بررسی کاربرد فولاد ضد زنگ در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی

مقدمه ای بر کاربرد فولاد ضد زنگ در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی غیر مغناطیسی هستند و بنابراین می توانند در ایمپلنت های ارتوپدی استفاده گردند. گرید پزشکی فولاد زنگ نزن آستنیتیAISI 316L، ASTM F55 وF138 عمدتاً از 62-68٪ آهن (Fe)، 17-20٪ کروم (Cr)، 12-15٪ نیکل، 2-3٪ مولیبدن تشکیل شده است. کروم توانایی غیرفعال سازی سطح را در برابر اکسیداسیون افزایش می دهد در حالی که مولیبدن مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ را افزایش می دهد. با این حال، مقاومت فولاد ضد زنگ 317L به اندازه کافی در برابر خوردگی های ناشی از حفره و ترک خوردگی، بالا نیست. جدایش ذرات آهن، کروم و نیکل از فولادهای زنگ نزن آستنیتی در بدن انسان گزارش شده است که تجمع یون های نیکل از سمی بوده و باعث ایجاد خطرات مختلفی از جمله تورم، تغییرات پوستی، ناراحتی و غیره می شود.

فولاد ضد زنگ بدون نیکل با نیتروژن بالا

  فولاد ضد زنگ بدون نیکل برای از بین بردن خطر سمیت نیکل ساخته شده است. بر اساس مطالعات انجام گرفته نشان داده شده است که نیتروژن جایگزین خوبی برای نیکل خواهد بود، زیرا حلالیت نیتروژن با وجود عناصر منگنز و مولیبدن در فولاد ضد زنگ افزایش می یابد. فولاد ضد زنگ حاوی نیتروژن و بدون نیکل دارای خواص مکانیکی، زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی بهتری در مقایسه با فولاد ضد زنگ حاوی نیکل است. مقدار نیتروژن کمتر از 0.9٪ برای جلوگیری از تبدیل فولاد از شکل پذیر به شکننده در دمای بدن انسان ترجیح داده شده است. در مطالعات انجام گرفته در شرایط آزمایشگاهی، زیست فعالی (Bioactivity) فولاد زنگ نزن مورد مطالعه قرار گرفته است و سازگاری سلولی بالاتر فولاد ضد زنگ بدون نیکل با نیتروژن بالا در مقایسه با فولاد ضد زنگ معمولی 317L، نشان داده شده است. مشاهده شد که سلول های استئوبلاست (Osteoblast) می توانند در سطح فولاد ضد زنگ با نیتروژن بالا (HNSS) بچسبند و رشد کنند. علاوه بر این، با افزایش محتوای نیتروژن، انرژی سطح افزایش می یابد و بنابراین، سازگاری سلولی فولاد ضد زنگ بهبود می یابد. محققان اثر نیتروژن بر مقاومت به خوردگی HNSS در محلول‌های پروتئینی مختلف را مورد بررسی قرار داده‌اند. 

آنها افزایش مقاومت به خوردگی در HNSS را در مقایسه با فولاد ضد زنگ معمولی نشان داده‌اند، با این حال، تأثیر پروتئین بر رفتار ضد زنگ HNSS قابل‌توجه است که مطالعات طولانی مدت برای بررسی مقاومت خوردگی HNSS در بدن انسان را ضروری می‌سازد. مقاومت به خوردگی فولاد HNSS (به عنوان مثال: P558) مطابق با ISO 5832-9 است و ایجاد سمیت سلولی نمی کند. مزایای فولاد ضد زنگ بدون نیکل با نیتروژن بالا در مقایسه با فولاد ضد زنگ حاوی نیکل در جدول 1 خلاصه شده است.

