متالورژي سمنان


بیو مواد

بیومَتریال، بیوماده یا ماده زیستی به ماده‌ای با منشا مصنوعی یا طبیعی گفته می‌شود، که به منظور بهبود، درمان، التیام و یا جایگزینی بافت موجودات زنده به کار می‌‌رود.بطور کلی بیومواد باید دارای خصوصیات زیر باشند:

  • از نظر شیمیایی خنثی باشند.
  • اثر سوء بر بافت‌های مجاور نداشته باشند.
  • طول عمر آنها زیاد باشد.
  • استحکام خستگی بالا داشته باشند.
  • بر فرآیندهای متابولیسم آزاد بدن تأثیر مخرب نداشته باشند.

عوامل فوق «فاکتورهای سازگاری زیستی» نامیده می‌شوند.

پروتزهایی که در بدن کاشته می‌شوند، بسته به نوع واکنش بدن، به ۴ نوع زیر تقسیم می‌شوند:

  1. سمی اگر ماده سمی باشد، بافت‌های اطراف آن از بین می‌روند.
  2. خنثی اگر ماده غیر سمی و از لحاظ بیولوژیکی غیرفعال باشد، بافت الیافی با ضخامت متغیر بین بافت پایه و پروتز تشکیل می‌شود.از آنجایی که این بافت هیچ‌گونه پیوند فیزیکی-شیمیایی با اجزای مجاور ندارد، به راحتی حرکت کرده و سبب رها شدن پروتز می‌شود.
  3. بیواکتیو اگر ماده غیر سمی و از لحاظ بیولوژیکی فعال باشد، در سطح مشترک بافت پایه و پروتز پیوند تشکیل می‌شود.
  4. قابل جذب اگر ماده غیر سمی و قابل انحلال باشد، بافت‌های اطراف به تدریج جایگزین آن می‌شوند.

سرامیکها و شیشه های زیست سازگار

 

 

Bioceramics/glasses)

 

سرامیکها و شیشه های زیست سازگار به عنوان ایمپلنت های hip ، دندانی ، گوش میانی و در دریچه های قلبی کاربرد دارند مصرف این مواد زیستی کمتر از فلزات و پلیمرها می باشد .

 

-  ارتباط ساختار سرامیک باخصوصیات آنها

 

سرامیکها موادی هستند که از عناصر فلزی و غیر فلزی تشکیل شده اند که با پیوندهای کووالانسی یا یونی همدیگر را نگه داشته اند برعکس نحوه اتصالات در فلزات ، در سرامیکها  الکترونها در تشکیل پیوند مشارکت می کنند  از اینرو سرامیکها عایق حرارتی و الکتریکی می باشند و به علت وجود پیوندهای قوی کووالانسی و یونی بین آنها ، سخت و شکننده می باشند  به همین دلیل نیز صفحات اتمی و یونی  سرامیکها نمی توانند روی هم بلغزند و بنابراین با کمترین نیروی وارده می شکنند  (به علت نداشتن یا مقدار کم منطقه پلاستیکی ) و همچنین حضور ترکها و عیوب دیگر باعث شکست سریعتر آنها می گردد . طبیعت کووالانسی یا یونی سرامیکها بر رفتار شیمیایی آنها تاثیر گذار است .

 

 

 

-  قابلیت تخریب و تجزیه شدن

 

سرامیکها  و شیشه ها گرچه قدرت تحمل خوردگی را ندارند اما استعداد تجزیه شدن را وقتی که در محیط فیزیولوژیکی قرار دارند از خود نشان می دهند . مکانیزم و سرعت تجزیه به خود نمونه سرامیکی وابسته است . آلومینا که یک سرامیک زیستی خنثی می باشد وقتی در محلول سالین (saline ) قرارگیرد استحکام آن با زمان کاهش می یابد این فرایند حاصل از تجزیه ، حل شدن و نشر ترک می باشد . سرامیکهای بیواکتیو و شیشه ها در بدن تجزیه  می گردند البته همانطور که گفته شد سرعت حل شدن بسته به ترکیب و روند پروسه ساخت می باشد . به علت شباهت زیاد فسفات های کلسیمی به مواد معدنی استخوانی ،  این امکان هست که آنها  در داخل بدن بوسیله استئو کلاستها  مجددا  جذب گردند . 

-پلیمرهای زیست سازگار (  Biopolymers  )

 

 

پلیمرها به عنوان کاربردی ترین مواد در پزشکی شناخته شده اند پلیمرها در طراحی های عروق خونی ، جایگزینی و ترمیم بافتهای نرم بدن بکار میروند . همچنین در سیستمهای رهایش دارو ، گرافتهای عروقی ، دریچه های قلبی  و ایمپلنت های مصنوعی دیگر همانند ایمپلنت سینه ، لنزهای تماسی چشمی ، لنزهای درون چشمی و یا پوشش برای قرصها و کپسول های دارویی ، نخهای بخیه ، چسبها و غیره  بکار می رود . 

