ابر زیست موادها – طراحی ترکیبی برای ساخت ایمپلنت‌هایی با کارایی بهتر

در دنیای امروز سرعت رشد حوزه‌های مختلف علم و فناوری به قدری بالاست که دیگر برای اثبات یا رد نتایج کار محققان نیازی به گذشت زمانی طولانی و چندساله نیست. این امر با ظهور ابزارهای جدید که به محققان و مهندسان این امکان را می‌دهد تا در کمترین زمان ممکن یافته‌های خود را در بوته آزمایش قرار داده و صحت سنجی نمایند، کاملا تحقق یافته است. تکنولوژی ساخت افزایشی[1] (AM) یا همان چاپ سه بعدی که در دهه اخیر در سراسر دنیا توجهات زیادی را به خود جلب کرده است، از آن دست فناوری‌هایی است که به نوبه خود زمینه جذابی را پیش روی محققان گشوده است و علاوه برآن، موجب شکل‌گیری پیشرفت‌های شگرف در سایر زمینه‌های تحقیقاتی شده است. ساخت قطعاتی با سطوح و جزئیات پیچیده که قبلا از طریق روش‌های مرسوم مانند قالب‎‌سازی، ریخته‌گری و ماشین‌کاری امکان پذیر نبود، در حال حاضر از طریق چاپ سه بعدی ممکن شده است.

در سال‌های اخیر ظهور حوزه جدیدی از مواد با کاربردهای جدید که به فرامواد[2] یا ابرمواد مشهور شده‌اند، بسیاری از محدودیت‌های کار با مواد معمولی را از میان برداشته اند. به طور مثال در مواد معمولی نسبت وزن به استحکام بازه محدودی دارد، اما در حوزه فرامواد امکان دست‌یابی به نسبت‌های بی‌سابقه‌ای برای این مشخصه وجود دارد. دلیل این خواص بی‌سابقه در ساختارهای به دست آمده برای فرامواد نهفته است. بدین معنی که با استفاده از ریزساختارهایی معروف به واحد سلولی[3] که در قالب یک الگو در کنار یک‌دیگر قرار می‌گیرند، می‌توان به ساختارهایی با خواص بی‌نظیر دست یافت. باتوجه به پیچیدگی این ساختارها برای تولید آن‌ها بایستی از تکنیک‌های ساخت افزایشی استفاده کرد. با پیشرفت هرچه بیشتر تکنولوژی‌های ساخت افزایشی امکان ساخت قطعاتی با دقت و کیفیت بالاتر و دارای تنوع مواد امکان پذیر خواهد بود.

ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی با خواص بهبودیافته یکی از حوزه‌هایی است که با استفاده از فرامواد معروف به ابرمواد زیستی[4] امکان‌پذیر شده است. با استفاده از این مواد می‌توان محصولاتی توسعه داد که نواقص ایمپلنت‌های فعلی را نداشته باشند. ابر زیست‌موادها با طراحی منطقی، ترکیب بی‌سابقه‌ای از خواص مکانیکی، انتقال جرم و بیولوژیکی را برای بازسازی بافت ارائه می‌دهند. گروهی از محققان دپارتمان مهندسی بیومکانیک دانشگاه دلفت هلند که روی این موضوع متمرکز شده‌اند با استفاده از تکنیک طراحی منطقی[5] و ساخت افزایشی موفق به ساخت و تست خواص مکانیکی چند نمونه ایمپلنت شدند. طبق نتایج تحقیقات، تحت بارگذاری‌های بیومکانیکی متا ایمپلنت‌های ساخته شده از هر دو سمت محوری و جانبی به استخوان فشار وارد می‌کنند؛ درنتیجه این فشار باعث بهبود تماس ایمپلنت با استخوان شده و در اثر آن طول عمر ایمپلنت افزایش خواهد یافت. نتایج این تحقیق در مجله Royal Society of Chemistry منتشر شده است.

یکی از خواص مکانیکی مهم در تحلیل‌های مکانیکی ضریب پواسون[6] است. در حالت طبیعی اکثر مواد دارای ضریب پواسون مثبت هستند. بدین معنی که با اعمال نیروی کششی محوری، ماده در سطوح جانبی دچار انقباض شده و در صورت اعمال نیروی فشاری محوری، ماده در سطوج جانبی دچار انبساط می‌شود. میزان این انقباض با ضریبی به نام نسبت پواسون مشخص می‌شود. در دسته دیگری از مواد که به مواد آگزتیک[7] مشهور هستند، ضریب پواسون منفی است (شکل 1). این دسته از مواد به دلیل کاربردهای نوینی که دارند، به شدت مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند. یکی از جدیدترین کارهای تحقیقاتی این حوزه، ساخت ترکیبی مواد معمولی[8] و مواد آگزتیک است. با به کاربردن این روش، مفهومی به نام ابرمواد زیستی ترکیبی (هیبرید) مطرح شد. راز امکان اعمال فشار از هر دو سمت جانبی در این ایمپلنت‌ها ترکیب دو ماده با ضرایب پواسون متفاوت است. یکی از روش‌های طراحی ابرمواد، طراحی عقلانی است که در این تحقیق برای ترکیب ابرمواد معمولی و آگزتیک از این روش استفاده شده است. با به کارگیری این تکنیک شرایط تماسی ایمپلنت-استخوان بهبود یافته و درنتیجه باعث ثبات بیشتر ایمپلنت و افزایش طول عمر آن خواهد شد.

