نانو سراميك، محصولي با كاربرد هاي وسيع
نویسنده : سهیلا گندمی
نویسنده : سهیلا گندمی
دستاوردهاي نوين در تمامي علوم، در واقع رويكردي براي توليد محصولات مورد نياز انسان است. مواد زيست‌سازگار ، مسير تحول و رشد خود را مديون فناوري نانو است. هم اكنون گستره هائي از دانش و فناوري هائي از پزشكي، داروسازي، مهندسي ژنتيك تا صنايع نظامي، الكترونيك، خودرو و حتي لوازم بهداشتي و آرايشي تحت تاثير نانوفناوري قرار گرفته اند. در اواخر دهه 1960علاقه بسياري به استفاده از سراميك ها در كاربردهاي مهندسي پزشكي ايجاد شد. بين سال‌‌هاي 1970 تا 1980 پيشرفت كمي در اين زمينه انجام شد اما از آن زمان تاكنون نوآوري ها و كاربردهاي بسياري را ميتوان ديد. ظهور نانوسراميك‌ها را مي توان از دهه 90 ميلادي دانست. نانوسراميك‌ها، سراميك هايي هستند كه در ساخت آن ها از اجزاي اوليه در مقياس نانو(مانند نانوذرات، نانولوله ها و نانولايه ها) استفاده شده باشد. اين مواد مخصوص، مواد اوليه مورد نياز براي ساخت محصول مستحكمتر كه در محدوده دمايي بيشتر عمل مي كند را تامين مي‌كنند.
زيست سراميك نام كلي دسته تركيباتي است كه با تقليد از طبيعت زنده در آزمايشگاه توليد شده و مي‌توانند بدون ايجاد حساسيت يا پسزدگي، به بافت‌هاي زنده پيوند زده شوند. زيست سراميك‌ها، موادي مركب از فلزها و نافلزها هستند كه با پيوندهاي يوني يا كوالانسي با هم تركيب شده‌اند. اين مواد سخت و ترد با ويژگي‌هاي كششي ضعيف اما استحكام فشاري عالي، مقاومت سايشي بالا و اصطكاك پايين براي كاربردهاي مفصلي مناسب هستند. زيست سراميك‌ها چه به صورت منفرد و چه به صورت مواد مركب زيست سراميك- پليمر، در بين همه اين زيست‌موادها مناسب ترين گزينه براي جايگزيني بافت‌هاي سخت و نرم هستند. در صنايع پزشكي، اين مواد براي عدسي ها و ابزارهاي تشخيص، كالاهاي شيميايي، دماسنج‌ها، ظروف كشت بافت و تارهاي نوري آندوسكوپي و پركننده ها در دندانپزشكي ضروري هستند. همچنين سراميك‌ها به طور وسيعي در دندانپزشكي به عنوان مواد تجديدكننده استفاده مي‌شوند، به عنوان مثال در تاج هاي دنداني چيني ــ طلا، سيمان‌هاي پر شده با شيشه و دندان هاي مصنوعي كاربرد گسترده‌اي دارند. تجربه و بررسي‌هاي علمي و فني نشان داده است كه سراميك‌ها به طور ذاتي زيست سازگارترين مواد موجود هستند كه دليل اين امر را بايد در ماهيت تركيب هاي سراميكي نسبت به دو دسته ديگر مواد يعني فلزها و پليمرها جستجو كرد. بيشتر پليمرها صرف نظر از ويژگي‌هاي مكانيكي ضعيف با بدن سازگار نبوده و در محيط‌هاي فيزيولوژيك، پايداري شيميايي مطلوبي ندارند. فلزها نيز با وجود اين كه ويژگي‌هاي مكانيكي مطلوبي دارند، اما در تماس با بافت‌هاي زنده بدن دچار خوردگي الكتروشيميايي مي شوند كه اين مسئله به دليل ماهيت اين دسته از مواد است كه داراي الكترون آزاد هستند و به اين ترتيب بيشتر فلزها از ديدگاه زيست سازگاري گزينه هاي مناسبي جهت استفاده در بدن نيستند.