ارتقا زیست سازگاری و استحکام مکانیکی سطح فولاد ضد زنگ

شکست ناشی از خستگی مواد فلزی در برابر بارهای مکانیکی از سطح آنها آغاز می شود. به طور مثال حداکثر تنش های خمشی و پیچشی روی سطح مواد اعمال می شود. بنابراین، افزایش زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی ایمپلنت های فولادی ضد زنگ در سطح آنها ممکن است بر استحکام مکانیکی ایمپلنت در سطح تأثیر بگذارد. بنابراین روش های عملیات سطح مانند magnetron sputtering و نیتراسیون پلاسما در دمای پایین (low temperature plasma nitriding) برای رسوب نیتروژن به سطح فولادهای زنگ نزن برای ارتقای استحکام خستگی و در عین حال افزایش زیست سازگاری، خوردگی و مقاومت در برابر سایش بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

پوشش دهی زیست فعال بر روی فولاد ضد زنگ

فرآیندهای پوشش دهی مختلفی برای ارتقای زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی فولادهای ضد زنگ استفاده شده است. پوشش لایه بیو سرامیکی روش موثری می باشد که با روش های پاشش پلاسما یا سل ژل روی سطح فولاد ضد زنگ پوشش داده می شود. با این حال، اثربخشی زیست سازگاری، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر سایش و استحکام خستگی مواد فلزی پوشش داده شده با بیو سرامیک ها تحت تأثیر ضخامت، استحکام چسبندگی، تخلخل و کریستالینیتی (crystallinity) لایه پوشش است. زیست سازگاری بالا و مقاومت در برابر خوردگی توسط لایه پوشش TiO₂ به خوبی قابل حصول می باشد. همچنین پوشش مواد کامپوزیت آلی/غیر آلی برای افزایش زیست سازگاری فولاد ضد زنگ معمولی 316L در منابع علمی-صنعتی پیشنهاد شده است. در یک مطالعه دیسک های فولادی ضد زنگ 316L را در سوسپانسیون کلاژن 1 میلی گرم در میلی لیتر در دمای 25 درجه سانتی گراد، به مدت 30 دقیقه غوطه ور کرده اند تا فیبریل کلاژن روی سطح دیسک ها را بپوشاند. سپس دیسک های پوشش داده شده با کلاژن در پتانسیل کاتدی ثابت (فرآیند رسوب کاتدی) در محلول هنکس(Hanks’ solution) در دمای 37 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه تحت فرآیند الکتروشیمیایی قرار گرفتند تا فسفات کلسیم و کربنات در فیبرهای کلاژن رسوب کنند. زیست سازگاری فولاد ضد زنگ پوشش داده شده 316L با کامپوزیت کلاژن/کلسیم فسفات در کشت سلولی ارزیابی شده است. نتایج نشان داده است که همجوشی یا چسبندگی بافت استخوانی (Osseointegration) به فولاد ضد زنگ را می توان با لایه پوشش کامپوزیتی کلاژن/کلسیم فسفات بهبود بخشید که می تواند آزاد شدن یون های فلزی (به ویژه نیکل) را کاهش دهد و در نهایت زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی ایمپلنت های فولادی ضد زنگ را افزایش دهد. روش های پوشش دیگری برای افزایش زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ توسعه داده شده است. به عنوان نمونه در یک تحقیق علمی ترکیب هیدروکسی آپاتیت و استرانتیوم در فرم متخلخل (porous strontium-hydroxyapatite)  را به صورت الکتروشیمیایی بر روی فولاد ضد زنگ 316L که قبلا با پلی پیرول (PPy) پوشش داده شده است، تشکیل داده اند. بر اساس گزارش این تحقیق، با استفاده از آزمون ICP-AES، جدایش کمتر یون در فولاد زنگ نزن 316L با پوشش PPy/Sr-HA به طور قابل ملاحظه ای در مقایسه با فولاد زنگ نزن 316L بدون پوشش نشان داده شده است که این نتیجه حاکی از افزایش مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن 316L با پوشش PPy/Sr-HA می باشد. علاوه بر این، می توان انتظار داشت که پوشش متخلخل Sr-HA به طور بالقوه باعث افزایش زست فعالی یا فعالیت رشد بافت استخوانی بر روی سطح ایمپلنت خواهد شد. 

(با خرید و دانلود مقاله، از خواندن ادامه مطلب در مورد کاربرد فولاد ضد زنگ در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی، بهره مند شوید. امیدوارم این مقاله بتواند به شما، در شناحت بهتر موضوع بررسی شده، کمک کند. موفق باشید!)