کاربرد استیل در پزشکی

به دلیل ترکیب منحصر به فرد خواص آلیاژهای ضد زنگ، آنها در پزشکی مدرن ضروری هستند. خواص مواد مورد نیاز شامل مقاومت خوب در برابر خوردگی در مایعات بدن، زیست سازگاری، نسبت استحکام به وزن خوب، مقاومت در برابر خستگی و حساسیت مغناطیسی کم است. اصطلاح زیست سازگاری به خوبی تعریف نشده است، اما می توان آن را به زبان ساده به عنوان توانایی عملکرد مناسب در یک موقعیت خاص در بدن انسان توصیف کرد. الزامات اغلب آنقدر شدید است که خواص فولادهای ضد زنگ سنتی کافی نیست. به عنوان مثال، مقاومت در برابر سایش در مفاصل اغلب نیاز به کاشت آلیاژهای Co-Cr دارد. در کاربردهای دیگر، آلیاژهای تیتانیوم به دلیل پدیده ای به نام “یکپارچگی استخوانی” ترجیح داده می شوند که منجر به چسبندگی عالی بین ایمپلنت و استخوان می شود. یکی از اولین کسانی که “یکپارچگی استخوانی” را اجرا کرد، دانشمند سوئدی برونمارک بود که در اواسط دهه 60 شروع به استفاده از ایمپلنت های دندانی تیتانیوم در پزشکی دندان کرد. یک کاربرد نسبتاً ویژه، فنرهای قلبی عروقی است که در آن آلیاژهای مبتنی بر Ni و Ti با موفقیت بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند. کاربردهای پزشکی آلیاژهای خاص را عمدتاً میتوان در سه حوزه تقسیم بندی کرد: ابزارهای دندانی و جراحی، قلب و عروق و بازسازی. فولادهای ضد زنگ سنتی اساساً در ابزار دقیق یافت می شوند.

1) دندانپزشکی و جراحی

طیف گسترده ای از ابزارهای دندانپزشکی و جراحی شامل ریمرها (مته های دندهان پزشکی)، قلاب ها، گیره ها، کشنده ها، پیچ گوشتی ها، تیغه های جراحی، چاقوی جراحی و سوزن های جراحی می باشد. برای کاربردهای ابزار، فولادهای ضد زنگ سنتی (عمدتا آستنیتی و مارتنزیتی) اغلب عملکرد رضایت بخشی دارند. در زیر نمونه ای از سوزن های جراحی را مشاهده میکنید.

این سوزن در اصل برای مطابقت با نیازهای سوزن های جراحی ساخته شده بود، که برای آن ترکیبی از استحکام و شکل پذیری بالا ضروری است. به دلیل ترکیبی از استحکام بالا، شکل‌پذیری و حفظ لبه خوب، نه تنها برای سوزن‌های بخیه، بلکه برای مته‌ها، پیچ‌گوشتی‌ها، شیرها، ریمرها و لانست‌های خونی مناسب است.

2) قلبی و عروقی

کاربردهای قلبی عروقی شامل ضربان ساز و لیدهای ICD (Cardioverter-Defibrillator قابل کاشت)، استنت های قلبی، سیستم های راهنما، سیم های حسگر، دریچه های قلب مصنوعی، کاتترهای بافته شده و جمع کننده های قلبی عروقی است. در برخی از این کاربردها مانند سیم های راهنما و سیم های حسگر، فولادهای ضدزنگ آستنیتی تیپ 304 و 316 عملکرد رضایت بخشی دارند. با این حال، کاربردهای قلبی عروقی اغلب به آلیاژهای نسبتاً خاصی مانند F562 (یک آلیاژ 35٪ Co، 35٪ Ni، 20٪ کروم، 10٪ آلیاژ Mo)، ASTM B684 (آلیاژ Pt-Ir با 10٪ یا 20٪ Ir) یا مواد کامپوزیت با هسته ای از فلز نجیب. F562 به دلیل ترکیبی از مقاومت در برابر خوردگی، استحکام بالا و مقاومت در برابر خستگی به عنوان استنت و در پیس میکر و سرب ICD استفاده می شود. در عکس زیر یک ضربان ساز با هادی ضربان ساز نشان داده شده است. یک ترکیب معمولی هسته پلاتین با یک لایه بیرونی F562 است.

