اصول تکنولوژی سل –ژل میلیون ها سال است که در طبیعت به اثبات رسیده و دانشمندان این تکنولوژی را برای اهداف مورد نظر شان به خدمت گرفته اند.
در دهه های اخیر اصلاحاتی بر روی تکنولوژی سل-ژل انجام گرفته و آنرا به یک تکنو لوژی با ارزش تبدیل نموده است. فرایند سل-ژل روشی برای ساخت شیشه ها و سرامیک ها از طریق واکنش های شیمیایی و فیزیکی در درجه حرارت های پایین و استفاده از روش های سنتی سینترینگ و پرس گرم می باشد. مواد مورد استفاده در تکنولوژی های جدید و سرامیک های پیشرفته نیاز به خلوص بسیار بالا و کنترل دقیقی بر روی ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی مواد سرامیکی دارد. در فرایند سل- ژل مواد شیمیایی بکار رفته به صورت مطلوبی طی عملیات تقطیر و کریستالیزاسیون خالص سازی می شوند و پوشش ها با خلوص بسیار بالا می توانند با این روش تولید شوند.
نکته کلیدی در روش سل-ژل دستیابی به یک سل پایدار می باشد که با کنترل پارامتر های مختلف می توان به این مورد دست رسی داشت . به بیان دیگر بدون دستیابی به یک سل پایدار با شرایط مناسب امکان ادامه فرایند سل-ژل وجود ندارد. با توجه به اینکه این فرایند نیاز مند به دقت بالایی است پارامترهای متعددی در پایداری و یا عدم پایداری سل تاثیر گذار است. از جمله این موارد می توان به میزان نسبت مولی مواد اولیه و آلکوکسید، آب الکل ، اسید و مواد اضافه شونده دیگر، میزان pH محلول و نوع مواد اضافه شونده به محلول اشاره نمود. گروه های تحقیقاتی زیادی در رابطه با تولید پوشش ها و پودرهای سرامیکی تیتانیا با روش سل-ژل فعالیت نموده اند در بسیاری از این مقالات به نحوه پایدار سازی در فرایند سل-ژل اشاره ای نشده و تنها به ذکر چند نسبت مولی بسنده شده . این در حالی است که این مرحله از فرایند، مهمترین وکلیدی ترین مرحله تولید محصول با روش سل-ژل می باشد.
در این پروژه هدف رسیدن به یک پوشش بیو سرامیک است که لازم است بیوسرامیک وخواص آن شرح داه شود.
بیو سرامیک ها
چند هزار سال پیش بشر کشف کرد که می توان خاک رس را طی یک فرایند برگشت پذیر به وسیله حرارت دادن به ظرف سرامیکی تبدیل کرد. ظروف سرامیکی ، دانه های خوراکی را به مدت طولانی وبا کمترین خرابی حفظ می کرد. ظروف سرامیکی آب را با حداقل نشت در خود نگه می داشت و در برابر گرما مقاوم بود.
این تحول به اصطلاح عظیمی در کیفیت و طول عمر بشر به وجود آورد.
در خلال چهل سال گذشته نیز در استفاده وکاربرد سرامیک ها به منظور بهبود کیفی عمر بشر به وقوع پیوست. این تحول توسعه و گسترش طراحی و ساخت سرامیک ها برای درمان بیماری و بازسازی صدمات وارده بدن و ترمیم اعضا سایش یافته بر اثر حرکت است. سرامیک هایی که به این منظور استفاده می شود به بیو سرامیک موسوم است. اغلب کاربرد های کلینیکی بیو سرامیک ها مرتبط با سیستم اسکلت بدنف استخوان ها، مفاصل، دندانها و بازسازی یا بسط و افزایش بافت نرم وسخت است. بیو سرامیک ها همچنین برای جایگزینی قسمت هایی از سیستم قلب و گردش خون و به ویژه مصرف دریچه های قلبی مصرف می شود. ترکیب خاصی از شیشه ها نیز برای درمان غده ها به کار می رود. بیو سرامیک ها در انواع شکل ها با فازهای مختلف تولید می شوند و عملکرد متفاوتی در ترمیم بدن ارائه می کنند . در بسیاری از کاربردها سرامیک ها در شکل ماده ای تکه ای با شکل ویزه مصرف می شوند. که به آنها کاشتنی عضو مصنوعی یا وسایل اندام مصنوعی گفته می شود.
