موضوع مقاله: بیوسرامیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # بیوسرامیک | مقدمه: بیوسرامیک‌ها در زمینه سازگاری زیستی از اکسیدهای سرامیکی که در بدن بی‌حرکت هستند، تا مواد قابل جذب که پس از کمک به ترمیم، به تدریج توسط بدن جایگزین می‌شوند، متغیر هستند. | ## بخش 1: بیوسرامیک | بیوسرامیک‌ها معمولاً به عنوان مواد سفت و سخت در ایمپلنت‌های جراحی استفاده می‌شوند، هرچند که برخی از آنها انعطاف‌پذیر نیز هستند. مواد سرامیکی مورد استفاده در بیوسرامیک‌ها با سرامیک‌های چینی(پرسلان) متفاوت هستند و بیشتر به مواد طبیعی بدن یا اکسیدهای فلزی بسیار بادوام مرتبط‌اند. تاریخچه قبل از سال ۱۹۲۵، مواد مورد استفاده در جراحی‌های ایمپلنت عمدتاً فلزات نسبتاً خالص بودند. موفقیت این مواد با توجه به ابتدایی بودن تکنیک‌های جراحی در آن زمان، تعجب‌آور بود. دهه ۱۹۳۰ آغازگر عصر تکنیک‌های بهتر جراحی و همچنین اولین استفاده از آلیاژهایی مانند ویتالیم بود. هنچ و برخی دیگر کشف کردند که انواع مختلفی از شیشه‌ها و سرامیک‌ها می‌توانند به استخوان زنده پیوند بخورند. این موضوع هنچ را به فکر فرو برد و او شروع به تحقیق درباره موادی کرد که با محیط زیست سازگار باشند. در تاریخ ۲۶ آوریل ۱۹۸۸، اولین سمپوزیوم بین‌المللی درباره بیوسرامیک‌ها در کیوتو، ژاپن برگزار شد. تعویض مفصل معمولاً با بیوسرامیک‌ها پوشش داده می‌شود تا از خوردگی و واکنش‌های التهابی جلوگیری شود. مثال‌های دیگر از استفاده پزشکی برای بیوسرامیک‌ها شامل ضربان‌سازها، دستگاه‌های دیالیز کلیه و دستگاه‌های تنفس مصنوعی هستند. تقاضای جهانی برای سرامیک‌های پزشکی و عناصر سرامیکی حدود ۹٫۸ میلیارد دلار در ۲۰۱۰ بود. بازارهای جهانی پیش‌بینی کردند که این تقاضا به ۱۵٫۳ میلیارد دلار در ۲۰۱۵ و ۱۸٫۵ میلیارد دلار در ۲۰۱۸ برسد. خواص مکانیکی و ترکیب بیوسرامیک‌ها به‌طور کلی برای استفاده در سیستم‌های گردش خون خارج از بدن (مثل دیالیز کلیه) یا بیوراکتورهای مهندسی طراحی شده‌اند؛ با این حال، آن‌ها بیشتر به عنوان ایمپلنت‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سرامیک‌ها به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی خود، کاربردهای متعددی به عنوان بیومواد دارند. آنها مزیتی همچون بی‌اثر بودن در بدن انسان دارند و سختی و مقاومت آن‌ها در برابر سایش، آن‌ها را برای جایگزینی استخوان و دندان مناسب می‌سازد. برخی از سرامیک‌ها همچنین مقاومت عالی در برابر اصطکاک دارند که آن‌ها را به مواد مناسبی برای جایگزینی مفاصل ناکارآمد تبدیل می‌کند. خواصی مانند ظاهر و عایق الکتریکی نیز برای کاربردهای خاص زیست پزشکی حائز اهمیت هستند. برخی از بیوسرامیک‌ها آلومینا (Al2O3) را در خود گنجانده‌اند، زیرا عمر آن‌ها بیشتر از عمر بیمار است. کامپوزیت‌های سرامیک-پلیمر می‌توانند به عنوان راهی بالقوه برای