بیومواد چیست؟

بیومواد چیست؟

بیومواد یا ماده زیستی به ماده‌ای با منشا مصنوعی یا طبیعی گفته می‌شود، که به منظور بهبود، درمان، التیام و یا جایگزینی بافت موجودات زنده به کار می‌رود ودر طراحی های کاشتنی های پزشکی ، طراحی های ابزارات پزشکی وتشخیص درمان در دارو سازی ،جراحی ، دندانپزشکی و پزشکی هسته ای و علوم پایه پزشکی کاربرد دارند.

ویژگی منحصر بودن بیومواد نسبت به مواد دیگر زیست سازگاری آنها می باشد، استفاده از بیومواد تا هنگام ظهور تکنیک جراحی تمیز و ضد عفونی کننده که لیستر آن را در دهه 1860 میلادی توسعه داد عملی نشد . اولین کشتهای موفق همانند بسیاری از انواع جدید موجود در چارچوب اسکلت بدن بکار رفت . پلاک یا صفحه های شکسته بندی استخوان در اوایل دهه 1900 میلادی به منظور تثبیت و بستن شکستگیها معرفی شد . در ادامه کار انتخاب و تامین مواد و طراحیهای بهتر پیگیری شد تا آنکه منجر به معرفی فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای کروم – کبالت در 1930 شد به این ترتیب موفقیت بیشتری در اجزای تثبیت شکستگی حاصل شد و اولین جراحی تعویض مفصل به انجام رسید .

آلیاژهای مصرفی بیومواد در پزشکی:

1.فولاد های زنگ نزن(فریتی،مارتنزیتی،آستنیتی)

2.آلیاژهای پایه کبالت (کبالت -کرم-مولیبدن )

3.آلیاژهای تیتانیم ( تیتانیم- 6%آلومینیم- 4%وانادیم )

فولاد زنگ نزن:
کرم عنصری است که مقاومت به خوردگی را بهمراه دارد که لایه ای محافظ و چسبنده ای بر روی آلیاژ تشکیل می دهد.
کرم (αژن ) است و عناصری مثل مولیبدن و سیلیسیم که معمولا" وجود دارند
نیز (αژن ) هستند . اما ساختار فریتی فازی ضعیف تر از آستنیت است .
از طرفی نیکل اضافه می شود زیرا پایدار کننده آستنیت است(γژن ).
اگر مقدار کربن بیش از 0.03% وزنی باشد خطر تشکیل کار بیدکرم
(cr23c6 ) وجود دارد که این کار بید در مرز دانه های آستنیت رشد می کند و رسوب این کار بید سبب کاهش مقدار کرم میگردد که در نهایت باعث کاهش تشکیل لایه محافظ اکسیدی کرم می گردد.

فولاد زنگ نزن فریتی:
این گروه قابلیت سخت گردانی با عملیات حرارتی را ندارد.

این گروه قابلیت کشش عمیق و مقاومت خوردگی خوبی دارند و کاربرد قابل توجهی در پزشکی ندارند و کاربرد این گروه در ساخت ظروف و نگهدارنده های غذایی و شیمیایی است.

تولید فولاد زنگ نزن فریتی در آلیاژهای فولاد با کربن پایین هنگامی است که مقدار کرم بیش از 13 درصد باشد که ساختار فولاد زنگ نزن مستقل از دما به صورت فریتی باقی می ماند .

فولاد زنگ نزن مارتنزیتی:

این فولاد زنگ نزن دارای 11تا18 درصد کرم است که از ناحیه آستنیتی با سرعت سرد می شود که در نهایت مارتنزیتی و مغناطیسی است.
مقدار کرم معمولا" کمتر از17 درصد انتخاب می شود زیرا ناحیه آستنیتی در غیر اینصورت بسیار کوچک می شود و کنترل بیشتری برای درجه حرارت و مقدار کربن ضروری و دشوار است.
این فولاد زنگ نزن قابیلت عملیات سخت گردانی دارد و برای تهیه ابزار جراحی و برش استفاده می شود.

فولاد زنگ نزن آستنیتی:
افزودن نیکل باعث جلوگیری از دگرگونی فاز آستنیت به مارتنزیت طی سریع سرمایش آلیاژ می گردد. به طوری که تا دمای اتاق آستنیت باقی می ماند.
اگر مقدار کربن کمتر از 0.03% باشد کار بید تشکیل نمی شود و ساختار فولاد زنگ نزن در دمای اتاق کاملا آستنیتی است. این فولاد های زنگ نزن مقاومترین فولادها در برابر خوردگی است .
فولاد زنگ نزن نوع 302و304 که دارای 18%کرم و 8% نیکل است و دارای 0.15% و0.08% کربن بوده و برای سیمهای ارتودونسی کاربرد فراوان دارند.