مزاياي زيست سراميك ها
· به طور عموم سراميك‌ها از عناصري تشكيل مي‌شوند كه آن عناصر به صورت طبيعي در محيط بدن وجود دارند كه از آن جمله ميتوان به كلسيم و فسفر اشاره كرد.
· پيوندهاي تشكيل دهنده تركيب هاي سراميكي از نوع كوالانسي و يوني هستند و به جز موارد بسيار اندكي مثل گرافيت، در اين تركيب‌ها الكترون آزادي وجود ندارد، بنابراين اغلب اين مواد ضعف خوردگي الكتروشيميايي ندارند.
· هنگامي كه سراميك‌ها در معرض تخريب‌هاي زيست‌شناختي از جانب بدن قرار مي‌گيرند، مي‌توانند از لحاظ شيميايي تا مدت هاي زيادي دوام بياورند كه اين زمان مي‌تواند در حد مدت عمر يك انسان باشد.
· اگر بدن بتواند بنا به دلايلي زيست سراميك را تخريب كند، خطر محصول‌هاي ناشي از تخريب سراميك‌ها به مراتب كمتر از خطر فلزها و پليمرها در بدن است.
انواع پاسخ بافت ــ عضو مصنوعي
سراميك‌ها و زيست سراميك ها، شيشه ها و شيشه‌سراميك‌ها درساخت اندام‌هاي مصنوعي نيز كاربرد دارند كه مقاومت سايشي و پايداري، غيرسمي بودن و زيست سازگاري اندام‌هاي مصنوعي ساخته شده از اين مواد در محيط طبيعي بايد مورد بررسي قرار بگيرد.
هيچ‌‌يك از موادي كه به بدن زنده پيوند زده مي‌شوند بي اثر نيستند، زيرا باعث ايجاد واكنش در بافت زنده مي‌شوند. انواع پاسخ‌هايي كه يك بافت به مواد مصنوعي مي‌دهد عبارتند از :
· اگر ماده سمي باشد، بافت مجاور مي‌ميرد.
· اگر ماده غيرسمي و از لحاظ زيستي بي اثر باشد، بافتي رشته‌اي با ضخامت متغير پيرامون آن شكل مي گيرد.
· اگر ماده غيرسمي و زيستفعال باشد، پيوند بينابيني تشكيل ميشود.
· اگر ماده غيرسمي باشد و حل شود، بافت مجاور جايگزين آن ميشود.
نانوسراميك‌ها
در دهه 90 ميلادي بود كه خواص پودرهاي نانوسراميك بسيار مناسب به نظر مي‌رسيد، اما روش‌هاي آن از لحاظ فناوري آسان و مقرون به صرفه نبود. به وجود آمدن نانوفناوري اهميت نانوسراميك‌ها را بيش از پيش آشكار كرد. به علت خواص فوق العاده ايي كه نانوسراميك‌ها دارند، طراحان محصولات مي‌توانند از آن ها به طور ماهرانه استفاده كنند. از طرفي توليد نانو‌سراميك‌هايي در دماهاي پايين‌تر، موفقيت بزرگي است كه منجر به توليد اقتصادي محصولات بي‌عيب و با دقت بالا ميشود. نانوسراميك‌ها در حال توسعه و به كارگيري براي كاربردهاي گوناگون هستند كه از خواص مغناطيسي، نوري، الكتريكي، كاتاليتيك و ... استفاده ميشود. به طور مثال نانوسراميك‌ها علاوه بر جايگزيني با استخوان‌هاي سبك و كم استحكام، براي استخوان‌هاي وزين و مستحكم نيز كاربرد دارند.
ويژگي‌هاي محصولات نانوسراميكي عبارت است از:
· استحكام مكانيكي: پوشش دادن سطح اجسام با نانوسراميك‌ها، باعث افزايش استحكام و سختي جسم مي شود كه استحكام آن بسيار بيشتر است.
· ابررسانايي: نانوسراميك‌ها به علت داشتن ويژگي‌هاي نوري و الكتريكي به عنوان ابررسانا به كار ميروند.
· قدرت پوشش: در ساختار نانو تعداد مكان هاي فعال افزايش مي يابد؛ اين افزايش در سطح منجر به كاهش مقدار مواد مصرفي مي شود و قيمت نهايي محصول كاهش مي يابد.