پر کردن حفرات، که جایگزین آمالگام‌هایی با احتمال داشتن اثرات سمی می‌شوند، مطرح شوند. بر خلاف دندان‌های مصنوعی در ترکیب‌های رزینی، رنگ سرامیک دندان پایدار باقی می‌ماند. زیرکونیا دوتایی شده با اکسید یتریم به عنوان جایگزینی برای آلومینا در پروتزهای استخوانی و مفصلی پیشنهاد شده است. کربن شیشه‌ای نیز به عنوان ماده‌ای سبک، مقاوم در برابر سایش و سازگار با خون استفاده می‌شود. | ## بخش 2: بیوسرامیک | سرامیک‌های مبتنی بر فسفات کلسیم، در حال حاضر، به عنوان ماده جایگزین عمده استخوان در کاربردهای ارتوپدی و فک و صورت شناخته می‌شوند، زیرا ساختار و ترکیب شیمیایی آن‌ها مشابه فاز معدنی اصلی استخوان است. چنین مواد جایگزین استخوان مصنوعی یا اسکافول‌ها معمولاً متخلخل هستند که سطح بیشتری را فراهم می‌آورند و به ازدیاد خالص‌سازی استخوان کمک می‌کنند، که شامل کلون‌سازی سلولی و عروق‌دهی مجدد است. با این حال، این مواد متخلخل معمولاً استحکام مکانیکی کمتری در مقایسه با استخوان نشان می‌دهند، که باعث می‌شود ایمپلنت‌های با تخلخل بالا بسیار حساس باشند. از آنجا که مقدار مدول الاستیسیته مواد سرامیکی معمولاً بیش‌تر از بافت استخوانی اطراف است، ایمپلنت می‌تواند باعث تنش‌های مکانیکی در رابط استخوان گردد. با این حال، آن‌ها موفق شده‌اند به دلیل خواص و سازگاری زیستی خوبی که دارند، به سیستم‌های مختلف قابل کاشت راه یابند. در میان این سرامیک‌ها می‌توان به سیلیسیم کاربید، نیتریدها و کاربیدهای تیتانیوم و نیترید بور اشاره کرد. در حالی که آزمایش‌های کشت سلولی نشان‌دهنده سازگاری زیستی خوب هستند، تحلیل ایمپلنت‌ها نشان‌دهنده سایش قابل توجهی است که به جداشدن لایه TiN مرتبط می‌شود. سیلیسیم کاربید نیز سرامیک مدرنی است که به نظر می‌رسد سازگاری زیستی خوبی ارائه می‌دهد و می‌تواند در ایمپلنت‌های استخوانی استفاده شود. استفاده‌ی خاص علاوه بر استفاده از خواص سنتی خود، سرامیک‌های زیست‌فعال به دلیل فعالیت بیولوژیکی‌شان استفاده خاصی پیدا کرده‌اند. دیگر مواد طبیعی (که معمولاً از منبع حیوانی هستند) مانند بیوگلس و سایر کامپوزیت‌ها، ترکیبی از مواد کامپوزیتی معدنی-آلی مانند هیدروکسی آپاتیت (HAP)، آلومینا یا دی‌اکسید تیتانیوم را همراه با پلیمرهای زیست‌سازگار (پلی‌متیل متاکریلات: PMMA، پلی لاکتیک اسید: PLLA، پلی‌اتیلن: PE) شامل می‌شوند. این کامپوزیت‌ها می‌توانند به دو دسته تجزیه‌پذیر زیستی و غیرتجزیه‌پذیر زیستی تقسیم شوند که دسته دوم نتیجه ترکیب یک فسفات کلسیم تجزیه‌پذیر زیستی (HAP) با یک پلیمر غیرتجزیه‌پذیر زیستی (PMMA، PE) است. این مواد ممکن است در آینده به دلیل امکانات ترکیبی متعدد و قابلیت آن‌ها در ترکیب فعالیت بیولوژیکی با خواص مکانیکی مشابه استخوان، محبوب‌تر شوند. سازگاری زیستی خواص بیوسرامیک‌ها مانند ضدخوردگی، سازگاری زیستی و زیبایی‌شناسی، آن‌ها