر روش های مورد استفاده برای اعمال پوششHA عبارتند از :
1)روش رسوب دهی الکتروفورتیک (electrophoretic deposition)
2)روش اسپاترینگ (Sputtering) برای تولید پوشش های بسیار نازک
3)روش پرس ایزواستاتیک گرم برای تولید مواد بادانسیته ی بالا
از رسوب دهی الکتروفورتیک می توان برای پوشش دهی تخلخل هایی که به روش های معمولی مانند پلاسما اسپری پوشیده نشده اند. استفاده کرد. اما چسنبدگی میان ذرات HA و زیر لایه وذرات HA با هم ضعیف است واز این رو پس از رسوب از رسوب دهی نیاز است تا قطعه در دمای بالا زنیترینگ شود.
روش اسپاترینگ برای تولید پوشش های نازک (1Mm) از HA استفاده می شود. فیلم رسوب داده شده دراین روش آمورف است زیرا ذرات پاشیده شده دراین روش انرژی کینتیکی کافی برای باز آرایی حالت کریستالی را ندارند. عملیات حرارتی در دمای 500C° کافی است تا این فیلم آمورف را به صورت کریستالی در آورد. دوام فیلم های نازک اسپاتر شده در بدنه هنوزاثبات نشده است.
روش پرس ایزواستاتیک گرم نیز برای تولید فیلم ها استفاده می شود. اگر یک امپلنت فلزی را با ذرات HA پوشش دهیم . و سپس آن را پرس گرم کنیم، می توانیم پوششی چسبنده وبا دانسیته ی بالا تولید کنیم. برای ایجاد یک فشار یکسان بر روی ذرات HA دراین فرآیند بایدامپلنت را در داخل یک فویل فلزی (فلز گران بها ) قرار دهیم.همانگونه که می دانید با استفاده از روش پرس ایزواساتیک گرم می توانیم از دماهای پایین تری نسبت به روش های غیر ایزواستاتیک ، برای زینتر ینگ استفاده کنیم. استفاده از دمای پایین تر در زینتر ینگ احتمال تغییر خواص مکانیک زیرلایه ی فلزی کاهش می یابد.
چندین شرایط برای استفاده از پوشش های HA در وسایل پروتزی وجود دارد:
1)فاز کریستالی صحیح
2)ترکیب پایدار
3)دانسیته ی بالا
4)چسبندگی خوب به زیر لایه
5)خلوص بالا
6)واکنش ندادن با زیر لایه
پوشش های تولیدی با پلاسمای اسپری اغلباً مخلوطی از فازهای کریستالی و آمورف هستند. که این مسئله ممکن است مطلوب نباشد. چسبندگی پوشش های HA تولید شده به این روش به زیر لایه های فلزی اساساً مکانیکی است. وبنابراین زبری زیر لایه نقش مهمی را ایفا می کند.
منبع:ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton
ادامه دارد...