- ارتباط ساختار پلیمرها با خصوصیات آنها

 پلیمرها ، مواد آلی شامل ماکرو ملکولهای بزرگی هستند که از تعداد زیادی واحد تکرار شونده بنام مونومر تشکیل شده اند . انتهای این ملکول های طویل بطور کووالانسی به یکدیگر اتصال یافته اند  و ماکرو ملکولها بوسیله پیوندهای ثانویه ضعیفی به هم اتصال دارند ( واندروالسی و هیدروژنی ) به علت طبیعت کووالانسی و اتصال درون مولکولی ، الکترونها درون ملکولها جای گرفته اند و پلیمرها سعی دارند تا هادی های الکتریکی و حرارتی ضعیفی را ایجاد نمایند . ویژگی های مکانیکی و دمایی پلیمرها به چند فاکتور وابسته است که شامل : ساختار ، وجود گروههای جانبی ، ساختار زنجیره ها و وزن ملکولها می باشد.

 تغییر شکل پلاستیکی در پلیمرها  وقتی رخ می دهد که نیروی مکانیکی  بکار رفته بتواند زنجیره های ماکرومولکولی را یکی بعد از دیگری به لغزش در آورد . وجود گروههای جانبی و مواد افزاینده به ساختار اصلی پلیمر باعث تغییر در ویژگی های مکانیکی پلیمر می گردد همچنین افزایش طول زنجیره ( وزن مولکولی) باعث افزایش استحکام کششی زنجیره ها می گردد .

کامپوزیتهای زیست سازگار (Biocomposites  )

 

یک ماده کامپوزیتی را بصورت یک مخلوط فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپی از دو یا چند ماده مختلف تعریف می نمایند که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها خواصی بهتر از هریک از اعضای تشکیل دهنده خود را دارا می باشند در کامپوزیتها عموما سه ناحیه متمایز شامل فاز پیوسته ، ناپیوسته و لایه مرزی بین دو فاز وجود دارد که تعیین کننده خواص و مشخصه های ماده مرکب خواهد بود فاز ناپیوسته  بصورت ذرات پودری ، صفحه ای و الیافی تقسیم می شود .

خواص کامپوزیتها شدیدا  وابسته به مواد سازنده ، چگونگی توزیع این مواد و نیروهای بین آنهاست  به عبارتی هر یک از خواص کامپوزیتها جمع درصدهای آن خاصیت در فازهای مختلف بوده بنحوی که فازهای مختلف در اشکال گوناگون جذب یکدیگر شده و باعث بهبود خواص همه فازها می شوند .

 

 

 

- افزودنیها و تقویت کننده های کامپوزیتی

اصولا تمامی سیستمهای کامپوزیتی پیچیده از افزودنیها و تقویت کننده های ذیل تشکیل می گردد .

 

۱- رزین 

۲- سخت کننده ها یا عامل پخت 

۳-  شتاب دهنده ها  

۴- روان کننده ها  

۵-  انعطاف دهنده ها  و نرم کننده ها 

۶- مواد رنگی

 

باید بدانیم که کامپوزیت ماده ای نیست که از اختلاط دو یا چند ماده بدست آمده باشد بلکه نکته در اینجاست که این ماده جدید، ویژگی های بهتری از هر یک از اجزای تشکیل دهنده خود دارد این مهمترین انگیزه ساخت کامپوزیتها است خواص را که می توان بهبود بخشید عبارتند از:

 

 سختی -  مقاومت خوردگی -  جذابیت ظاهری -  وزن -  مقاومت خستگی   انبساط و انقباض ناشی از تغییرات درجه حرارت -  عایق حرارتی بودن -  عایق صوتی بودن -  قابلیت هدایت حرارتی -  قابلیت هدایت الکتریکی .

 

-  دلایل گسترش کامپوزیتهای زیست سازگار

 

بافتها به دو دسته نرم و سخت تقسیم بندی می شوند استخوان و دندان جز بافتهای سخت و پوست و عروق خونی ، غضروف و رباط مثالهایی از بافت نرم می باشند . بنابراین با توجه به ساختار مکانیکی فلزات و سرامیکها برای کاربردهای مربوط به بافت سخت ،  پلیمرها به بافت نرم بیشتر سازگارند . برای رسیدن به استحکام بهتر و ویژگی های مناسب از ترکیب این مواد استفاده می کنند درکامپوزیتهای زیست سازگار مشکلاتی چون خوردگی ، شکست ناشی از خستگی و رهایش یونهایی که در آلیاژهای فلزی و فلزاتی نظیر نیکل و کروم وجود دارند و ممکن است سبب شل شدن کاشت و ناراحتی بیمار و واکنشهای آلرژیکی گردند یا تافنس شکست پائین که در مواد سرامیکی وجود دارد و آنها را به منظور کاربردهای سخت نامناسب می سازد کمتر مشاهده می شود .