را برای استفاده پزشکی بسیار مناسب می‌سازد. کربن نیز یک گزینه دیگر با خواص مکانیکی مشابه استخوان است و همچنین سازگاری با خون، عدم واکنش با بافت و غیرسمی بودن برای سلول‌ها را داراست. سرامیک‌های بیوانرتنس به‌طور طبیعی با استخوان پیوند برقرار نمی‌کنند که به آن اوسیو‌اینتگریشن گفته می‌شود. با این حال، فعالیت بیولوژیکی سرامیک‌های بیوانرتنس می‌تواند با تشکیل کامپوزیت‌هایی با سرامیک‌های زیست‌فعال به دست آید. سرامیک‌های زیست‌فعال، از جمله بیوگلس‌ها، باید غیرسمی بوده و با استخوان پیوند برقرار کنند. در کاربردهای ترمیم استخوان، مانند اسکافول‌ها برای بازسازی استخوان، حل‌پذیری بیوسرامیک‌ها یک پارامتر مهم است و نرخ حل‌شدگی کند اکثر بیوسرامیک‌ها در مقایسه با نرخ‌های رشد استخوان همچنان چالشی در استفاده‌های ترمیمی آن‌ها باقی می‌ماند. به‌طور طبیعی، تمرکز زیادی بر بهبود ویژگی‌های حل‌شدگی بیوسرامیک‌ها در حین حفظ یا بهبود خواص مکانیکی آن‌ها وجود دارد. سرامیک‌های شیشه‌ای خواص استخوان‌زایی را تحریک می‌کنند، با نرخ‌های حل‌شدگی بالاتر نسبت به مواد بلوری، در حالی که سرامیک‌های فسفات کلسیم بلوری نیز غیرسمی بودن برای بافت‌ها و تجزیه‌پذیری زیستی را نشان می‌دهند. تقویت ذرات سرامیکی منجر به انتخاب مواد بیشتری برای کاربردهای ایمپلنت شده است که شامل کامپوزیت‌های سرامیک/سرامیک، سرامیک/پلیمر و سرامیک/فلز می‌شود. در میان این کامپوزیت‌ها، کامپوزیت‌های سرامیک/پلیمر به آزادسازی عناصر سمی به بافت‌های اطراف شناخته شده‌اند. | ## بخش 3: بیوسرامیک | فلزات با مشکلات مربوط به خوردگی مواجه هستند و پوشش‌های سرامیکی بر روی ایمپلنت‌های فلزی در طول زمان در کاربردهای طولانی‌مدت تحلیل می‌روند. کامپوزیت‌های سرامیک/سرامیک به دلیل شباهت به مواد معدنی استخوان، از برتری برخوردارند و سازگاری زیستی و قابلیت شکل‌پذیری خوبی را نشان می‌دهند. تحقیقات بیشتری در حیطه اثرات طولانی‌مدت این مواد در بدن انسان ضروری است تا اطمینان حاصل شود که بیوسرامیک‌ها هیچ عوارض جانبی غیرمنتظره‌ای ایجاد نمی‌کنند. فرآیند تولید به‌طور فنی، سرامیک‌ها از مواد خامی مانند پودرها و افزودنی‌های شیمیایی طبیعی یا سنتتیک تشکیل شده‌اند که به فشرده‌سازی (داغ، سرد یا ایزواستاتیک)، تنظیم (هیدرولیکی یا شیمیایی) یا تسریع فرآیندهای سینترینگ کمک می‌کنند. با توجه به فرمولاسیون و فرآیند شکل‌دهی مورد استفاده، بیوسرامیک‌ها می‌توانند در چگالی و تخلخل به‌عنوان سیمان‌ها، رسوبات سرامیکی یا کامپوزیت‌های سرامیکی متغیر باشند. برای بهبود عملکرد بیوسرامیک‌های متخلخل پیوندی، تکنیک‌های فرآوری متعددی برای کنترل تخلخل، توزیع اندازه حفرات و ترازدهی حفرات موجود است. برای مواد بلوری، اندازه دانه و نقص‌های بلوری راه‌های بیشتری را برای افزایش تجزیه‌پذیری زیستی و اوسیو‌اینتگریشن فراهم می‌آورند که