I. تعريف وتطبيقات المواد المعدنية الطبية
تُستخدم المواد المعدنية الطبية، والمعروفة أيضًا باسم المواد المعدنية المزروعة الجراحية، بشكل أساسي في التشخيص والعلاج واستبدال الأنسجة أو تحسينها في جسم الإنسان. على مدار العشرين عامًا الماضية، في حين أن تطوير المواد الطبية المعدنية كان أبطأ من تطوير المواد الطبية الحيوية مثل البوليمرات والمواد المركبة والهجينة والمشتقات، إلا أنها توفر العديد من الخصائص التي لا يمكن استبدالها والتي لا يمكن للمواد الطبية الأخرى مضاهاتها، بما في ذلك القوة العالية، والمتانة الجيدة، ومقاومة إجهاد الانحناء، وخصائص المعالجة الممتازة. وهي أكثر مواد الغرس الحاملة للحمل-استخدامًا على نطاق واسع في التطبيقات السريرية. مع تطور تكنولوجيا الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، اكتسبت المواد الطبية المعدنية تطبيقًا أوسع، ومن أهم التطبيقات ألواح تثبيت الكسور، والبراغي، والمفاصل الصناعية، وزراعة الأسنان.
ثانيا. المواد الطبية المعدنية شائعة الاستخدام
تشمل المواد المعدنية الرئيسية المستخدمة في التطبيقات الطبية السريرية الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الكوبالت وسبائك التيتانيوم وسبائك ذاكرة الشكل والمعادن الثمينة والمعادن النقية مثل التنتالوم والنيوبيوم والزركونيوم.
1. الفولاذ المقاوم للصدأ
الفولاذ المقاوم للصدأ الطبي (الفولاذ المقاوم للصدأ كمواد طبية حيوية) عبارة عن سبيكة-أساسها الحديد ومقاومة للتآكل-، وهي واحدة من أقدم السبائك الطبية الحيوية التي تم تطويرها. ويتميز بسهولة المعالجة والتكلفة المنخفضة. إن ترك شكل العمل البارد للفولاذ المقاوم للصدأ لا يزيد من قوة الخضوع فحسب، بل يزيد أيضًا من صلابة السبيكة ضد الصدأ، مما يقلل بدوره من احتمالات حدوث كسر الكلال. عندما تنظر إلى البنية المجهرية، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ يصطف كدرجات تصلب الأوستنيتي أو الحديدي أو المارتنسيتي أو هطول الأمطار. ليس من المستغرب أن تصبح هذه الفولاذات معدات قياسية في عالم الطب؛ ستجدها مصاغة في سكاكين جراحية، والسكك الحديدية الفرعية على شفرة مقص، وفكي المرقأة، وجسم إبرة مجوفة. إلى جانب الأدوات اليدوية، يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ أيضًا في التطبيقات القابلة للزرع، بما في ذلك المفاصل الاصطناعية، ومثبتات الألواح والمسامير، ودعامات الأسلاك المقوسة لتقويم الأسنان، وأغطية الصمامات لأجهزة صمامات القلب الميكانيكية. ومن بين هذه الطرق المفيدة، تهيمن الدرجات الأوستنيتي 316L و317L، التي تحتوي على محتوى منخفض الكربون إضافي- لتقليل ترسيب كربيد حدود الحبوب. تم نشر المواصفات المكتوبة لهذه السبائك لأول مرة في مراجعة عام 1987 لمعيار ISO للمواد المعدنية القابلة للزرع، ISO 5832 وISO 7153. وبعد المجموعة الدولية، تمت صياغة معيار وطني في بلدي، GB 12417، في عام 1990 وتم اعتماده في عام 1991.
يتعلق التوافق الحيوي والقضايا ذات الصلة بالفولاذ المقاوم للصدأ الطبي في المقام الأول بتفاعلات الأنسجة الناتجة عن انحلال أيونات المعدن بسبب التآكل أو التآكل بعد الزرع. توضح البيانات السريرية الشاملة أن تآكل الفولاذ الطبي المقاوم للصدأ يؤدي إلى ضعف استقرار الغرسة على المدى الطويل-. علاوة على ذلك، تختلف كثافته ومعامل مرونته بشكل كبير عن تلك الموجودة في الأنسجة الصلبة البشرية، مما يؤدي إلى ضعف التوافق الميكانيكي. يمكن أن يتسبب التآكل في دخول أيونات معدنية أو مركبات أخرى إلى الأنسجة المحيطة أو الجسم ككل، مما قد يؤدي إلى تفاعلات نسيجية ضارة مثل الوذمة والعدوى ونخر الأنسجة، مما يؤدي إلى الألم وردود الفعل التحسسية. على وجه الخصوص، يمكن أن يسبب ذوبان أيون النيكل من الفولاذ المقاوم للصدأ تغيرات مرضية خطيرة (يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ الطبي الأوستنيتي الشائع الاستخدام على حوالي 10% من النيكل). في السنوات الأخيرة، تم تطوير واستخدام الفولاذ الطبي المقاوم للصدأ الخالي من النيكل-والنيكل-بشكل تدريجي.