· قابليت رقابت با مواد ديگر: نانوسراميك‌ها ارزش افزوده فوق العاده ايي را ايجاد مي كنند و اين مواد همانند رنگدانه ها و پوشش هاي گرانقيمت هستند.
· سازگار با محيط زيست: اين مواد زيست سازگار آلودگي هاي مواد قبلي را ايجاد نمي كنند .
· انعطاف‌پذيري: نانوسراميك‌ها به دليل داشتن ويژگي‌هاي منحصر به فرد در قابليت حركت مرزدانه ها بر روي هم، انعطاف پذيري خوبي دارند.
· سطح ويژه بالا: داشتن نسبت سطح به حجم بالا كه باعث كنترل دقيق بر سطح ميشود.
·سازگاري با بدن
مقاوم‌سازي و استحكام‌دهي كاشتني‌ها با نانوذرات
كاشتني‌هاي استخواني ساخته شده با مواد متداول شكننده هستند، اين امر به علت اندازه بزرگ دانه‌ها و همچنين آلودگي‌هاي سطوح مولكولي و ناخالصي‌ها است، كه در نهايت باعث پسزدگي كاشتني از بدن ميشود. با بهره‌گيري از نانوذراتHAP درصد خلوص مولكولي افزايش و ويژگي‌هاي مكانيكي نيز بهبود مي‌يابد. كاشتني‌هايي با چنين پوششي، كم‌ترين شكستگي و پسزدگي را خواهند داشت. همچنين براي چسبيدن به استخوان و موارد ديگر نيز از نانوذراتHAP براي پوشش استفاده ميشود. هنوز ساز و كار دقيق عملكرد نانومواد كه دقيقا شبيه استخوان عمل كنند به طور مشخص روشن نيست. در اين راستا، نانومركب آلوميناي تقويت شده با زيركونيا به منظور ساخت كاشتني‌هاي سراميك با طول عمر بيش از 30 سال، به كار گرفته شد. اين ماده توسط فناوري پيشرفته‌اي كه در آن از مخلوط پودر آلكوكسيد و روش شكل‌دهي ريخته‌گري تحت فشار استفاده شده ، توليد ميشود. با استفاده از اين روش ابداعي مي توان، قطعات زانويي با تراكم و دانسيته بالا، توليد كرد كه سبب بهبود خواص مكانيكي آن ها ميشود. دستاورد اين طرح ، توليد ماده‌اي حاوي نانوذرات زيركونيا كه به طور يكنواخت ميان دانه‌هاي آلومينا توزيع شده‌اند، است. نانو پودر شيشه زيستفعال توليد شده به روش سل ژل نيزمي‌تواند در كاربردهاي زيستي- پزشكي به ويژه مصارف پودري كاشتني‌هاي بدن به كار رود و با توانمندي بالقوه خود منجر به ترويج رشد استخوان و هم‌بندي با آن شود. در واقع، پوشش آن براي بهبود رفتار خوردگي كاشتني‌هاي فلزي بدن بهينه‌سازي شده است. همچنين كاربرد بلورهاي فسفات كلسيم در مقياس نانو در كاشتني‌هاي دنداني سبب شده است كه استخوان فك، كاشتني را به عنوان يك ماده طبيعي بشناسد و به آن متصل شود. مهم‌ترين فاكتور موفقيت در كاشتني‌هاي دنداني اتصال كاشتني به استخوان فك است كه با كاربرد فناوري نانو صد در صد موفقيت‌آميز انجام مي شود. پژوهش ها نشان داده است كه نانوذرات فسفات كلسيم مي‌تواند براي اتصال به نواحي پوكي استخوان تنظيم شود؛ زيرا تفاوت شيميايي كليدي بين استخوان سالم و پوك وجود دارد. پس ميتوان با استفاده از شيمي مكمل، نانوذرات كلسيم فسفات را از نظر شيميايي كارامد كرد. از نانوسراميك‌هاي آپاتيت فسفات كلسيم) CPA ( با اندازه ذراتي درحدود 50 نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده ميشود.