برای مواد گرافت و پیوند استخوان مؤثر کلیدی است. این امر می‌تواند با افزودن مواد افزودنی تصفیه‌گر دانه و ایجاد نقص در ساختار بلوری از طریق روش‌های فیزیکی مختلف حاصل شود. یک تکنیک پردازش مواد در حال توسعه مبتنی بر فرآیندهای زیست‌الهام‌گرفته، به‌دنبال تقلید از فرآیندهای طبیعی و بیولوژیکی است و امکان تولید بیوسرامیک‌ها را در دمای محیط به جای فرآیندهای متداول یا هیدروترمال ارائه می‌دهد. امکان استفاده از این دماهای پردازش نسبتاً پایین، فرصت‌هایی را برای ترکیب‌های معدنی-آلی با خواص بیولوژیکی بهبود یافته از طریق افزودن پروتئین‌ها و مولکول‌های زیست‌فعال (عوامل رشد، آنتی‌بیوتیک‌ها، عوامل ضد تومور و غیره) ایجاد می‌کند. با این حال، این مواد خواص مکانیکی ضعیفی دارند که می‌توان آن‌ها را به‌صورت جزئی با ترکیب آن‌ها با پروتئین‌های پیوندی بهبود بخشید. توسعه تکنیک‌های پردازش جدید باید بر روی امکان تولید بیوسرامیک‌ها در مقیاس‌های صنعتی و همچنین ارزیابی اقتصادی این فرآیندها متمرکز شود. استفاده تجاری مواد زیست‌فعال رایج که به‌طور تجاری برای استفاده بالینی در دسترس هستند شامل شیشه بیو اکتیو 45S5، سرامیک شیشه بیو اکتیو A/W، هیدروکسی آپاتیت (HA) سنتتیک متراکم و کامپوزیت‌های زیست‌فعال مانند مخلوط پلی‌اتیلن–HA می‌باشند. بیوسرامیک‌های آلومینای با خلوص بالا در حال حاضر از تولیدکنندگان مختلف به‌طور تجاری در دسترس هستند. برخی از فسفات‌های کلسیم‌کم‌بود که دارای ساختار آپاتیت بودند، به‌عنوان "فسفات تری‌کلسیم" تجاری‌سازی شدند، هرچند که ساختار بلوری مورد انتظار فسفات تری‌کلسیم را نشان نمی‌دادند. در حال حاضر، محصولات تجاری متعددی که به‌عنوان HA توصیف می‌شوند، در اشکال فیزیکی مختلف (مانند دانه‌ها، بلوک‌های ویژه طراحی‌شده برای کاربردهای خاص) در دسترس هستند. کامپوزیت HA/پلیمر (HA/پلی‌اتیلن، HAPEXTM) نیز به‌طور تجاری برای ایمپلنت‌های گوش، ساینده‌ها و پوشش‌های پلاسماپاشیده برای ایمپلنت‌های ارتوپدی و دندانی در دسترس است. بیوسرامیک‌ها همچنین در دستگاه‌های کانابیس یا Delta 8 به‌عنوان فیتیله‌هایی برای تبخیر این عصاره‌ها استفاده می‌شوند. در درمان هایپرترمی، یک ماده بیوسرامیکی که حاوی ماده‌ای مغناطیسی مانند فریت است، کاشته می‌شود. سپس ناحیه به یک میدان مغناطیسی متناوب expos می‌شود که موجب گرم شدن ایمپلنت و ناحیه اطراف آن می‌شود. به‌عنوان گزینه‌ای دیگر، مواد بیوسرامیکی می‌توانند با مواد بتا-پرتوزا دُز دار شوند و در ناحیه سرطانی کاشته شوند. تحقیقاتی که در حال انجام است شامل شیمی، ترکیب و میکرو و نانوساختارهای این مواد به‌منظور بهبود سازگاری زیستی آن‌ها می‌باشد. | ## جمع‌بندی | گنجاندن تحقیقات در زمینه استفاده از بیوسرامیک‌ها در درمان بیماری‌های دیگر مانند عفونت‌ها و شرایط التهابی می‌تواند به توسعه روش‌های درمانی جدید کمک کند.