فلزات شیشه‌ای زیست‌جذب‌پذیر

فلزات شیشه‌ای زیست‌جذب‌پذیر (Bioabsorbable metallic glass) یا شیشه‌های فلزی زیست‌تخریب‌پذیر، دسته‌ای نوظهور از آلیاژهای آمورف (Amorphous metals) هستند که بر پایه سیستم سه‌تایی (Ternary system) منیزیم-روی-کلسیم (Mg-Zn-Ca) طراحی شده‌اند.Mg-Zn-Ca ternary system این آلیاژها به دلیل ساختار اتمی نامنظم و فاقد شبکه کریستالی، خواص فیزیکی و مکانیکی منحصربه‌فردی دارند. برخلاف فلزات سنتی که دارای ساختار بلوری هستند، این مواد در سطح اتمی بیشتر به مایعات شباهت دارند که در جای خود منجمد شده‌اند.
بندانگشتی|نمونه‌ای از شیشه فلزی
یکی از ویژگی‌های حیاتی این شیشه‌های فلزی این است که تنها از عناصر شیمیایی تشکیل شده‌اند که به طور طبیعی در بدن انسان وجود دارند؛ یعنی منیزیم (Magnesium)، روی (Zinc) و کلسیم (Calcium). به همین دلیل، این آلیاژهای آمورف (Amorphous alloys) نوع خاصی از فلزات زیست‌جذب‌پذیرمحسوب می‌شوند که پس از انجام وظیفه خود در بدن (مثلاً تثبیت استخوان شکسته)، به تدریج حل شده و جذب سیستم بیولوژیکی می‌شوند بدون اینکه نیاز به جراحی ثانویه برای خارج کردن آن‌ها باشد.

 تاریخچه و سیر تحول 
نخستین گزارش علمی درباره تولید فلز شیشه ای (Metallic glass) مربوط به یک آلیاژ طلا-سیلیسیم () بود که در سال ۱۹۶۰ توسط دبلیو کلمنت (W. Klement)، ویلنز (Willens) و پل دووز (Pol Duwez) در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کالتک) تولید شد. در آن زمان، برای جلوگیری از تبلور (Crystallization) و حفظ ساختار نامنظم، آلیاژ باید با سرعت بسیار بالایی (در حدود یک میلیون کلوین بر ثانیه، 106 K/s) سرد می‌شد. این فرآیند که سرمایش سریع (Rapid quenching) نامیده می‌شود، باعث می‌شد که شیشه‌های فلزی اولیه تنها در ابعاد بسیار نازک مانند نوارها، فویل‌ها یا سیم‌های ظریف تولید شوند تا حرارت سریعاً از ماده خارج شود. به همین دلیل، ضخامت این نمونه‌ها معمولاً کمتر از صد میکرومتر بود.

شیشه‌های فلزی پایه منیزیم-روی-کلسیم (Mg-Zn-Ca) گروه نسبتاً جدیدی هستند که مزایای تجاری و فنی قابل توجهی نسبت به ترکیبات اولیه دارند. در سال ۲۰۰۵، گو (Gu) و همکارانش موفق شدند اولین شیشه فلزی حجیم (Bulk Metallic Glass - BMG) بر پایه Mg-Zn-Ca را تولید کنند. آن‌ها گزارش دادند که این ماده دارای توانایی بالایی در شیشه‌سازی (Glass forming ability)، استحکام فوق‌العاده و مهم‌تر از همه، پلاستیسیته (Plasticity) یا قابلیت تغییر شکل پلاستیک استثنایی است. 
بندانگشتی|نمونه‌هایی از شیشه‌های فلزی
این شیشه پایه منیزیم که فاقد عناصر لانتانید بود، به دلیل چگالی کم و هزینه تولید پایین، به سرعت مورد توجه قرار گرفت. نکته جالب این بود که این آلیاژ دارای شکل‌پذیری (Ductility) غیرمنتظره‌ای بود؛ زیرا عناصر تشکیل‌دهنده آن به تنهایی دارای نسبت پواسون (Poisson's ratio) پایینی هستند و انتظار نمی‌رفت که به پلاستیسیته شیشه کمک چندانی کنند. در سال ۲۰۰۸، لی (Li) با استفاده از اصل نسبت پواسون و افزایش مقدار منیزیم به قیمت کاهش روی، توانست شکل‌پذیری این ماده را بیش از پیش بهبود بخشد. پیشرفت‌های بعدی با افزودن تدریجی کلسیم به ترکیب دوتایی منیزیم-روی حاصل شد که منجر به تولید آلیاژهای سه‌تایی متعددی در دمای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد در نمودار فرآیند هم‌دما (Isothermal process) سیستم Mg-Zn-Ca گردید.

همزمان در سال ۲۰۰۵، شیشه‌های فلزی حجیم سه‌تایی کلسیم-منیزیم-روی (Ca-Mg-Zn) نیز کشف شدند. این آلیاژها نیز مانند گروه قبلی، در دسته شیشه‌های فلزی زیست‌جذب‌پذیر قرار می‌گیرند و از همان سیستم سه‌تایی پیروی می‌کنند. تفاوت اصلی در غلظت عناصر است؛ در اینجا عنصر غالب کلسیم (Ca) است. این آلیاژهای پایه کلسیم با ترکیباتی نظیر تولید شدند و ضخامت ریخته‌گری بحرانی (Critical casting thickness) آن‌ها تا ۱۰ میلی‌متر رسید که یک دستاورد بزرگ در متالورژی آمورف محسوب می‌شد.

