کاربردهای پزشکی آلومينا

اکسید آلومینیوم یا آلومینا، از جمله مواد مفید و مناسب به عنوان جایگزین برای بخش‌هایی از استخوان بدن انسان شناخته شده‌اند. سرامیک‌های آلومینا برای اولین بار به عنوان یک ماده بالینی در سال 1960 استفاده شد. پس از آن، به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت و در حال حاضر، یکی از مواد زیستی پرکاربرد برای جایگزینی استخوان است. آلومینا در بدن یک جاندار، فعال نیست و در برابر خوردگی مصون است. این امر باعث محدودیت واکنش‌های بافتی می‌شود و آلومینا سال‌ها در بدن پایدار مانده و در برابر زیست‌تجزیه‌پذیری مقاومت می‌کند. بنابراین، بدن از طریق ایجاد یک پوشش فیبری در سراسر ایمپلنت، آن را به عنوان ناخالصی تشخیص می‌دهد. علاوه بر این، با واردکردن یک محصول آلومینیومی، بیومولکول‌ها و پروتئین‌ها به صورت ناگهانی روی بستر جذب می‌شوند و درنتیجه از ایمپلنت در برابر پاسخ ایمنی پوست محافظت می‌کنند. در عمل، می‌توان سطح بین بافت‌ها و آلومینا را تنظیم کرد و از ایجاد یک پوشش فیبری در سراسر ایمپلنت جلوگیری کرد. آلومینا زیست‌سازگار است، اگرچه ذرات آلومینای ایمپلنت ممکن است واکنش جسم خارجی قابل‌توجهی را القا کنند.

موهانتی ]1[ در سال 1995، کاربردهای آلیاژهای آلومینا-سرامیک در زمینه زیست‌پزشکی را مورد بررسی قرار داده است. در این بررسی، موهانتی اکسید آلومینیوم را بسته به پاسخ بدن به سه دسته زیست‌تخریب‌پذیر، زیست‌خنثی و زیست‌فعال طبقه‌بندی کرد. همچنین زیفره پرز و همکارانش ]2[ در سال 2015، استفاده از آلومینای متخلخل را مورد بررسی قرار داده‌اند.

در این مطالعه، مروری بر کاربردهای مختلف اکسید آلومینیوم در زمینه‌های مختلف زیست‌پزشکی، از جمله کاربرد آن در دندانپزشکی، جایگزینی مفصل و اسپیسرهای استخوانی انجام شده است.

اکسید آلومینیوم به عنوان جایگزین مفصل

اولین‌بار در قرن هفدهم کشف شد که می‌توان از ویژگی‌های اکسید آلومینیوم برای تامین کاربردهای بهبودیافته ارتوپدی ایمپلنت‌ها استفاده کرد. از آن زمان به بعد، آلومینا به دلیل مقاومت فوق‌العاده‌ در برابر سایش و قابلیت ایجاد سطوح تمیز و صیقلی، اغلب برای سطوح فرسوده برای پروتزهای تعویض مفصل استفاده می‌شود. آلومینا معمولا در ساخت سر استخوان ران برای ایمپلنت‌های تعویض مفصل ران و ایمپلنت‌های جایگزین زانو استفاده می‌شود. تعویض کامل مفصل ران و ایمپلنت‌های جایگزین زانو در اشکال زیر نشان داده شده است.

 

برای تعویض مفصل ران، سر استخوان ران آلومینا برای لایه مفصلی مقابل همراه با یک نوک استخوان ران پلاستیکی و یک فنجان استابولوم ساخته‌شده از پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (EHMWPE) یا آلومینا استفاده می‌شود. دو عامل به موفقیت این تعویض مفصلی بستگی دارد:

1. رفتار سایش و اصطکاک مواد
2. کیفیت تکیه‌گاه ایمپلنت به بافت طبیعی.

تحقیقات نشان داده است که سطوح سایش اکسید آلومینیوم در EHMWPE تقریبا بیست برابر کوچکتر از پلی‌اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا (UHMWPE) برای آهن است که منجر به ایجاد پسماندهای سایشی کمتری می‌شود. پسماندهای سایش، منجر به شرایط پیچیده و دشواری مانند استئولیز شده، که طی مدت زمان طولانی، منجر به شکستن ایمپلنت خواهند شد. یک جفت بلبرینگ سرامیکی آلومینا-آلومینا به آلومینا-EHMWPE یا فلز ترجیح داده می‌شود، که منجر به مقاومت خوب در برابر سایش و جلوگیری از پاسخ التهابی ذرات پلی‌اتیلن می‌شود. در مقابل، آزمایشات نشان داده است که پسماندهای سرامیکی ناشی از EHMWPE، از درجه سمی‌بودن کمتری برخوردار است.