شکل1 – طرح مفهومی مواد معمولی و مواد آگزتیک

ایمپلنت‌هایی که این تیم در این تحقیق روی آن تمرکز داشتند ایمپلنت‌های [9]THR است که جزو رایج‌ترین ایمپلنت‌های ارتوپدی مورد استفاده می‌باشند. بزرگترین مشکل در مورد این ایمپلنت‌ها طول عمر محدود آن‌ها بوده و عمده‌ترین عامل تخریب گشادشدن آسپتیک[10] است. این مسئله به تخریب مکانیکی سطح مشترک ایمپلنت- استخوان اشاره دارد. قسمت حاضر در داخل استخوان ران ایمپلنت THR ( یا همان hip stem) به‌طور مکرر حدود دو میلیون سیکل در سال تحت بارگذاری خمشی قرار می‌گیرد. این بارگذاری خمشی بخشی از ایمپلنت را تحت کشش و بخش دیگر را تحت فشار قرار می‌دهد. طبق تحقیقات سطح مشترک استخوان- ایمپلنت زمانی که تحت کشش قرار دارد نسبت به ایجاد تخریب مساعدتر از حالت تحت فشار است. علاوه بر این استحکام مکانیکی استخوان در حالت فشار بیشتر از کشش است. اگر ضریب پواسون فقط مثبت باشد، همواره یک بخش ساقه در حال جدایش از استخوان است، درحالیکه سمت دیگر به دیواره استخوان فشرده می‌شود. در ادامه، جدایش ایمپلنت باعث ورود ذرات ساینده به فضای بین ایمپلنت و استخوان می‌شود و واکنش سیستم ایمنی بدن بیمار به جسم خارجی را در پی دارد که منجر به فقدان التهابی استخوان[11] می‌شود. بنابراین بسیار مهم است که تماس بین استخوان – ایمپلنت را به گونه‌ای افزایش دهیم که ذرات ساینده امکان ورود به حفره محصور شده را نداشته باشند. همچنین، تحت فشار قرار گرفتن ایمپلنت باعث تثبیت بیشتر آن از طریق رویش درونی استخوان با تحریک مکانیکی خواهد شد. با توجه به تمامی مطالب گفته شده در بالا می‌توان به این نتیجه رسید: طراحی یک ایمپلنت که در هر دو سمت نیروی فشاری ایجاد می‌کند ضروری خواهد بود. این مهم از طریق طراحی منطقی و ترکیب مواد معمولی و آگزتیک امکان‌پذیر شد (شکل2).

شکل2- نمایش سطح تماس استخوان- ایمپلنت در (1) ایمپلنت معمولی و (2) متا ایمپلنت

شکل3- کرنش‌های افقی در نوار پیچیده شده به دور نمونه ابرماده زیستی هیبریدی

شکل 4- متا ایمپلنت‌های ساخته شده با تکنیک ساخت افزایشی SLM

مرجع:

H.M. Kolken, S. Janbaz, S.M. Leeflang, K. Lietaert, H.H. Weinans, A.A. Zadpoor, Rationally designed meta-implants: a combination of auxetic and conventional meta-biomaterials, Mater. Horiz. 5 (1) (2018) 28–35

[1] Additive Manufacturing (AM)

[2] Meta-Materials

[3] Unit Cell

[4] Meta BioMaterials

[5] Rational Design: در بیولوژی شیمیایی و مهندسی بیومولکولی، طراحی منطقی یک استراتژی برای ساخت مولکول‌های جدید با عملکردهای مشخص است. از طریق مدل‌های فیزیکی توانایی پیش‌بینی چگونگی تاثیر ساختار مولکول بر رفتار آن به دست می‌آید.

[6] Poissin’s Ratio

[7] Auxetic Materials

[8] Conventional (Non-Auxetic) Materials

[9] Total Hip Replacement

[10] Aseptic Loosening

[11] .Inflammatory Bone Loss