بیو سرامیک ها همچنین برای پر کردن فضا و جای خالی به کار می روند . در شرایط دیگر، سرامیک ها به صورت پوشش بر روی یک زیر لایه یا به صورت فاز ثانویه در یک ماده مرکب مورد استفاده قرار می گیرد تا خواص هر دو ماده تلفیق گردد و ماده جدیدی با خواص مکانیکی بالاتر و خواص شیمیایی زیستس بهتر فراهم گردد.
بیوسرامیک ها در شکلهای مختلفی ساخته می شوند . آنها می توانند به صورت تک بلور،چند بلور(آلومین یا هیدرکسی آپاتیت)، شیشه(شیشه زیستی)، سرامیک-شیشه(سرامیک-شیشه A/W) مواد مرکب( پلی اتیلن- هیدرکسی آپاتیت) باشند.فاز یا فازهای مصرفی به خواص و عملکرد و کاربرد مورد نظر بستگی دارند. برای مثال تک بلور به عنوان کاشتنی دندانی مصرف می شود زیرا استحکام زیادی دارد.
سرامیک-شیشه برای جایگزینی مهرههای ستون فقرات بکار میرود زیرا استحکام زیادی دارند. شیشه های زیست فعال استحکام پایینی دارند اما به سرعت با استخوان پیون می خورند وبه همین دلیل برای بازسازی و بسط و توسعه رشد استخوان و ترمیم ضایعات مصرف می شوند.
تعداد اندکی از ترکیبات سرامیک کاربرد کلینیکی مناسب داشته اند، موفقیت کلینیکی نیاز به حصول همزمان یک فصل مشترک پایدار با بافت آگینی و یک تطابق و سازگاری عملی مناسب از نظر رفتار مکانیکی با بافتی که باید جایگزین ان شود ، دارد . تعداد اندکی از مواد این نیاز دو گانه را برای مصارف کلینیکی تامین می کنند.
|
شکل |
فاز |
عملکرد |
|
پودر |
چند بلوری
شیشه |
پر کننده فضا،درمان علامتی،خلق مجدد و بازسازی بافت ها |
|
پوشش |
چند بلوری
شیشه
شیشه-سرامیک |
پیوند بافت،مقاوم در برابر انعقاد خون،حفاظت در برابر خوردگی |
|
تکه،قطعه |
تک بلور
چند بلوری
شیشه
کامپوزیت سرامیک-
شیشه (چند فازی)
|
جایگزین سازی و بازسازی بافت،جایگزین کردن قسمت های عامل |
انواع فصل مشترک بیو سرامیک-بافت
هیچ ماده ای وجود ندارد که به هنگام کاشت در بدن زنده خنثی باشد. تمام مواد مصرفی سبب پاسخ و واکنشی از جانب بافت میزبان می شوند. پاسخ در فصل مشترک بافت کاشتنی پدید می اید و به عوامل متعددی که در جدول ارائه شده بستگی دارد. عمومی ترین پاسخ وواکنش بافت ها به حضور یک کاشتنی ف تشکیل یک پوسته رشته ای یا کپسول فیبروزه غیر چسبنده در اطراف کاشتنی است.
