السيراميك الحيوي يدخل أجسامنا

منذ القرن الحادي والعشرين، دخلت المواد الجديدة تدريجيًا في حياتنا اليومية. وباعتبارها مادة جديدة، فقد جلبت السيراميك الحيوي راحة كبيرة لحياة الناس وصحتهم، والتي حظيت باهتمام متزايد في مجال الأجهزة الطبية والمواد الطبية الحيوية في السنوات الأخيرة.

السيراميك الحيوي هو نوع من المواد الخزفية المستخدمة لوظائف بيولوجية أو فسيولوجية محددة، أي المواد الخزفية المستخدمة مباشرة في جسم الإنسان أو المرتبطة مباشرة بجسم الإنسان، مثل علم الأحياء والطب والكيمياء الحيوية. وتستخدم على نطاق واسع في جراحة العظام وطب الأسنان والجراحة التجميلية وجراحة الفم وجراحة القلب والأوعية الدموية وجراحة العيون بسبب توافقها الحيوي الجيد وخصائصها الفيزيائية الكيميائية المستقرة.

ووفقًا لاستخدام السيراميك الحيوي المختلف يمكن تقسيمه إلى سيراميك حيوي للزراعة وسيراميك حيوي للهندسة الحيوية؛ ويمكن تقسيمه إلى سيراميك حيوي نشط وسيراميك حيوي خامل وفقًا لنشاط السيراميك الحيوي في الجسم الحي. يصنف هذا الخبر السيراميك الحيوي من الأخير على النحو التالي.

السيراميك الخامل الحيوي

يتميز السيراميك الخامل بيولوجيًا بخصائص كيميائية مستقرة وتوافق حيوي جيد، مثل الألومينا والزركونيا وغيرها، وتتطابق خصائصها الفيزيائية والميكانيكية وخصائصها الوظيفية مع الأنسجة البشرية. وتتمثل خصائصها الرئيسية في القوة الميكانيكية العالية ومقاومة التآكل القوية.

زركونيا (ZrO2)

سيراميك الزركونيا هو أقوى المواد الترميمية للأسنان إلى حد بعيد ويستخدم على نطاق واسع في الأطراف الاصطناعية لتقويم العظام والورك. تمت زراعة مواد الزركونيا والخلايا البانية للعظم بشكل مشترك في المختبر وتم التأكد من توافقها الحيوي. في جراحة العظام، يستخدم سيراميك الزركونيا في المقام الأول لمفاصل الورك الاصطناعية. ومع ذلك، فإن قوة الترابط لسيراميك الزركونيا غير كافية، مما يؤثر على ثبات الترابط. في الوقت الحاضر، يتم تطبيق المزيد من طرق المعالجة السطحية مثل الحفر الحمضي والسفع الرملي لتحسين أداء الترابط للسيراميك. إلى جانب ذلك، فإن هشاشة مادة سيراميك الزركونيا تؤثر على استخدامها، لذلك عادةً ما يعتمد الناس طريقة التقوية لتحسينها.

الألومينا (Al2O3)

في سبعينيات القرن العشرين، بدأ استخدام سيراميك الألومينا في استبدال مفصل الورك بالكامل (THA). يعتبر سيراميك الألومينا الذي تزيد صلابته عن 2000HV سامًا بشكل طفيف للخلايا الليفية البشرية في المختبر، وتبقى خصائصه الميكانيكية دون تغيير لفترة طويلة في البيئة الداخلية. مع تطبيق تقنية الحفر بالضغط الحراري المتساوي الضغط وتكنولوجيا الحفر بالليزر، يكون حجم حبيبات سيراميك الألومينا من الجيل الثالث أصغر، وتكون درجة النقاء والكثافة أعلى، وتزداد القوة والصلابة بشكل كبير، وينخفض معدل التفتت. إن الصلابة العالية ومقاومة التآكل الجيدة لسيراميك الألومينا تجعله المادة البيولوجية الرئيسية في جراحة العظام THA.

كربيد السيليكون （SiC）

في السنوات الأخيرة، حاول الناس في السنوات الأخيرة تطبيق سيراميك كربيد السيليكون في مجال طب الفم. وباعتباره مادة للزرع، فقد تم تفضيل سيراميك كربيد السيليكون بشكل متزايد من خلال البحث العلمي والبحوث السريرية، وتم القيام بأعمال استكشافية في جوانب التوافق الحيوي والسمية. تم تحضير طلاء زجاج حيوي على سطح سيراميك كربيد السيليكون، مما عزز النشاط البيولوجي لسيراميك كربيد السيليكون.