2. سبائك الكوبالت
تُستخدم سبائك الكوبالت (السبائك القائمة على-الكوبالت كمواد طبية حيوية) بشكل شائع أيضًا في التطبيقات الطبية. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ، فهي أكثر ملاءمة لتصنيع الغرسات طويلة الأمد-والتي تخضع لأحمال كبيرة في الجسم، مع مقاومة للتآكل أكبر بـ 40 مرة من الفولاذ المقاوم للصدأ. كانت أول سبيكة معدنية من الكوبالت-تم تصميمها خصيصًا لأغراض طبية هي الكوبالت والكروم والموليبدينوم، وهو مزيج يبرد إلى بنية أوستنيتي مستقرة. بعد ذلك، في أواخر سبعينيات القرن العشرين، ظهرت موجة من الخيارات الجديدة، ولا سيما طفرة الحديد المطاوع من الكوبالت والنيكل والكروم والألمنيوم والتنغستن- التي تظهر مقاومة فائقة للتعب، ومتغير MP35N، الذي يحتفظ بقلب الكوبالت والنيكل والكروم والألومنيوم ولكنه يتوسط ميكانيكيًا حراريًا إلى بنية مجهرية معقدة متعددة الأطوار. لقد تفوقت مصفوفة الأوستنيتي الأصغر حجمًا من الكوبالت السريري ومتغيرات الكوبالت والنيكل منذ ذلك الحين في الهندسة التعويضية.فهي تشكل سيقان وأكواب الوركين الاصطناعيين المعتمدين على مو-الكوبالت والكروم، والأسطح المفصلية للركبتين المصنوعة من سبائك الكوبالت والكروم، وأجهزة تثبيت العظام، التي تشمل الطلاء للكسور غير المستقرة، ومسامير التماس-المرورية، ودبابيس العظام المضغطة-. في الوقت الحالي، تعتبر سبائك الألومنيوم المصبوبة من الكوبالت-الكروم- هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع ويتم دمجها في معيار ISO 5582/4. وفي عام 1990، أدرجته بلدي في المعيار الوطني GB12417.
تبقى سبائك الكوبالت عادةً في حالة سلبية داخل جسم الإنسان، ونادرًا ما تتآكل. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ، فإن غشاءها السلبي أكثر استقرارًا ومقاومة للتآكل-. كما أنها توفر أفضل مقاومة للتآكل بين جميع المواد المعدنية الطبية، والتي يُعتقد عمومًا أنها لا تنتج أي تفاعلات نسيجية ملحوظة بعد الزرع. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفتها، فإن مفاصل الورك الاصطناعية المصنوعة من سبائك الكوبالت تظهر معدلًا عاليًا من الارتخاء في الجسم الحي بسبب إطلاق أيونات Co و Ni الناتجة عن تآكل المعادن وتآكلها. علاوة على ذلك، تمثل عناصر Co وNi المترسبة تحديات بيولوجية، مثل الحساسية الشديدة، والتي يمكن أن تسبب بسهولة نخر الخلايا والأنسجة في الجسم الحي، مما يؤدي إلى الألم، وارتخاء المفاصل، وغرقها. ونتيجة لذلك، كان تطبيقها محدودا. في السنوات الأخيرة، تم استخدام تقنيات تعديل السطح لتحسين الخصائص السطحية لسبائك الكوبالت، مما يعزز فعاليتها السريرية.
3. سبائك التيتانيوم
تعتبر السبائك المعتمدة على Ti-مواد طبية حيوية من بين أكثر المعادن المعروفة توافقًا حيويًا. منذ أربعينيات القرن العشرين، اكتسب التيتانيوم وسبائك التيتانيوم تطبيقًا تدريجيًا في الطب السريري. في عام 1951، بدأ البشر في استخدام التيتانيوم النقي لصنع ألواح العظام والمسامير. في منتصف-السبعينيات من القرن الماضي، بدأ التيتانيوم وسبائك التيتانيوم في الحصول على تطبيقات طبية واسعة النطاق، لتصبح واحدة من أكثر المواد الطبية الواعدة. حاليا، يتم استخدام التيتانيوم وسبائك التيتانيوم في المقام الأول في جراحة العظام، وخاصة في إعادة بناء الأطراف والجمجمة. يتم استخدامها لصنع أجهزة تثبيت الكسور المختلفة، والمفاصل الاصطناعية، وأغطية الجمجمة والأم الجافية، وصمامات القلب الاصطناعية، والأسنان، واللثة، وحلقات التثبيت، والتيجان. سبائك التيتانيوم الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في التطبيقات الطبية هي TC4 (Ti-6Al-4V). تحتوي هذه السبيكة على هيكل + ثنائي الطور في درجة حرارة الغرفة. يمكن تحسين قوتها وخواصها الميكانيكية الأخرى بشكل كبير من خلال معالجة المحاليل والشيخوخة.