نوع فولاد زنگ نزن 316 ال با حداکثر 0.03%کربن برای کاشتنی های بدن استفاده می شود. این فولادها توسط کار سرد سخت می شوند.

مزیتهای استفاده از فولادهای زنگ نزن آستنیتی به جای فولادهای زنگ نزن فریتی:

1. انعطاف پذیری بیشتر و کار سرد پذیری بیشتر بدون شکست
2. افزایش استحکام با کار سرد
3. سهولت بیشتر در جوشکاری
4. توانایی ممانعت از حساس شدن فولاد
5. رشد دانه بحرانی کمتر
6. سهولت نسبی در شکل پذیری

اگر فولاد زنگ نزن مذکور تا دمای 400تا900درجه سانتی گراد حرارت داده شود به دلیل رسوب کار بید کرم در مرز دانه ها مقاومت خوردگی کاهش می یابد.

از آنجا که میزان کرم در مجاورت مرز دانه ها کاهش می یابد پدیده خوردگی بین دانه ای اتفاق می افتد که توسط عناصری مثل تیتانیم که میل ترکیبی بیشترازکرم با کربن دارد استفاده می شود که به فولاد پایدار شده معروف است.

‏
نوع و ترکیب فولادهای زنگ نزن
‏فلزکرم عنصر اصلی فولاد زنگ نزن مقاوم به خوردگی است. حداقل غلظت مؤثر از کرم در فولاد زنگ نزن مذکور معادل 11 درصد وزنی است.

‏ فولاد زنگ نزن آستنیتی و به ویژه نوع 316 و 316 ال متداولترین فولاد برای کاربرد کاشتنی ها محسوب می شود. این گروه از فولادهای زنگ نزن قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی را ندارند اما می توان آنها را با کارسرد سخت نمود. فولادهای زنگ نزن این گروه خاصیت مغناطیس نداشته و جذب آهنربا نمی شوند و ازمقایسه با فولادهای زنگ نزن دیگر، مقاومت خوردگی بهتری دارند. حضور مولیبدن در آلیاژ، مقاومت در برابر خوردگی حفره ای در آب را افزایشی می دهد. انجمن آزمون و مواد آمریکا ASTM ‏، فولاد 316ال را مقدم برفولاد 316 جهت ساخت و تولید کاشتنی توصیه می کند.

اگر چه فولاد زنگ نزن 316 ‏ال ممکن است داخل بدن و در شرایط ویژه ای همچون ناحیه تحت تنش زیاد و کمبود اکسیژن دچار خوردگی شود اما در هر حال این آلیاژ برای تهیه اجزاء و وسایل موقتی مثل صفحه های شکته بندی، پیچها و میخ اتصال مفصل ران مناسب است.

کاربرد فولاد زنگ نزن در پزشکی:

پیچ و صفحه شکسته بندی واتصالات مفصل ران،میخ داخل استخوانی،تاج دندانی یا روکش

کاربرد فولاد زنگ نزن در پزشکی:

اِستِنت ها
اِستِنت ها وسیله هایی محکم هستند که برای کار به عنوان یک چارچوب موقت یا دائم به منظور ثابت نگه داشتن یا افزایش قطر دیواره داخلی یک رگ کاربرد دارد.این تکنیک شامل جایگذاری یک وسیله فلزی مشبک در محل باریک شده درون سرخرگ است.

مواد سازنده استنت
1- فولاد زنگ نزن (Stainless steel)
2- فولاد زنگ نزن با پوشش پلیمری
3- مواد پلیمری

آلیاژ های پایه کبالت:

آلیاژهای پایه کبالتمصرفی در پزشکی معمولا به آلیاژهای کبالتکرم شهرت دارند وبه دو نوع متفاوت تقسیم می شوند.

1- آلیاژ کبالت کرم مولیبدن است که معمولا برای ریخته گری و تهیه محصول استفاده می شوند.

2- آلیاژ کبالت کرم نیکل مولیبدن است که از طریق آهنگری گرم تهیه می شود.

این آلیاژ(کبالت کرم-مولیبدن )طی چند دهه اخیر برای ساخت مفصل مصنوعی به کار رفته است .

