کاربردهای پزشکی ایمپلنت‌های تیتانیوم اصلاح‌شده مقاوم در برابر خوردگی
از اصلاح سطح ایمپلنت‌های تیتانیوم به عنوان یک راهکار کارآمد برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی یاد می‌شود. علاوه بر این، این راهکار سایر خواص لازم برای استفاده به عنوان یک ماده زیستی را افزایش می‌دهد. فلزات معمولاً به عنوان ایمپلنت در بدن انسان استفاده می‌شوند. با این حال، آنها باید دارای ویژگی‌هایی باشند که آنها را قادر می‌سازد بدون عوارض جانبی در داخل بدن عمل کنند.
مواد زیستی فلزی باید دارای ویژگی‌های زیست سازگاری، چسبندگی زیستی، عملکرد زیستی و مقاومت در برابر خوردگی باشند و مواد زیستی فلزی مورد استفاده عمدتاً فولاد ضد زنگ، آلیاژهای کبالت، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم هستند. تیتانیوم و آلیاژهای آن امیدوارکننده‌ترین مواد زیستی فلزی هستند که در کاربردهای مختلف زیست‌پزشکی مانند ایمپلنت‌های ارتوپدی، استنت‌های قلبی و ایمپلنت‌های دریچه‌ای و ایمپلنت‌های دهانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
از مزایای تیتانیوم به عنوان ایمپلنت می‌توان به زیست سازگاری، وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی، نسبت استحکام به وزن بالا، ویژگی‌های غیرمغناطیسی و مدول الاستیسیته کم اشاره کرد. Straumann، Envista و Osstem Implant (HIOSSEN) از جمله شرکت‌های مختلفی هستند که ایمپلنت‌های بدن مبتنی بر تیتانیوم را ارائه می‌دهند.
زیست سازگاری بالای تیتانیوم به دلیل رسانایی پایین الکتریکی است که منجر به اکسیداسیون الکتروشیمیایی تیتانیوم و تشکیل لایه نازک غیرفعال‌کننده اکسید (به طور معمول به ضخامت چند نانومتر) می‌شود. این لایه اکسید مقاومت خوردگی بالایی نسبت به تیتانیوم دارد. علاوه بر این، مقدار pH این لایه اکسید همانند بدن انسان است و واکنش‌پذیری کمی با سایر ماکرومولکول‌ها دارد.
آیا گزارشی از خوردگی ایمپلنت‌های تیتانیوم وجود دارد؟
علیرغم تمام این خواص تیتانیوم، مطالعات، خوردگی تیتانیوم را هنگام استفاده به عنوان ایمپلنت گزارش می‌کنند. تجمع تیتانیوم در بافت‌ها در مجاورت ایمپلنت نشان‌دهنده آزاد شدن و خوردگی فلز در شرایط in-vivo است.
عواملی مانند مایعات بدن (خون، پلاسما و پروتئین‌ها)، فعالیت‌های الکتروشیمیایی ایمپلنت (کاتدی یا آندی)، و تعامل با باکتری‌ها، مولکول‌ها و سلول‌های زیستی می‌توانند مقاومت به خوردگی و پایداری تیتانیوم را تغییر دهند. این امر می‌تواند تمایل به خوردگی را افزایش دهد و تخریب لایه اکسید روی سطح ایمپلنت تیتانیوم را تسریع کند.
افزایش نرخ خوردگی می‌تواند انتشار یون را افزایش دهد که می‌تواند با سلول‌های اطراف که بر فعالیت‌های متابولیکی سلولی تأثیر می‌گذارند، تعامل داشته باشد. این سلول‌های التهابی می‌تواند به خوردگی و حتی شکست ایمپلنت منجر شود. خوردگی می‌تواند طول عمر ایمپلنت‌ها را کاهش دهد و در نتیجه می‌تواند منجر به جراحی مجدد شود. علاوه بر این، چنین خوردگی ایمپلنت ممکن است منجر به تهدیدی برای زندگی انسان شود.