 خواص و ویژگی‌های فیزیکی 
برخلاف فولاد ضدزنگ یا تیتانیوم که به عنوان ایمپلنت‌های دائمی در بدن باقی می‌مانند، این ماده در محیط‌های بیولوژیکی حل می‌شود. نرخ انحلال آن به طور متوسط حدود یک میلی‌متر در ماه است و همزمان با حل شدن، توسط بافت استخوانی (Bone tissue) جدید جایگزین می‌شود. این سرعت انحلال را می‌توان با تغییر میزان روی در آلیاژ تنظیم کرد تا با سرعت بهبودی استخوان بیمار هماهنگ شود.

 مقاومت به خوردگی و پایداری 
یکی از چالش‌های اصلی در توسعه این مواد، کنترل مقاومت به خوردگی (Corrosion resistance) آن‌ها است. برای مثال، آلیاژ آمورف Ca65Zn20Mg15 مقاومت بسیار ضعیفی در برابر خوردگی نشان می‌دهد. وانگ (Wang) و همکارانش گزارش کردند که این آلیاژ در محیط‌های شبیه‌سازی شده بیولوژیکی (Biocorrosion environment) تنها ظرف ۳ ساعت به طور کامل از هم می‌پاشد. دالمن (Dahlman) و همکارانش نیز در آزمایش با آب مقطر ایستا در دمای اتاق، واکنش‌های خوردگی مخربی را مشاهده کردند که منجر به تبدیل ماده به یک پودر چندفازی (Multiphase powder) شد.

با این حال، با بهینه‌سازی ترکیبات، می‌توان این پایداری را بهبود بخشید. شیشه‌های فلزی پایه کلسیم با محتوای روی بالاتر، پایداری بهتری نشان می‌دهند. طبق تحقیقات کائو (Cao) و همکارانش، این مواد دارای مدول الاستیک (Elastic modulus) در محدوده ۳۵ تا ۴۶ گیگاپاسکال (GPa) و سختی (Hardness) بین ۰.۷ تا ۱.۴ گیگاپاسکال هستند. این مدول الاستیک بسیار به مدول الاستیک استخوان طبیعی انسان نزدیک است که باعث کاهش پدیده "شیلدینگ تنش" (Stress shielding) می‌شود؛ پدیده‌ای که در آن ایمپلنت‌های فلزی سخت (مانند تیتانیوم) تمام بار را تحمل کرده و باعث تضعیف و پوکی استخوان اطراف می‌شوند.

 تحولات اخیر و کاربردهای پزشکی 
شیشه‌های فلزی پایه منیزیم-روی-کلسیم به دلیل استفاده از عناصر سازگار با محیط زیست و زیست‌تخریب‌پذیری کامل، به عنوان کاندیداهای اصلی برای نسل بعدی زیست‌مواد (Biomaterials) در کاربردهای ارتوپدی (Orthopaedic) شناخته می‌شوند.راست|بندانگشتی|نمونه‌ای از پیچ تثبیت استخوان که می‌تواند از آلیاژهای منیزیم که قابلیت جذب در بدن را دارند، ساخته شود.
بندانگشتی|345x345پیکسل|استنت‌های قلبی زیست جذبی که می‌توانند از این آلیاژ ساخته شوند.|هیچ

دانشمندان در حال تحقیق بر روی استفاده از این مواد در ساخت پیچ‌های استخوانی، پلاک‌های تثبیت‌کننده و داربست‌های مهندسی بافت هستند. مزیت بزرگ این است که با حل شدن ایمپلنت، یون‌های منیزیم و کلسیم آزاد شده و به رشد و بازسازی استخوان کمک می‌کنند. تحقیقات جدید بر روی کنترل دقیق نرخ آزادسازی گاز هیدروژن (که محصول جانبی خوردگی منیزیم است) تمرکز دارد تا از تجمع گاز در بافت‌های اطراف جلوگیری شود.

 جستارهای وابسته 
 استنت زیست‌جذبی (Bioresorbable stents)
 علم مواد (Materials science)
 مهندسی متالورژی (Metallurgical engineering)
 زیست‌سازگاری (Biocompatibility)

 پیوند به بیرون 

 مقاله‌ای درباره‌ی آلیاژهای تثبیت استخوان
 مقاله‌ای درباره‌ی زیست‌مواد منیزیمی: گذشته، حال و آینده
 مقاله‌ای درباره‌ی قابلیت شیشه‌سازی و پایداری حرارتی شیشه‌های فلزی حجیم سه‌تایی Ca-Mg-Zn
 مناب 

رده:متالورژی
رده:فلزهای آمورف
رده:زیست‌مواد
رده:آلیاژهای منیزیم
رده:آلیاژهای روی
رده:کلسیم