بخشی از مقاله
چکیده: یکی از کاربریهای فومهای پرتخلخل در اصلاح بافت استخوانی و فرآیندهای مربوط به آن است. این فومها به عنوان انتقالدهنده مایعات و ترکیبات زیستی میتوانند زمینه را برای پیشروی و رشد سلولهای استخوانی فراهم نمایند. در این پروژه پروسه تولید فومهای تیتانیومی مورد بررسی و اجرا قرارگرفته است. به این منظور از عامل فضاپرکن سدیم کلرید در کنار پودر تیتانیوم خالص به عنوان زمینه استفاده شده است. مواد اولیه تحت پروسه متالورژی پودر فرآوری گردیدهاند. پس از انجام عمل مخلوطسازی و فشردهسازی، قطعات در درون آب شسته شدهاند تا سدیم کلرید بهعنوان فضاپرکن از درون ساختار خارج شود. در بازههایی زمانی مشخصی از شستشو چگالیسنجی انجام پذیرفته که نشاندهنده میزان خروج عامل موقت از درون ساختار است. در پایان پروسه با استفاده از میکروسختی-سنجی کیفیت مکانیکی داربست تولید شده مورد ارزیابی قرار گرفته است.
واژه های کلیدی: فوم، تیتانیوم، داربست، ایمپلنت، پزشکی، متالورژی پودر.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر مهندسی بافت استخوانی با هدف بازسازی مشکلات استخوانی توجه زیادی را از جامعه تحقیقاتی پزشکی را به خود جلب کرده است. با این هدف مشکلات استخوانی را میتوان با جایگیری سلولهای جدید در داربستهای ایمپلنت شده در بدن حل کرد و یا اساساً طرح جدیدی برای آن در محل ضایعه اعمال کرد .[1] این امر نویدبخش بهبود فراوان در کمبودهای روش قدیمی پیوند خودبهخودی، که سالهاست بهعنوان روش اصلی مورداستفاده قرار میگیرد، است .[2] پیوند خودبهخودی سلولهای زندهای هستند که میتوان آن را بهعنوان استخوان زا - که وظیفه بازتولید بافت استخوانی را دارد - و استخوانرسان - که وظیفه فرم دهی به سلولهای تازه تشکیلشده استخوانی را دارد -
تقسیم نمود [2]، کاربری اینگونه از پیوندها به دلیل انتقال بیماریها بین اهداکننده و دریافتکننده محدود است، همچنین مسائل گوناگونی مانند آسیب دیدن اهداکننده، ابعاد نارسائی در دریافتکننده، زمینه زیستپذیری میزبان و در دسترس بودن کاربرد درمانی این روش را بهشدت تحت شعاع قرار میدهد 3]،.[2 همین شرایط باعث شده تا تولید یک داربست مصنوعی برای جایگزینی با پیوند خودبهخودی از اهمیت بالایی برخوردار باشد .[6-4]
داربستهایی که برای امر مهندسی افت استخوانی طراحی میشوند، معمولاً یک سازه متخلخل هستند که میتوانند باعث افزایش فعالیت سلولی شده و جابهجایی و تکثیر سلولهای استخوان زا و سلولهای اولیه - رویان - با انتقال اکسیژن و مواد مغذی، در کنار ایجاد حالت عروقی بهبود بخشند 7]،5،.[4 با رشد بافت استخوانی و پر شدن ساختار متخلخل پایداری ایمپلنت بالا رفته و واضحترین دلیل آن استحکام ایجادشده به دلیل به هم پیوستن ایمپلنت متخلخل و بافت استخوانی اطراف آن است 8]،.[5
داربستهای مهندسی بافت استخوانی را میتوان با گستره وسیعی از مواد ساخت .[6] بیومواد سرامیکی مانند هیدروکسید آپاتایت [9] که با مشخصه زیستپذیری و زیستفعالی خود شناخته میشوند، بسیار مناسب هستند. درعینحال بسیار شکننده بوده و برای کاربردهایی که نیازمند استحکام و شکلپذیری زیاد هستند، دچار مشکل میشوند 10]،6،.[5 بیومواد پلیمری دارای زیستپذیری و پایداری زیستی مناسب هستند، ولی معمولاً خواص مکانیکی ضعیفی را از خود نشان میدهند .[6] داربستهای فلزی بهعنوان بهترین ماده اولیه برای ایمپلنتهای استخوانی شناخته شدهاند. تیتانیوم، منیزیم و آلیاژ آنها دارای خواص مکانیکی کافی و زیستپذیری قابلقبول هستند [14-11] که باعث میشود بتوان از آنها بهعنوان یک ایمپلنت استخوانی بار پذیر استفاده نمود .[18-15] پایداری زیستی و تلاشی پذیری منیزیم و دیگر آلیاژهای آن در سالهای اخیر موردتوجه قرارگرفته است [14] و کاربردهای آنها بهقدری گسترش پیدا کرده که میتوان تلاشی پذیری و استحکام آنها را بهگونهای تنظیم کرد که نیازهای پزشکی را برای مدتی تأمین نمایند. دیگر بیومواد فلزی دارای مشکلات محدودکنندهای هستند، مثلاً فولاد ضدزنگ دارای ماژول الاستیسیته بالایی است که استفاده پزشکی آن را شدیداً محدود مینماید. با استفاده از ساختارهای متخلخل میتوان این ماژول را کنترل کرد و به حدی رساند که اختلاف آن با ماژول بافت استخوانی کاهش یابد 19]،.[6
