بررسی کاربرد تیتانیوم در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی

مقدمه

آلیاژهای تیتانیوم برای مدت طولانی برای درمان شکستگی استخوان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. آلیاژهای تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی بهتر، stiffness کمتر و قابلیت‌های ماشین‌کاری آسان‌تر، جایگزین خوبی برای فولاد ضد زنگ هستند. با این حال، مدول یانگ آلیاژ تیتانیوم (113 گیگا پاسکال) هنوز بسیار بالاتر از مدول استخوان cortical (در محدوده 15 تا 20 گیگا پاسکال) است. درمان موفقیت ‌آمیز شکستگی‌ های استخوان با استفاده از ایمپلنت‌ های آلیاژ تیتانیوم، به طور گسترده با نتایج بالینی خوب همراه بوده است. ایمپلنت‌های آلیاژی تیتانیوم، fixation مجموعه استخوان-ایمپلنت را با استحکام خوبی در شرایط بارگذاری فیزیولوژیکی انسان فراهم می‌کنند که بوسیله آن استخوان می‌تواند با نرخ بالای ترمیم شکستگی بهبود یابد. با این حال، کیفیت استخوان بهبود یافته در طول مدت درمان، ممکن است به طور موثر در استخوان با تراکم پایین به دست نیاید. حتی در بیماران جوان با تراکم استخوان خوب، نیازهای عملکردی بیمار ممکن است به طور کامل تامین نشود. ساختار استخوان-ایمپلنت برای تشکیل زودرس بافت callus، stress-shielding در مرحله نهایی ترمیم استخوان، fixation پیچ‌ها به استخوان، از دست دادن حالت fixation اولیه، جابجایی استخوان های شکسته در حین درمان و غیره، برخی از چالش‌های بالینی هستند که ریسک ایجاد نتایج بالینی ناموفق را بالا می برد.

درد کمتر و عملکرد طبیعی مفصل در محل آسیب استخوانی، نتایج بالینی نهایی مورد نظر بیماران است. نتایج موفقیت‌آمیز ایمپلنت‌های آلیاژ تیتانیوم در مقالات بالینی بیشماری، گزارش شده است. علیرغم نتایج گزارش‌شده موفقیت‌آمیز برای ایمپلنت‌های ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم، تحقیقات برای استفاده چندین بیومواد دیگر (مانند کامپوزیت‌های PEEK و آلیاژ منیزیم زیست تخریب‌پذیر) برای استفاده در ایمپلنت‌های ارتوپدی ادامه دارد. اگرچه تفاوت مشخصات مکانیکی بالای آلیاژ تیتانیوم نسبت به بافت استخوانی می‌تواند درمان موثر آسیب های استخوانی را محدود کند، اما همچنان ماده قابل اعتمادی برای استفاده در ایمپلنت‌های ارتوپدی می باشد. خواص مکانیکی این ماده را می توان کاهش داد تا به خواص مکانیکی بافت استخوان نزدیک تر گردد. در بیماران دارای پوکی استخوان یا تراکم پایین، گرافت استخوانی ممکن است همراه با ایمپلنت‌های تیتانیوم برای درمان شکستگی استخوان استفاده گردد. ایمپلنت تیتانیوم ممکن است باعث تحریک یا پارگی بافت نرم شود (به عنوان مثال، پارگی تاندون flexor در ناحیه distal radius)، که نیاز به خارج کردن پلاک دارد.

توسعه آلیاژ تیتانیوم برای ایمپلنت های ارتوپدی

زیست سازگاری بالاتر، مقاومت به خوردگی بالاتر، بیواکتیویتی بالاتر و اختلاف خواص مکانیکی کمتر با بافت استخوان، دلایل توسعه ایمپلنت های ارتوپدی از آلیاژهای تیتانیوم با گرید پزشکی، می باشند. اگرچه Ti6Al4V استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی خوبی دارد، انتشار یون‌های وانادیوم (V) و آلومینیوم (Al)، ممکن است کاربرد این ماده را برای طولانی‌مدت محدود کند.

کاهش فاز α در آلیاژهای تیتانیوم مدول یانگ (مدول یانگ یک پارامتر مکانیک مواد است که از شیب نمودار تنش-کرنش  به دست می آید و برای هر ماده ای با هر هندسه ای ثابت می باشد) را کاهش می دهد. بنابراین، آلیاژهای تیتانیوم با فاز β بالاتر (تیتانیوم β)، برای استفاده در ایمپلنت‌های تروما مورد بررسی قرار گرفته‌اند. آلیاژهای تیتانیوم با درصد بالایی از فاز β در مقایسه با آلیاژهای تیتانیوم با فاز α+β مقاومت به خوردگی و شکل پذیری بهتری دارند [1، 2]. با مهندسی ریزساختار آلیاژهای تیتانیوم، بهینه سازی فازهای ریزساختار بهینه α+β را می توان برای دستیابی به آلیاژهای تیتانیوم با مدول یانگ پایین تر و استحکام مکانیکی کافی برای استفاده در ایمپلنت های ارتوپدی توسعه داد [3]. به عنوان مثال، دای و همکاران [4] یک تیتانیوم β جدید (Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr) با مدول یانگ 65 گیگا پاسکال طراحی کرده اند که به طور قابل توجهی کمتر از مدول آلیاژ تیتانیوم معمولی “Ti6Al4V” (110 گیگا پاسکال) است، در حالی که تسلیم و قدرت نهایی آنها نزدیک همدیگر هستند.