اصلاح سطح ایمپلنت‌های تیتانیوم برای افزایش مقاومت به خوردگی و خواص مرتبط با مواد زیستی، مفیدترین و قابل اجراترین استراتژی است. لایه‌های سطح تیتانیوم نیترید بر روی ایمپلنت تیتانیوم به عنوان اصلاح سطح مقاوم در برابر سایش و خوردگی مورد مطالعه قرار گرفت. فازهای نیترید تیتانیوم باعث سرکوب انتشار یون و تثبیت رشد لایه اکسید تیتانیوم بر روی سطح تیتانیوم شده بود.
کاشت یون غوطه‌ور در پلاسما روش دیگری است که از طریق آن یون‌های نیتروژن، کربن و اکسیژن می‌توانند در سطح تیتانیوم قرار گیرند تا خواص مطلوب بدست آید. این لایه سطحی اصلاح‌شده با یک لایه دیگر برای نتایج بهتر عمل‌آوری شد. نانوذرات بسیار ریز اکسیداسیون گزینش‌پذیر را نشان داده‌اند که مکانیزم دفاعی در برابر خوردگی ایجاد می‌کند و چسبندگی بیشتری به سطح مواد زیستی دارد.
مطالعات بر روی اصلاح سطح لایه‌های تیتانیوم از طریق روش‌های پردازش سطحی با ایجاد سطوح نانوساختار با استفاده از تیتانیوم اکسید، آلومینیوم اکسید و هیدروکسی آپاتیت گزارش شده است. سایر نانوساختارهای اصلاح‌کننده سطح، مانند غشاهای نانومتخلخل و نانوالیاف نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.
پوشش‌های روی به دلیل بهبود تمایز استئوبلاستیک در کاربردهای زیست‌پزشکی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. گزارش شده است که اصلاح سطح تیتانیوم با نانوسیم‌های روی خواص آنتی‌اکسیدانی و ضد التهابی نشان می‌دهد. علاوه بر این، این روش کاهش حساسیت به خوردگی تیتانیوم را در میکرو-محیط اکسیدکننده نشان داد. ذرات اکسید روی در مقیاس نانو خواصی مانند ضد میکروبی و سمیت کم را نشان دادند. در این مطالعه، خواص ضد باکتریایی نانوذرات اکسید روی به دلیل انتشار یون‌های + Zn2 و گونه‌های اکسیژن فعال به نمایش گذاشته شد.
گزارش شده است که مقدار مناسب روی در سطح بیومواد باعث ایجاد محیط مناسبی برای چسبندگی سلولی، تکثیر، کانی‌سازی و بسیاری موارد دیگر می‌شود. مطالعات نشان داده است که ایمپلنت‌های تیتانیوم را می‌توان با پوشش‌های نانوذرات اکسید روی از طریق روش‌های مختلفی مانند رسوب الکتریکی، رسوب لایه اتمی، روش سل-ژل، کندوپاش مگنترون، رسوب لیزری، روش هیدروترمال و پاشش الکتروهیدرودینامیک اصلاح کرد.
چشم انداز آینده ایمپلنت‌های تیتانیوم اصلاح شده
تیتانیوم اصلاح‌شده از طریق مواد مختلف مقاومت در برابر خوردگی را نشان داده و زیست سازگاری را افزایش داده‌است. برای مطالعه مکانیسم‌های بیوشیمیایی که پس از کاشت تحت پاسخ ایمنی اتفاق می‌افتد، لازم است مدل‌های میکرو-محیط پیچیده‌ای ساخته شود که از بدن انسان تقلید کنند. این کار به توسعه نانومواد چند منظوره برای مواد زیستی فلزی برتر کمک خواهد کرد که می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی را افزایش داده، کارایی فرایند پیوند استخوانی را بهبود بخشد و زیست سازگاری را افزایش دهد.
درباره نویسنده «Gopika G»
گوپیکا دارای مدرک دکترای مهندسی، کارشناسی ارشد نانو تکنولوژی و کارشناسی مهندسی الکترونیک و ارتباطات است. کار تحقیقاتی او در طول دوره دکترا مبتنی بر کاربرد مواد دی-کالکوژنید فلز واسطه لایه‌ای دوبعدی در سلول‌های خورشیدی اکسیتون بود. او علاقه‌مند به تحقیقات در زمینه الکترونیک پوشیدنی مبتنی بر مواد دو بعدی و سلول‌های خورشیدی است. گوپیکا فردی با انگیزه و دارای مهارت‌های بین فردی و ویژگی‌های رهبری است.