کاربرد در پزشکی:
آلیاژ(کبالت -کرم-مولیبدن-نیکل)کار شده محصول جدیدی است.که برای تهیه بدنه اصلی اندام ها ی مصنوعی مثل اتصال مفصل ران یا زانو که تحت بار گذاری سنگین قرار می گیرد مصرف می شود .

هماهنگی‌ گوی و کاسه در بازسازی مفصل هیپ (مفصلHip مفصل بین ران و خاصره است)

ایمپلنت مذکور ترکیبی از گوی و پایه فلزی که با روکشی ازپلاستیک پوشانده شده است.
امروزه بخش پایه اکثر ایمپلنت‌های هیپ از آلیاژهای تیتانیوم – کروم یا کبالت - کروم ساخته می شود که سطوح اکثر آنها متخلخل و سوراخ دار بوده و امکان رشد استخوان به داخل آن ها را فراهم می آورد.
بخش گوی مانند هیپ از آلیاژهای کبالت - کروم یا مواد سرامیکی اکسید آلومینیوم ساخته می شود.

آلیاژهای پایه کبالت که حاوی مقدار نیکل و کرم باشند برای ساخت قاب دندان مصنوعی تکه ای وپایه دندان مصنوعی کامل، کاشتنی دندانی،پل دندانی وتاج یا روکش مناسب تشخیص داده شده اند

خواص و ویژگی ها (ترکیب شیمیایی)

کبالت عنصر اصلی (پایه)سازنده آلیاژ است وکرم نیز عنصر آلیاژی است بر اساس نوع آلیاژ فلزاتی چون(Mo-Ni-W-Mn-C) ترکیب وجود دارند.

طبق انجمن آزمون و مواد آمریکا مقدار کرم در آلیاژ (کبالت -کرم-مولیبدن) برای کاشتنی جراحی باید حداقل 27و حداکثر 30درصد باشد و مقدارمولیبدن نیز بین 5تا7 درصد باشد.

اگر چه حضور عناصر اصلی آلیاژی تعیین کننده خواص فیزیکی است اما عناصر آلیاژی دیگر نیز خواص فیزیکی را تحت تاثیر قرار می دهند. کرم عامل ایجاد مقاومت در برابر تغییر رنگ و تامین مقاومت خوردگی و زنگ نزدن است .

اگر مقدار کرم بیش از 30درصد باشد ، ریخته گری دشوار خواهد بود و با وجود این مقدار کرم در آلیاژ ، یک فاز ترد تشکیل می شود که موسوم به فاز (σ) است.

بنابراین آلیاژ ریختگی دندانی معمولا نباید بیش از28درصد وزنی کرم داشته باشد . کبالت بیشتر از نیکل ضریب کشسانی استحکام و سختی آلیاژ را افزایش می دهد.

مؤثرتر ین راه افزایش سختی آلیاژهای پایه کبالت ریختگی،بالا بردن مقدار کربن موجود است.

اغلب عناصر موجود در آلیاژ مثل کرم،سیلیسیم،مولیبدن و کبالت با کربن واکنش وکاربید تشکیل می دهند.حضور 3تا6 درصد وزنی مولیبدن درآلیاژ سبب افزایش استحکام می شود.

متداول تر ین آلیاژ پایه کبالت که برای تهیه سیم ارتودونسی مصرفی در دندانپزشکی و به شکل کار شده استفاده می شود دارای 40 درصد کبالت ،20درصد کرم ، 15 درصد نیکل -15.8 درصد آهن ،7 درصد مولیبدن، 2 درصد منگنز ، 15/. درصد کربن،04/. درصد بر یلیم است.

ریز ساختار:

ریز ساختار یک آلیاژ پایه کبالت ریختگی مشتمل بر زمینه ای غنی ازکبالت (فاز آلفا) است. دانه های زمینه طی فرآیند ریخته گری به شکل دندریتی رشد کرده اند. در بین دندریتها و مرز دانه ها ، ذرات کار بید وجود دارد .

کاریید ها اساسا" به صورت (M23C6 ) می باشند کهM نشانگر فلز کبالت ،کرم یا مولیبدن است .

ساختار مذکور را می توان با یک عملیات حرارتی آنیل– محلول در دمای 1225 درجه سانتیگراد و به مدت یک ساعت تغییر داد.

ریز ساختار آلیاژ کبالت - کرم نا همگن است و شامل زمینه آستنیتی مرکب از محلول جامد کبالت کرم است که به شکل دندریتی مغزه بندی شده در آمده است.