  منبع:کتاب نانومواد در پزشکی- نوشته مهندس اسماعیل بی آزار

 

 

 


نعمت الله طاهری

مواد هوشمند

مواد هوشمند به آن دسته از مواد گویند که می توانند محیط و شرایط اطراف خود را درک نمایند و به آن واکنش نشان دهند. هم اکنون فلزات و کامپوزیت های هوشمند در موارد بسیاری کاربرد و جایگاه خود را در صنعت پیدا کرده اند. برای مثال امروزه از فلزی به نام نیتینول (ترکیبی از نیکل و تیتانیوم) در ساخت فریم عینک ها استفاده می شود که بعد از خم شدن مجدد به شکل اولیه بر می گردد و سبب می شود که شکل فریم عینک همیشه مانند روز اولی باشد که خریداری شده است. این تنها یک مثال از این دسته مواد است که حاصل تحقیقات ناسا می باشد. در حال حاضر کامپوزیت های حافظه دار به دو دسته فلزی (آلیاژی) و پلیمری تقسیم می شوند. در اینجا به نحوه عملکرد نیتینول به عنوان یک آلیاژ حافظه دار و نیز کاربرد آن در زندگی روزمره اشاره می کنیم.
 آلیاژهای حافظه دار دو ویژگی دارند: یکی اینکه آنها تا حدودی الاستیک هستند و دیگر آنکه حافظه دار هستند یعنی قابلیت ذخیره سازی انرژی مکانیک و نیز آزاد سازی آن را دارا هستند. درست مانند آب که در دماهای مختلف از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود این دسته از فلزات نیز به علت اینکه مولکول ها در آنها قابلیت چیده مان مجدد دارد (البته آنچه که باعث می شود تا مولکول ها در کنار هم باقی بمانند و حالت جامد را حفظ کنند متفاوت است) قابلیت بازگشت به شکل اولیه را دارند. حال ببینیم این فلزات حافظه دار چگونه عمل می کنند: عاملی که سبب تغییر شکل فلز و یا بازگشت به شکل اولیه خود می شود، اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. در شکل پایین سمت چپ، فلز حافظه دار را در حالتی که شکل اولیه خود را در دمای اتاق دارد را نشان می دهد. زمانی که بار اعمال می شود فلز تغییر شکل می دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و کمی گرما مولکول ها به شکل یک ساختار سخت در می آیند به گونه ای که به یک ساختار با شبکه ای متفاوت مبدل می شوند. اما هنوز وضعیت قرارگیری مولکولی معمولی است و همان ساختار فیزیکی در مقیاس ماکرو وجود دارد.

با توجه به اینکه این دسته از فلزات زیست سازگار (سیستم ایمنی به آنها عکس العمل نشان نمی دهد) هستند و از ویژگیهای مکانیکی قابل قبولی (مقاوم در برابر خوردگی) برخوردار هستند در ساخت ایمپلنت ها و پلیت های (کاشتنی‌ها) ارتوپدی در موارد شکستگی ها قابل استفاده هستند. شاید بدانید که در شکستگی های استخوان های صورت از پلیت های ویژه ای استفاده می شود تا استخوانهای صورت را طی دوره شکستگی در کنار هم نگه دارد. در گذشته از پلیت هایی از جنس استیل برای این کار استفاده می شده است . در ابتدا ممکن است که استخوان درست لب به لب هم و در کنار هم قرار گیرند اما به مرور این وضعیت از دست می رود که در نهایت سبب به تاخیر افتادن جوش خوردن شکستگی می شود. با ظهور آلیاژ های حافظه دار و کاربرد آنها در ساخت پلیت ها این مشکل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهای حافظه‌دار به جای استیل استفاده می کنند به این طریق که ابتدا فلز را کمی سرد می کنند و سپس در محل نصب می کنند. در اثر دمای بدن مقداری فلز گرم می شود و به این طریق پلیت فشار لازم جهت در کنار هم نگهداشتن قطعات شکستگی را حفظ می کند و سبب می شود تا استخوان در حداقل زمان ترمیم شود.

مشکلی که در طراحی این نوع پلیت ها وجود داشت مربوط به تنظیم فشار مناسب و مطلوب است. برای مثال اینکه چه مقدار فلز باید تغییر شکل داده شود تا کشش لازم را ایجاد کند خود جای بررسی دارد. در اینجاست که فناوری نانو وارد عرصه شده تا به تغییر نحوه قرار گیری اتم ها در ترکیبات کمک کند. هم اکنون گروه های تحقیقاتی در حال انجام مطالعه بر روی این تنظیم این مکانیزم با کمک فناوری نانو می باشند.

nanoclub.ir


نعمت الله طاهری