هنگامی که هدایت الکتریکی از اهمیت بالایی برخوردار است، مانند ضربان ساز و دفیبریلاتور، سیم های کامپوزیتی با هسته فلز نجیب مانند نقره، طلا یا پلاتین اغلب استفاده می شود (شکل 2).
استنت وسیله ای قابل انبساط است که برای باز نگه داشتن مسیر رگ در بدن انسان قرار می گیرد. استنت معمولاً با استفاده از یک سیم راهنما که اغلب از فولاد ضد زنگ آستنیتی ساخته شده است (به عنوان مثال با خلاء ذوب مجدد 304 یا 316) به موقعیت نهایی خود آورده می شود. قبل از جراحی، استنت فشرده می شود و پس از آن در موقعیت خود قرار می گیرد. انبساط نهایی زمانی صورت می گیرد که دمای بدن را در نظر بگیرد (شکل 3).

3) بازسازی

امید به زندگی طولانی تر در ترکیب با رشد جمعیت جهان، نیاز به ایمپلنت های جایگزین در بدن انسان را مورد تاکید قرار می دهد. این موضوع شامل تعویض کامل یا جزئی استخوان لگن، زانو، شانه، مچ دست و آرنج است. مواد مناسب فولادهای زنگ نزن آستنیتی (ASTM F138، غنی از نیتروژن ASTM F1586)، آلیاژهای تیتانیوم (عمدتاً Ti-6Al-4V) یا آلیاژهای مبتنی بر کبالت (مانند ASTM F75) هستند. به دلیل خاصیت ارتجاعی نرم‌تر Ti و آلیاژهای آن، به خاصیت ارتجاعی استخوان نزدیک‌تر هستند و بنابراین، کمتر در اثر خستگی از بین می‌روند. عوامل موثر در انتخاب مواد، هزینه و سن بیمار است. ایمپلنت ها نقش مهمی در موقعیت های ترومایی دارند، یعنی ترمیم و حمایت از استخوان ها پس از تصادف. چنین ایمپلنت هایی اغلب از تیتانیوم یا فولادهای ضد زنگ ساخته می شوند. تصویر اشعه ایکس زیر، تعویض کامل (چپ) و جزئی (راست) زانو را نشان می دهد.

یک مفصل تحت بارگذاری مکرر قرار می گیرد. بنابراین، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خستگی در تعیین طول عمر ایمپلنت بسیار مهم است. در شکل زیر اجزای مورد استفاده به عنوان ایمپلنت در زانو، قبل از جراحی را نشان میدهد. موقعیت آنها در شکل 4 الف قابل مشاهده است. به عنوان مثال، مقاومت در برابر سایش ناکافی که منجر به ایجاد ضایعات (ذرات سایش) از ایمپلنت می شود ممکن است باعث به اصطلاح استئولیز شود. در این صورت ممکن است لق شدن ایمپلنت رخ دهد و نیاز به جراحی جدید باشد. پوشش سطح یا سطوح در معرض، به عنوان مثال یک پوشش سرامیکی، اغلب برای بهبود مقاومت در برابر سایش و چسبندگی استفاده می شود. مثال انتخاب شده در اینجا یک ایمپلنت زانو است که در آن از دو جزء فلزی، یک جزء استخوان ران در قسمت فوقانی و جزء درشت نی در موقعیت پایین استفاده شده است. یک لایه پلیمری در بین این دو جزء قرار داده شده است تا از تماس مستقیم بین فلزات جلوگیری شود. آلیاژهای کبالت کروم و سرامیک در ترکیب یا همراه با یک پلیمر تاکنون تنها ترکیب موادی هستند که می توانند در یک اتصال مفصلی مصنوعی زنده بمانند. اجزای در معرض سایش اغلب بر روی موادی با قابلیت رشد درونی بهتر مانند تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ نصب می شوند.

موضوع کاربردهای پزشکی استیل بسیار زیاد است و پوشش آن در یک مقاله کوتاه غیرممکن. هدف از این معرفی صرفاً نشان دادن چند نمونه منتخب از حوزه پزشکی بود تا تاکیدی بر نقش کلیدی آلیاژهای ضد زنگ در بهبود کیفیت زندگی باشد. بعنوان آخرین مثال برگرفته از زندگی واقعی، ضربان ساز در سال 1958 توسط Rune Elmehed و Åke Senning در سوئد اختراع شد. اولین مشتری آنها آرن لارسن بود که در آن زمان 43 سال داشت و برای زندگی خود می جنگید. به لطف فناوری ضربان ساز به او 43 سال دیگر اعطا شد و تا سال 2001 و سن 86 سالگی به زندگی خود ادامه داد.