بافت رشته ای لیفی به منظور دیوار کشی اطراف کاشتنی ومجزا سازی آن از محیط تشکیل می گردد. این پدیده یک مکانیزم دفاعی است . خامت لایه رشته ای به عواملی که در جدول ارائه شده بستگی دارد.
|
واکنش کاشتنی- بافت |
نتیجه حاصل |
|
سمی بودن |
بافت می میرد |
|
از نظر بیو لوژیکی تقریبا خنثی |
بافت یک پوسته رشتها ای غیر چسبنده در اطراف کاشتنی تشکیل میدهد. |
|
زیست فعال |
بافت در سطح پیوندی با کاشتنی تشکیل می دهد |
|
حل شدن کاشتنی |
بافت جایگزین کاشتنی می شود |
سرامیک ههای تقریبا خنثی واز نظر زیستی غیر فعال مثل اکسید آلمینیم (آلومین) و اکسید زیرکنیم (زیرکن) در فصل مشترک خود پوسته یا لیف رشته ای گسترش می دهند.
هنگامی که کاشتنی زیست فعال باشد،پیوندی در فصل مشترک بافت-کاشتنی پدید
می آید. پیوند تشکیل شده درسطح از جابجایی و حرکت بین دو ماده جلوگیری می کند و همانند نوعی از فصل مشترک است که هنگام ترمیم بافت های طبیعی توسط خود آن ها، تشکیل می شود. این نوع فصل مشترک نیاز به ماده ای دارد که اهنگ فعالیت شیمیایی کنترل شده ای داشته باشد. ویژگی مهم یک فصل مشترک زیست فعال این است که با زمان تغییر می کند ، درست همانگونه که بافت های طبیعی در حالت تعادل دینامیکی تغییر می کنند. وقتی که اهنگ تغییر فصل مشترک زیست فعال به اندازه کافی سریع باشد، ماده کاشتنی حل می شود یا جذب می گردد و توسط بافت اطراف جایگزین خواهد شد. محصولات حاصل از تجزیه و اضمحلال باید نوعی ترکیب شیمیایی باشد که خاصیت سمی نداشته و بتواند به اسانی و بدون ضایعه بخشیدن به سلول ها به مصرف برسد. مکانیزم تماس بافت با کاشتنی مستقیما مربوط به پاسخ بافت در فصل مشترک کاشتنی است. چهار نوع تماس بین بافت و انواع بیو سرامیک دردول ارائه شده است.
هیدرکسی آپاتیت
اولین بار در سال 1920 بهبود نقص استخوانی با استفاده از ترکیبات فسفات ککلسیم که به ترکیب سه گانه کلسیم فسفات معروف بود توسط آلبی گزارش شد. 50 سال بعد، لویت در سال 1969 روشی را برای تهیه یک سرامیک آپاتیتی از مینرال معدنی فلوئور وآپاتیت ابداع وپیشنهاد کرد که این سرامیک می تواند در مصارف دندانی وپزشکی مورد استفاده قرار گیرد.
در سال 1971، کلارک و هابورد روشی را برای تهیه سرامیک های کلسیم فسفاتی از مواد اولیه تجاری پیشنهاد کردند. در همین سال، نری وهمکارانش برای اولین بار استفاده از سرامیک تری کلسیم فسفات یا TCP را در مصارف پزشکی گزارش دادند
ااین سرامیک در حقیقت مخلوطی از بتا تری کلسیم فسفات(β-TCP,Ca3(po4)2 ( وهیدرکسی آپاتیت ( HA, Ca10(po4)6(OH)2) بود در اواسط سال 1975 سه گروه(جارکو در امریکا،دیگرویت ونیس در اروپا و آئوکی در ژاپن ) به طور هوزمان ولی جداگانه برای پیشرفت و تجاری کردن هیدرکسی اپاتیت به عنوان یک بیو ماده برای ترمیم و تعویض استخوان اسیب دیده شروع به انجام تحقیقات وسیعی کردند.
این تحقیقات بر اساس گزارش صمغ از پیوند شیمیایی استخوان وایجاد یک لایه غنی از فسفات کلسیم بر بر روی شیشه سرامیک زیست فعال انجام شد. هیدرکسی اپاتیت چگال یا ماکرو متخلخل با حفره هایی به بزرگی 5 میکرون تهیه می شود. هیدرکسی اپاتیت چگال دارای تخلخل 5 درصد حجمی با حفره هایی به قطر یک میکرون است .