امروزه روشهای متنوع برای ساخت سازهای فلزی در نشریات مورد ارزیابی قرار میگیرند. برای مثال: زینتر کردن پودر، استفاده از حباب گاز پرفشار، جایگذاری پودر، نمونهسازی سریع و روش فضاپرکن 19]،.[21-6 زینتر کردن پودر بهعنوان یک روش سنتی متالورژی پودر بهطور گستردهای برای ساخت داربستهای استخوانی استفاده میشود و از مزایای آن سادگی و قیمت پایین است، در این روش ابتدا پودر فلزی فشردهشده و سپس زینتر میشود، حفرات از درزهای میان دانههای پودر به وجود میآیند 22]،[24-20 با توجه به این، شکل حفرات و اندازه آنها وابسته به پودر اولیه و شکل آنهاست 22]،[23-20 و علاوه بر آن بیشترین تخلخل ممکن %35 است .[23] با توجه به این امر با پیوند زدن فرآیند زینتر با روش فضاپرکن میتوان به درجات تخلخل بالاتر و کنترل بالاتر بر ساختار متخلخل داربستهای بیولوژیکی دست یافت 26]،.[25 ساخت داربستهای بیولوژیکی با روش فضاپرکن بر اساس مخلوط کردن ذرات موقتی به پودر ماتریس فلزی بنانهاده شده است. این ذرات به حفرات شکل میدهند، شکل 1 بهصورت شماتیک مراحل ساخت داربستهای فلزی را با روش فضاپرکن نشان میدهد. در مرحلهی اول پودر ذرات فضاپرکن با هم ترکیب میشوند و حفرات را در ماتریس بر جای میگذارند. روش فضاپرکن را روش پرکنندهی کاذب نیز مینامند [27] که نشاندهنده شباهت زیاد در مبانی این دو فرآیند است. تعداد زیادی از مواد بهعنوان فضاپرکن معرفیشدهاند، مثل کاربامید - CO - NH2 - 2 - ، آمونیوم هیدروژن کربنات - NH3HCO3 - ، سدیم کلرید، استارک، ساکاروز، پلی متیل متاکریلات، منیزیم، فولاد و پارافورمالدهید.
شکل 1 شماتیک و خلاصه ای از مسیر ساخت داربست فلزی با روش فضاپرکن
-2 انتخاب مواد و طرح آزمایش
بر اساس مطالب ذکرشده در فصول قبلی ساخت فومهای فلزی با کاربری پزشکی مدنظر قرار داده شد. ازاینرو سعی گردید در قسمت تجربی این پایاننامه پروسه ساخت یک قطعه کاشتنی از جنس فلز متخلخل، به صورت بومی و در مقیاس آزمایشگاهی انجام پذیرد. همچنین مواد انتخاب شده از مواد خام و فراوری نشده انتخاب گردیدند، تا بتوانند نمونهای بومی از توانایی تولید این قطعات باشد.
-1-2 انتخاب مواد
در پروسه تولید فوم با استفاده از متالورژی پودر دو ماده اساسی مورد استفاده قرار میگردد. - 1پودر ماتریس فلزی - 2عامل فضاپرکن. انتخاب هر کدام از مواد بسیار مهم است. ماده اول که ساختار اساسی فوم را تشکیل میدهد و در نهایت خود فوم را ایجاد میکند، باید بر اساس هدف تولیدکننده انتخاب شود. بااینکه ماده دوم در پروسه تولید از درون ساختار زدوده میشود، انتخاب صحیح آن باعث بهبود سرعت زدایش و همچنین کنترل آلودگی فوم شود. در ادامه پروسه انتخاب هرکدام از این مواد را ارزیابی مینماییم. پودر ماتریس فلزی مورد استفاده تیتانیوم خالص %99 با اندازه دانه 45> میکرومتر بوده و ساخت کشور بلژیک میباشد که با استفاده از روش اتمیزه تولید شده است. با توجه به بررسیهای، انجام شده سعی شد تا مادهای انتخاب گردد کهاولاً سابقهی استفاده از آن در منابع گذشته زیاد باشد و ثاناًی حلالی ارزان و در دسترس داشته باشد. سدیم کلرید به عنوان یکی از در دسترسترین مواد موجود، به راحتی در آب حل میشود. همچنین دارای پایداری بسیار مناسبی در درون ساختار داربست است. و مادام اجرای فرآیند بر روی داربست تازه میمانند و فاسد نمیشود. سدیم کلرید مورد استفاده محصول شرکت نوترون بوده و اندازه ذرات آن نامعلوم هستند. در نتیجه میبایست اندازه ذرات به مقدار مد نظر در مقالات نزدیک میشد. برای این منظور از الک برقی استفاده شد. براساس جداول پیوست 1 و الکهای موجود در آزمایشگاه نمک در الک با مش 25 ریخته شد تا پس از عبور از آن از الک مش 35 و مش 60 به الک مش 120 برسد. در نهایت ذرات باقیمانده در الک 35 مورد استفاده قرار گرفتند که انتظار میرفت ابعادی کمتر از 700 میکرون و بالاتر از 450 میکرون داشته باشند.
-2-2 مخلوط کردن
یکی از اهداف این پروژه تنظیم پارامترهای ماده و بررسی تأثیر آنها بر خواص محصول تولیدی است. پارامتر انتخاب شده برای بررسی میزان تخلخل نمونههاست که با کنترل نسبت حجمی پودر ماتریس فلزی و ذرات فضاپرکن قابل تنظیم است. با روش متالورژی پودر میتوان فومهایی با درصد تخلخل 90 - 50 درصد را تولید نمود در مقادیر بالاتر و پایینتر این پروسه به دلایل گوناگون از جمله فروپاشی ساختاری و