دانشمندان مواد طی سال‌ها تکنیک‌های سنتز آلومینا را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشیده‌اند که منجر به افزایش استحکام مکانیکی می‌شود. نسل امروزی اکسید آلومینیوم در حوزه تعویض مفصل، آلومینای متراکم است که با لیزر برچسب‌گذاری شده و برای شواهد بررسی می‌شود. از سال 1994، این ماده در بازار است. میزان شکستگی سر استخوان ران 004/0درصد است. از آلومینا در تعویض کامل زانو برای قطعاتی که در تماس با استخوان هستند و در قسمت‌های لغزنده از مخلوط آلومینا و EHMWPE استفاده می‌شود. مسائل ناشی از آلودگی پلی‌اتیلن در این دستگاه‌ها بسیار جدی‌تر از ایمپلنت‌های مفصل ران است (شکل 3 و شکل4)

در مصارف ارتوپدی، اکسید آلومینیوم بهترین محصول نیست. مدول یانگ آلومینا 410 -370 گیگاپاسکال است که بیشتر از مدول یانگ استخوان اسفنجی (0.055-0.55GPa) یا استخوان کورتیکال است. مدول یانگ، اغلب به سن فرد و موقعیت بافت استخوانی در بدن متکی است. بنابراین، ویژگی‌های مکانیکی آلومینا و استخوان مشابه نیستند. ایمپلنت آلومینا از اطراف استخوان در برابر هرگونه بارگذاری مکانیکی دیگر محافظت می‌کند و ایمپلنت کل بار را متحمل می‌شود.

اکسید آلومینیوم در اسپیسر استخوان

اکسید آلومینیوم با تخلخل بیش از 30 درصد ممکن است به عنوان اسپیسر استخوان برای پوشاندن قسمت‌های استخوانی ازدست‌رفته به دلیل آسیب تروماتیک یا سرطان استفاده شود. اسپیسرهای استخوان با استفاده از پین‌های فلزی روی بافت‌ها قرار می‎‌گیرند. طراحی الاستیکی دینامیکی ایمپلنت سلول‌های استخوانی را قادر می‌سازد تا به داخل ایمپلنت نفوذ کنند و درنهایت ساختار جدیدی از بافت ایجاد شود. معمولا عرض منافذ بیش از 100 میکرومتر است. این نه تنها به استخوان اجازه می‌دهد تا منبسط شود، بلکه عروق‌زایی را نیز تسهیل می‌کند. آلومینای متخلخل توسط فرآیند سل-ژل یا هیدروترمال به‌دست می‌آید تا ساختار متخلخلی از نانوکریستال‌های مرجانی آشکار شود.

اکسید آلومینیوم در کاربردهای دندانی

اکسید آلومینیوم با چگالی بالا عملا به عنوان جایگزین دندان استفاده می‌شود که نمونه‌ای از آن در شکل زیر نشان داده شده است. از آنجایی که آلومینای پلی‌کریستال ممکن است در حین قراردادن ایمپلنت در ریشه دندان شکسته شود، آلومینای تک‌کریستال برای ایمپلنت‌های دندانی استفاده می‌شود. استحکام خمشی آلومینای تک‌کریستال بیشتر از آلومینای پلی‌کریستال است. ایمپلنت‌ها معمولا با هسته آلومینای تک‌کریستال به صورت استوانه‌ای ساخته می‌شوند که در آن آلومینای پلی‌کریستالی ذوب می‌شود. ایمپلنت دندانی اکسید آلومینیوم دارای معایب متعددی است. آن‌ها دارای یک مدول ایمپلنت با الاستیسیته بالا هستند و در حال حاضر پرسلان‌های دندان جایگزین آن می‌شوند.

سایر کاربردهای اکسید آلومینیوم

اکسید آلومینیوم علاوه بر جایگزین مفاصل، اسپیسر استخوان و ایمپلنت دندان، در زمینه‌های گوش و حلق و بینی و جراحی فک و صورت نیز استفاده می‌شود. همچنین برای اعمال جراحی عصبی مانند کرانیوپلاستی، از ایمپلنت آلومینا استفاده می‌شود. در کراتوپرتزها (جایگزینی قرنیه) نیز، آلومینا به کار می‌رود.

کامپوزیت‌های با زمینه اکسید آلومینیوم

در این نوع از کامپوزیت‌ها، از اکسید آلومینیوم به عنوان زمینه استفاده می‌شود که 82 درصد وزن کل محصول را تشکیل می‌دهد. نانوذرات اکسید زیرکونیوم (معروف به زیرکونیا) روی زمینه آلومینا اعمال می‌شود و بیست درصد حجم را تشکیل می‌دهد. این ذرات در فاز تتراگونال به پایداری می‌رسند، به همین دلیل ویژگی‌های مکانیکی خوبی را ارائه می‌دهند. کامپوزیت‌ها به اشکال مختلف تقویت می‌شوند:

1. تشکیل بلورهای بلند و کشیده اکسید استرانسیوم در مکان واقعی خود در زمینه، که هرگونه ترک زیربحرانی را منحرف می‌کند.
2. افزودن ذرات کوچک زیرکونیا به‌طور همگن در زمینه که با ایجاد تغییر در سختی کامپوزیت همراه است.
3. ساختن محلول جامد آلومینا با اکسید کروم، که منجر به افزایش پایداری کامپوزیت می‌شود.

تاریخ به روزرسانی محتوا: 1402/08/29

مراجع:

[1] Mohanty, M., Medical Applications of
Alumina Ceramics. Transactions of the Indian
Ceramic Society, 1995. 54(5): p. 200-204.

[12] Xifre-Perez, E., et al., Mesoporous alumina
as a biomaterial for biomedical applications.
Open Material Sciences, 2015. 2(1).