ساختا و خواص هیدرکسی آپاتیت
وازه آپاتیت بیانگر خانواده ای از ترکیبات است که دارای ساختار یکسان هستند. ولی این ترکیبات دارای ضرورتا دارای ترکیب شیمیایی یکسان نیستند. از این رو اپاتیت یک توصیف می باشد و ترکیب شیمیایی نیست. هیدرکسی آپاتیت یا به طور دقیق تر کلسیم هیدرکسی اپاتیت دارای ترکیب مشخص (Ca10(po4)6(OH)2) و ساختار کریستالو گرافی مشخص است . موقعیت اتم ها در ساختا ر هیدرکسی آپاتت مینرالی ابتدا توسط بیورز و مکنیاید مشخص شد و پس از ساخت هیدرکسی آپاتیت به صورت مصنوعی ساختار ان به صورت دقیق تر توسط کارل وهمکارانش مورد بررسی قرار گرفت. هیدرکسی آپاتیت به ساختار هگزاگونال تعلق دارد. این سیستم یک محور درجه 6 (محورC ) ، عمود بر سه محور a (a1,a2,a3) با فواصل یکسان و زوایای 120 درجه نسبت به یکدیگر مشخص می شوند . کوچکترین واحد ساختمانی یا سلول واحد، نمایانگر یک کریستال آپاتیت کامل است که شامل گروه های در هم پکیده Ca,po4,OH در یک نظم مشخص می باشد.
اتم کلسیم بسته به محیط پیرامون خود ، متعلق به یکی از دسته های Ca(ІІ) یا ( Ca(Іمی باشد . 4 اتم کلسییم موقعیت های Ca(І) را اشغال می کنند. دو اتم در سطح z=0 و دو اتم در 6 اتم کلسیم موقعیت های را اشغال می کنند. یک گروه سه تایی اتم های کلسیم به صورت یک مثلث در و گروه های سه تایی در می باشند. که گروه های واقع در گوشه های سلول واحد در و را احاطه کرده اند. 6 تتراهدر فسفات در یک نظم مارپیچی از سطوح تا قرار دارند. شبکه گروه های فسفات اسکلت اصلی ساختار آپاتیت را تشکیل می دهد که موجب پایداری آن می شود، اکسیژن گروه های فسفات به صورت موقعیت های تو صیف می شوند . نظم اتمی ساختار هایی نظیر که فلوئر و کلر به ترتیب جانشین گروه های در ساختار آپاتیت می شوند مشابه است.
بر طبق تحقیقات یانگ و الیوتف اتم های کلر و فلوئر در امتداد محور در مرکز مثلث ها قرار می گیرند ساختار اپاتیت ساختاری بسیار پذیرا است و امکان تعویض یونی بسیار زیادی را در ساختار خود می دهد. تعویض یونی در ساختار اپاتیت با گروه های کلسیم، فسفات و هیدرکسیل باعث ایجاد تغییراتی در ساختار آپاتیت می شود. برای مثال تغییر در پارامتر شبکه مورفولوژی و حلالیت در محیط های آبی . تعویض یونی در ساختار آپا تیت منجر به تغییرات زیادی در تقارن هگزاگونال نمیشود. هر چند که یانگ والیوت نشان دادند که تعویض یونی کلر به علت تغییر در مکان های کلر و افزایش طول سلول در راستای منجر به کاهش شدید تقارن هگزاگونال و تبدیل شدن ان به منو کلینیک می شود.
ترکیب شیمیایی هیدرکسی آپاتیت چگال
هیدرکسی اپاتیت خالص دارای ترکیب شیمیایی تئوری 39.68 درصد وزنی کلسیم ،18.45 درصد وزنی فسفر و نسبت وزنی کلسیم به فسفر 2.151 و نسبت مولی مولی کلسیم به فسفر 1.67 می باشد.