نواحی دندریتی غنی از کبالت و نواحی بین دندریتی می تواند شامل فاز γ غنی از کبالت ،فاز کار بیدی 6C 23M فاز کار بیدی 3 C7 Mو فاز σ غنی از مولیبدن با شد .

بسیاری از عناصر موجود در آلیاژ پایه کبالت مثل کرم ،کبالت و مولیبدن عناصر تشکیل دهنده کار بید می با شند و انواع کار بید ممکن است تشکیل شود و آرایش کار بید ها در ساختار می تواندطی فرایند تهیه تغییر کند و این امر موجب تغییر خواص نهایی شود.

آلیاژ های پایه تیتانیم :

تیتانیم فلزی نسبتا" سبک دارای چگالی g/cm35/4 و نسبت استحکام به وزن بالا و دارای لایه چسبنده و محافظ اکسید تیتانیم بر سطح فلز مقاومت به خوردگی عالی تا دما های 535 درجه سانتی گراد را تامین می کند.

تیتانیم دارای دو آلوتروپی است و ساختار آن در دمای پایین (hcp) است که آلفا نامیده می شود.
در دمای بالاتر از 882درجه سانتی گراد تیتانیم بتا (β ) با ساختار بلوری مکعبی مرکز دار ظاهر می شود.
تیتانیم فعال است و در تماس با هوا یا مایعات بدن اکسید می شود که برای کاشتنی ها و اجزاء مصرفی در بدن مطلوب است .

وجود لایه اکسیدی سبب بیو خوردگی می شود.این لایه به ضخامت10آنگستروم تشکیل می شود که محافظ فلز زیرین است .

مقاومت در برابر تجزیه وانحلال الکترو شیمیایی وپاسخ بیو لوژیکی خوش خیم و بی خطر و وزن نسبتا کم و چگالی پائین ضریب کشسانی کم و استحکام زیاد تیتانیم باعث کار برد زیاد آن شده است.
تیتانیم و آلیاژ های آن خاصیت همبندی با استخوان دارند و ضمن ترویج رشد استخوان _ امکان رشد استخوان از روی سطح به درون حفره ها ی کاشتنی را میسر می کند .
نیرو های اعمال شده بدون هیچگونه تحرک پا تولوژیکی از کاشتنی عبورکرده و به استخوان انتقال می یابند .
ترکیب شیمیایی آلیاژ (Ti6%Al4%V)براساس استاندارد(136F) آزمون و مواد آمریکا

عنصر

نیتروژن                                     حداکثر: 05/.
کربن                                       حداکثر: 08/.
هیدروژن                 حداکثر:0125/0 (ورق یا میله یا تسمه)
آهن                                        حداکثر: 25/.
اکسیژن                                    حداکثر: 13/.
آلومینیم                                     5/5 تا 5/6
وانادیم                                      5/3 تا 5/4
سایر عناصر                                حداکثر 4/.
تیتانیم                                      باقیمانده از 100

آلیاژ (Ti-Al6%-V4% ) دارای ساختار مرکب(αوβ ) است و اگر تا بالای 1000 درجه سانتی گراد یا فاز β گرم شود و سپس آنیل شود ساختار دو فازی ویدمن اشتاتن فراهم می شود که مقاومت خستگی را بالا می برد که درکاشتنی های بدن نکته مهمی محسوب می شود.

خواص فیزیکی تیتانیم خالص

ضریب یانگ 105تا110 گیگا پاسکال

چگالی 5/4 گرم بر سانتیمتر مکعب

نقطه ذوب 1700 درجه سانتی گراد

نقطه جوش 3600 درجه سانتی گراد

دمای تبدیل α بهβ 885 درجه سانتی گراد

بالاتر از 850 درجه سانتی گراد مکعب مرکز دار(b.c.c)

پائین تر از 850 درجه سانتی گراد منشور فشرده (h.c.p)

گرمای تبدیل 67 کیلو ژول بر کیلو گرم

گرمای ویژه در 15 درجه سانتی گراد Kj/Kg 52/.

گرمای ذوب Kj/Kg 419

منبع:بانک اطلاعات متالورژی

Metallurgybank.persianblog.ir

بیومواد چیست؟

مطالب مشابه :

تکالیف برنامه سازی1

بیومواد چیست؟

فرایند دایکاست Diecasting

فرم های کارشناسی ارشد

آشنایی با رشته مهندسی پزشکی در گرایش بیو متریال

شکل دادن فلزات در مهندسی مواد

معرفی کتاب

کوره های کوپل

کلیات جوشکاری ترمیمی