آریفین و همکاران [5] دریافتند که مدول آلیاژ تیتانیوم را می توان با ترکیب با هیدروکسی آپاپتیت HA، با استفاده از متالورژی پودر مناسب کاهش داد.  در تحقیقات آنها دمای sintering (نوعی فرآیند متالوژیکی است برای ترکیب کردن دو ماده از طریق ذوب سطحی دانه های خیلی ریز، به طوریکه دانه ها در هم ادغام می شوند. انرژی لازم برای ذوب دانه ها در سطح آنها، از روش های مختلفی مانند لیزر، حرارت در کوره و … تامین می گردد) برای ترکیب دو ماده  HA و Ti نقش غالب در تشکیل ترکیب HA/Ti داشت.

اتصال بیولوژیکی ترکیب HA/Ti با بافت‌ استخوانی در آزمایش‌های زیست‌فعال in vitro و in vivo مشاهده شده است، که از آن‌ها می‌توان زیست فعالی بالاتر کامپوزیت HA/Ti را در مقایسه با آلیاژهای تیتانیوم نتیجه‌گیری کرد. علاوه بر این، فرآیند نانوساختار سازی، می تواند خواص مکانیکی [6، 7] و زیست فعالی [8، 9] کامپوزیت های تیتانیوم را ارتقا دهد. در فرآیند نانوساختارسازی، انتشار و لغزش مرزهای مولکولی بهبود می‌یابد تا موادی بر پایه تیتانیوم دانه‌دار بسیار ریز برای کاربردهای ‌پزشکی تشکیل شود [10]. آلیاژ β-تیتانیوم-کروم (β-Ti-9Cr) برای راد ستون فقرات با مدول یانگ کمتر (85 گیگا پاسکال)، تنش تسلیم بالاتر (1000 مگاپاسکال) و ازدیاد طول شکست (~20%) به عنوان جایگزین آلیاژ Ti6Al4V استفاده شده است [11].

به همین ترتیب، آلیاژ تیتانیوم-35نیوبیم (Ti-35Nb) به عنوان یک ماده بالقوه برای استفاده در ایمپلنت های پزشکی مورد بررسی قرار گرفته است [12]. مدول یانگ این آلیاژ 80 GPa است که بسیار کمتر از آلیاژ Ti معمولی (در محدوده 100-110 GPa) است. آلیاژ جدید Ti-35Nb ، زیست سازگاری خوبی دارد و زیست فعالی آن را می توان با تشکیل لایه متخلخل روی سطح آن افزایش داد. تشکیل یک لایه اکسید تیتانیوم برای افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم برای جلوگیری از آزاد شدن یون ها به داخل مایع بدن، می تواند انجام گیرد. به عنوان مثال، تجمع آلومینیوم در اطراف ایمپلنت های Ti6Al4V شناسایی شده است که می تواند برای بدن مضر باشد ]13[. بنابراین، لایه غیرفعال (غیر فعال شیمیایی در بدن و فعال از نظر رشد بافت استخوانی) اکسید تیتانیوم مناسب برای کاهش خطر انتشار آلومینیوم مفید است. برخی از آلیاژهای فاز (α+β) و فاز (β) در جدول 1 آورده شده است.

اتصال بیولوژیکی تیتانیوم با بافت استخوانی

فرآیندهایی مانند افزایش زبری سطح، پوشش با سرامیک های bioactive یا زیست فعال (به عنوان مثال، HA، تری کلسیم فسفات، بیوگلاس، و غیره)، کنده کاری لیزری (کنده کاری لیزری (laser ablation) فرایندی است که به وسیلهٔ پرتو لیزر، ماده از سطح یک جامد کنده شود)، اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی، می توانند تشکیل و رشد بافت استخوانی را در سطح آلیاژهای تیتانیوم یا تیتانیوم افزایش دهند. با این حال، مشاهده شده است که پس از کاشت ایمپلنت‌ های پایه تیتانیوم، فرآیند تشکیل استخوان (osteogenesis)  در بافت استخوان در مجاورت ایمپلنت اتفاق می‌افتد و نه در سطح ایمپلنت [14] و تشکیل بافت استخوانی بر روی سطح ایمپلنت در مراحل بعدی حاصل می‌شود. به منظور بهبود چسبندگی پوشش هیدروکسی آپاتیت روی آلیاژ تیتانیوم، یک لایه اکسید تیتانیوم نانو متخلخل به عنوان یک لایه میانی تشکیل می گردد [15]. ترکیب پوشش چند لایه TiO₂/HA مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم و استحکام برشی لایه پوشش را در مقایسه با پوشش تک لایه HA روی آلیاژ تیتانیوم افزایش داده است. این ترکیب امروزه بسیار مورد توجه تولید کنندگان ایمپلنت های ارتوپدی قرار گرفته است و در ورژن جدید ایمپلنت ها استفاده شده است.

(با خرید و دانلود مقاله، از خواندن ادامه مطلب بهره مند شوید. امیدوارم این مقاله بتواند اطلاعات شما رو در موضوع مورد بحث، ارتقاء دهد. موفق باشید!)