تبلغ كثافة التيتانيوم وسبائكه حوالي 4.5 جم/سم3، أي ما يقرب من نصف كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الكوبالت، وتقترب من كثافة الأنسجة الصلبة البشرية. علاوة على ذلك، فإن توافقها الحيوي ومقاومتها للتآكل ومقاومة التعب تفوق تلك الموجودة في سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ والكوبالت، مما يجعلها أفضل المواد الطبية المعدنية حاليًا. تنبع علاقة التيتانيوم وسبائكه بجسم الإنسان من طبقة التخميل الكثيفة لأكسيد التيتانيوم (TiO2) الموجودة على أسطحها، والتي، بعد غرسها، تحفز ترسب أيونات الكالسيوم والفوسفور في سوائل الجسم لتكوين الأباتيت. يُظهر هذا درجة معينة من النشاط الحيوي والترابط العظمي، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للزرع داخل العظم. ومع ذلك، فإن عيوب التيتانيوم وسبائكه هي صلابته المنخفضة وضعف مقاومة التآكل. في حالة حدوث تآكل، يتم تدمير طبقة الأكسيد أولاً، يليها إطلاق منتجات تآكل جسيمات التآكل التي تدخل الأنسجة البشرية. على وجه الخصوص، يمكن أن يتسبب الفاناديوم السام (V) الموجود في سبيكة Ti-6Al-4V في فشل عملية الزرع. لتحسين مقاومة التآكل للتيتانيوم وسبائكه، يمكن استخدام عملية الأمين الأيوني عند درجة حرارة عالية أو زرع الأيونات لتعزيز مقاومة التآكل السطحي. في السنوات الأخيرة، تم تطوير بعض سبائك التيتانيوم الجديدة (سبائك من النوع الأساسي)، وكلها تركز على تقليل العناصر الضارة بجسم الإنسان، وتحسين التوافق الحيوي لسبائك التيتانيوم بشكل فعال.
4. شكل سبائك الذاكرة
بدأت الأبحاث حول سبائك ذاكرة الشكل الطبي (SMAs) كمواد طبية حيوية في السبعينيات وسرعان ما اكتسبت تطبيقًا واسع النطاق. إن SMA الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الممارسة السريرية هو النيكل-التيتانيوم SMA. تبلغ درجة حرارة استعادة ذاكرة الشكل الخاصة بـ SMAs الطبية 36 ± 2 درجة، والتي تتطابق مع درجة حرارة جسم الإنسان وتظهر توافقًا حيويًا مشابهًا لسبائك التيتانيوم. ومع ذلك، نظرًا لأن SMA تحتوي على كمية كبيرة من النيكل، فإن المعالجة السطحية غير المناسبة يمكن أن تتسبب في انتشار أيونات النيكل واختراق الأنسجة المحيطة، مما يتسبب في نخر الخلايا والأنسجة. تُستخدم SMAs الطبية في المقام الأول في الجراحة التجميلية وطب الأسنان. تعتبر الدعامات ذاتية التمدد، وخاصة دعامات القلب والأوعية الدموية، مثالًا رئيسيًا على تطبيقها.
5. المعادن الثمينة والمعادن النقية: التنتالوم، النيوبيوم، الزركونيوم
تشير المعادن الثمينة الطبية إلى الذهب والفضة والبلاتين وسبائكها المستخدمة كمواد طبية حيوية. تتمتع المعادن الثمينة بتوافق حيوي ممتاز، ومقاومة قوية للأكسدة والتآكل، وثبات فيزيائي وكيميائي فريد، وخصائص معالجة ممتازة، كما أنها غير-سامة للأنسجة البشرية. يتم استخدامها في ترميم الأسنان، وإصلاحات الجمجمة، والأجهزة الإلكترونية القابلة للزرع، والأطراف الاصطناعية العصبية، وأجهزة تحفيز العصب الأذني والحجابي، وأجهزة الأعصاب البصرية، وأقطاب تنظيم ضربات القلب.
يتمتع التنتالوم المستخدم في ترميم الأسنان بثبات كيميائي ممتاز ومقاومة للتآكل الفسيولوجي. أكسيد التنتالوم غير ممتص بشكل أساسي وغير -سام. يمكن دمج التنتالوم مع معادن أخرى دون الإضرار بطبقة الأكسيد السطحية. في الحياة السريرية اليومية، يبدو من الممكن ربط المعادن مع تجنب تمزق طبقة الأكسيد المستمرة التي تعمل على تخميل أسطحها. نظرًا لأن التنتالوم والنيوبيوم والزركونيوم يظهران بنية مجهرية وملامح تفاعلية تتماشى بشكل وثيق مع تلك الخاصة بالتيتانيوم، فقد تم تقييمها لتطبيقات زراعة متنوعة، بدءًا من ترقيع العظام المجهز بالأجهزة والجذور السنية -المثبتة إلى الأجزاء المفصلية من أطقم الأسنان القابلة للإزالة، والدعامات الوعائية الرقيقة-، ومجموعة واسعة من الأجهزة مثل -القلوب الاصطناعية الكلية المعدلة بدرجة الحرارة. ومع ذلك، فإن السعي للحصول على هذه المعادن في الممارسة الروتينية لا يزال محدودًا؛ إن اقتصاديات صقلها وتصنيعها المتأصلة تضعها خارج ميزانيات معظم هوامش الزرع.
