بیوسرامیک
کاربردها > 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. این ماده می‌تواند در استخوان‌های گوش میانی، پروتزهای چشمی، عایق الکتریکی برای ضربان‌سازها، روزنه‌های کاتتر و در پروفایل‌های مختلف سیستم‌های قابل کاشت مانند پمپ‌های قلبی استفاده شود.
آلومینوسیلیکات‌ها به‌طور معمول در پروتزهای دندانی، به‌صورت خالص یا در کامپوزیت‌های سرامیک-پلیمر استفاده می‌شوند. کامپوزیت‌های سرامیک-پلیمر می‌توانند به عنوان راهی بالقوه برای پر کردن حفرات، که جایگزین آمالگام‌هایی با احتمال داشتن اثرات سمی می‌شوند، مطرح شوند. آلومینوسیلیکات‌ها همچنین دارای ساختار شیشه‌ای هستند. 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. مزایای عمده آن شامل استحکام شکست بیشتر و مقاومت خوب در برابر خستگی است.
کربن شیشه‌ای نیز به عنوان ماده‌ای سبک، مقاوم در برابر سایش و سازگار با خون استفاده می‌شود. این ماده عمدتاً در جایگزینی سوپاپ قلب به کار می‌رود. الماس نیز می‌تواند برای همین کاربرد استفاده شود، اما به شکل پوششی.
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. فسفات‌های کلسیم معمولاً موجود در بیوسرامیک‌ها شامل هیدروکسی آپاتیت (HAP) با فرمول Ca10(PO4)6(OH)2، تری‌کلسیم فسفات بتا (βTCP) با فرمول Ca3(PO4)2 و مخلوط‌هایی از HAP و βTCP هستند.
| بیوماده | عملکرد | ابزار |
| --- | --- | --- |
| آلومینا با چگالی بالا، پوشش‌های بیوگلس فلزی | بازسازی مفاصل درگیر با آرتروز یا شکسته | ران مصنوعی، زانو، شانه، آرنج، مچ دست |
| کامپوزیت فیبر بیوگلس/فلز، کامپوزیت پلی‌سولفون/فیبر کربن | ترمیم شکستگی‌ها | صفحات، پیچ‌ها و سیم‌های استخوانی |
| کامپوزیت فیبر بیوگلس/فلز، کامپوزیت پلی‌سولفون/فیبر کربن | تراز شکستگی‌ها | میله‌ی درون‌بافتی |
| کامپوزیت فیبر بیوگلس/فلز، کامپوزیت پلی‌سولفون/فیبر کربن | اصلاح انحنای مزمن ستون فقرات | میله‌های هرینگتون |
| کامپوزیت فیبر بیوگلس/فلز، کامپوزیت پلی‌سولفون/فیبر کربن | جایگزینی اندام‌های از دست رفته | اندام مصنوعی کاشته شده دائمی |
| Al2O3 | اصلاح ناهنجاری‌های مادرزادی | فاصله‌دهنده و بازکننده مهره‌ها |
| بیوگلس | قطع حرکت مهره‌ها برای حفاظت از نخاع | همجوشی ستون فقرات |
| پلی‌تترافلوئورواتیلن(PTFE) - کامپوزیت کربن, Al2O3, بیوگلس, آپاتیت متراکم | بازیابی برجستگی الویورال برای بهبود تناسب پروتز | جایگزینی استخوان الویورال، بازسازی فک پایین |
| Al2O3, بیوگلس, هیدروکسی آپاتیت متراکم, کربن | جایگزینی دندان‌های آسیب دیده یا لق شده | ایمپلنت جایگزین دندان‌های انتهایی |
| Al2O3 با پوشش شیشه‌ای، ویتالیم با پوشش شیشه‌ای | فراهم کردن تنش مورد نیاز برای تغییر ناهنجاری | سیم‌های ارتودنسی |
| ماده | مدول یانگ    (GPa) | استحکام فشاری    (MPa) | استحکام پیوند    (GPa) | سختی | چگالی     (g/cm3)      |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| Inert Al2O3 | 380 | 4000 | 300-400 | 2000-3000 (HV) | >3.9 |
| ZrO2 (PS) | 150-200 | 2000 | 200-500 | 1000-3000 (HV) | ≈6.0 |
| Graphite | 20-25 | 138 | NA | NA | 1.5-1.9 |
| (LTI) Pyrolitic carbon | 17-28 | 900 | 270-500 | NA | 1.7-2.2 |
| Vitreous carbon | 24-31 | 172 | 70-207 | 150-200 (DPH) | 1.4-1.6 |
| Bioactive HAP | 73-117 | 600 | 120 | 350 | 3.1 |
| Bioglass | ≈75 | 1000 | 50 | NA | 2.5 |
| AW Glass Ceramic | 118 | 1080 | 215 | 680 | 2.8 |
| Bone (for comparison) | 3-30 | 130-180 | 60-160 | NA | NA |