هیدرکسی آپاتیت چگال تجاری یا غیر تجاری نسبت های متغییر دارند که منعکس کننده نسبت بتا تری کلسیم به هیدرکسی اپاتیت در مواد سینتر شده است که به نوبه خود منعکس کننده خلوص( آیا تنها شامل فاز آپاتیت است یا مخلوطی با فازهای )
و وجود نقص در کلسیم یا ترکیبت آپاتت قبل از سینترینگ می باشد. در مجموع مواره مقادیر بسیار اندک از عناصر ناخالصی از مواد اولیه شیمیایی حضور دارد. برخی از هیدرکسی اپاتیت های تجاری و غیر تجاری تا 10درصد وزنی شامل فاز بتا تری کلسیم فسفات همراه با هیدرکسی اپاتیت هستند. ترکیب شیمیایی هیدرکسی آپاتیت به خوبی توسط پراش پرتو ایکس، خلوص (یک فاز بودن یا چند فاز بودن ) درجه بلوری فاز هیدرکسی اپاتیت ، مقادیر نسبی سایر فازها و پارامترهای شبکه فازها را مشخص می کند.
اسپکتروسکوپی مادون قرمز اطلاعات تکمیلی برای نتایج را فراهم می کند که شامل شناسایی فازهای اضافی و حضور یون های تعویضی نظیر کربنات فلوئر و ...
می باشد.انجام همزمان انالیزهای و آنالیزهای شیمیایی اطلاعات جامعی از حضور یون ها ی تعویضی در ساختار هیدرکسی آپاتیت و حضور دیگر فازهای فسفات کلسیم را فراهم میکند.
مطابق استاندارد ترکیب شیمیایی مطلوب برای هیدرکسی اپاتیت تجاری ترکیبی است که شامل 95 درصد هیدرکسی آپاتیت باشد که توسط انایز پراش پرتو ایکس ثابت می شود ماکزیمم غلظت عناصر ناخالصی محدود به مقادیر زیر می باشد.
و وزن فلزات سنگین نظیر سرب جمعا " برابر باشد. هم چنین بتا تری کلسیم فسفات کمتر از درصد حجمی باشد. خلوص، ترکیب شیمیایی و انازه ذرات آپاتیت آماده شده قبل از سینترینگ دما و شرایط سینترینگ بر نوع و میزان فازهای دیگر فسفات کلسیم و یا دیگر ترکیبات کلسیمی موجود همراه با هیدرکسی آپاتیت تاثیر گذار است. تعداد زیادی از روابط این عوامل تاثیر گذار است. تعداد زیادی از روابط این عوامل توسط دیاگرام های فازی دیگروت بیان شده است. دماهای سینترینگ گزارش شده است. دماهای سینترینگ گزارش شده برای تجاری و غیر تجاری درجه سانتی گراد می باشد. در این دامنه دمایی فسفات های همراه یا بدون حضور فاز اکسید کلسیم تشکیل شود.
هیدرکسی آپاتیت چگال یا متخلخل ، دارای الگوی پراش پراش پرتو ایکس شامل پیک هایی با پهنای کم و شدت بالا می باشد که این نشان دهنده درجه بالای بلوری مشابه مینرال آپاتیت می باشد. شکل پارامترهایی شبکه مشابه مینرال هیدرکسی اپاتیت می باشد. مقادیر سایر فازهای کریستالی نظیر بتا تری کلسیم فسفات، آلفا تری کلسیم فسفات ، تترا کلسیم فسفات و اکسید کلسیم اگر بیشترتز یک درصد وزنی باشد توسط پراش پرتو ایکس شناسایی میشوند . طیف جذبی برای هیدرکسی آپاتیت شامل باندهای جذب مشخصه گروه های می باشد که نمایانگر گروه های هیدرکسیل وفسفات است ر مقایسه با کریستال های سوزنی آپاتیت قبل از سینترینگ ، کریستال های سرامیک-هیدرکسی اپاتیت درشت ولوزی شکل هستند.
خواص انحلالی
انحلال هیدرکسی آپاتیت در محیط آزمایشگاهی وابسته به نوع و غلظت محلول بافر و غیر بافر ، محلول ، درجه اشباع محلول ، نسبت جامد به محلول ، عمق معلق بودن و