السيراميك النشط بيولوجيًا

يشمل السيراميك النشط بيولوجيًا والمعروف أيضًا باسم السيراميك القابل للتحلل الحيوي السيراميك النشط بيولوجيًا السطحي والسيراميك الممتص حيويًا. وعادةً ما يحتوي السيراميك الخافض للتوتر السطحي الحيوي على الهيدروكسيل ويمكن أن يكون مساميًا، ويمكن أن تنمو الأنسجة البيولوجية وترتبط بقوة بسطحه. ويتميز السيراميك القابل للامتصاص الحيوي بالامتصاص الجزئي أو الكلي ويحث على نمو عظام جديدة في الكائن الحي. ويشمل السيراميك النشط بيولوجيًا الزجاج النشط بيولوجيًا (فوسفات الكالسيوم) وسيراميك هيدروكسيباتيت وسيراميك فوسفات ثلاثي الكالسيوم.

سيراميك هيدروكسيباتيت (HAP)

من أجل تحسين الخواص الميكانيكية لهيدروكسيباتيت، تم تحسين الخواص الميكانيكية لسيراميك هيدروكسيباتيت المدمج الذي تم تحضيره. ومع ذلك، فإن مساميتها الظاهرة صغيرة نسبيًا. بعد زراعته في جسم الإنسان، لا يمكن تكوين سوى العظام على السطح، وهو ما يفتقر إلى القدرة على تحفيز تكوين العظام، ولا يمكن استخدامه إلا كسقالة لتكوين العظام.

لذلك، يركز البحث على سيراميك هيدروكسيباتيت المسامي. وقد وجد أن غرسة فوسفور الكالسيوم المسامية تحاكي بنية مصفوفة العظام ولها قدرة على تحريض العظام، والتي يمكن أن توفر سقالة وقناة لنمو نسيج عظمي جديد. ولذلك، كانت استجابة الأنسجة للغرسة بعد الزرع أفضل بكثير من استجابة الأنسجة المزروعة من السيراميك الكثيف.

سيراميك الزجاج الحيوي

المكوّن الرئيسي للسيراميك الزجاجي الحيوي هو CaO-Na2O-SiO2-P2O5، الذي يحتوي على كمية من الكالسيوم والفوسفور أكثر من زجاج النوافذ العادي ويمكنه الارتباط كيميائيًا بالعظام بشكل طبيعي وثابت. وله خصائص فريدة تميزه عن غيره من المواد البيولوجية الأخرى، ويمكن أن يخضع بسرعة لسلسلة من التفاعلات السطحية في موقع الزرع، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين طبقة الأباتيت القائمة على الكربونات. إن التوافق الحيوي للسيراميك الزجاجي الحيوي جيد. تُزرع هذه المواد في الجسم دون رفض أو التهاب أو نخر في الأنسجة، والتي يمكن أن تشكل ارتباطًا عظميًا مع العظام.

في الوقت الحاضر، تم استخدام هذه المادة لإصلاح عظام الأذن الصغيرة ولها تأثير جيد على استعادة السمع. ومع ذلك، لا يمكن استخدامها إلا في أجزاء الجسم التي لا تكون القوة فيها كبيرة بسبب انخفاض شدتها. وتتميز المادة المحضرة بطريقة سول-جل بالنقاء الجيد والتجانس العالي والنشاط البيولوجي الجيد ومساحة السطح المحددة الكبيرة، والتي لها قيمة بحثية وتطبيقية أفضل. على وجه الخصوص، تتمتع المادة المسامية الزجاجية النشطة بيولوجيًا بإمكانية جيدة في الاستخدام كسقالة لهندسة الأنسجة العظمية.

كبريتات الكالسيوم

ليس لكبريتات الكالسيوم الطبية، باعتبارها بلورة شبه هيدرات، أي تأثير واضح على مستوى الكالسيوم في مصل الدم في الجسم بعد التحلل الكامل. بعد اتحادها مع الماء، يمكن أن تصبح غرسة صلبة ويمكن استخدامها كحامل للمضادات الحيوية القابلة للذوبان في الماء. تتخثر كبريتات الكالسيوم ذاتيًا عند درجة حرارة منخفضة ولا تسبب تلفًا للأنسجة العصبية المحيطية، كما أن لها إمكانية تحفيز العظام وإطلاق أيونات الكالسيوم. وبالتعاون مع بيئة حمضية ضعيفة، يمكن لأيونات الكالسيوم المحلية العالية أن ترتبط بمستقبلات الكالسيوم الحساسة للكالسيوم في بانيات العظم لتعزيز تكاثر وتمايز خلايا العظام وتنظيم تكوين العظم. ومع ذلك، فإن القدرة التوليدية العظمية لدعامات كبريتات الكالسيوم النقية محدودة، وفقط عند وجود السمحاق يمكن أن يكون لدعامات كبريتات الكالسيوم بعض الخصائص البديلة لتوليد العظام.

النقاط الساخنة للسيراميك الحيوي

المواد المركبة

من أجل تحسين الخواص الميكانيكية للسيراميك الحيوي وثباته وتوافقه الحيوي، أجرى العديد من العاملين في مجال المواد الكثير من الأبحاث على السيراميك الحيوي المركب. تشمل مواد المصفوفة الشائعة مواد البوليمر البيولوجية، ومواد الكربون، والزجاج البيولوجي، وسيراميك فوسفات الكالسيوم الحيوي، ومواد أخرى، بينما تشمل مواد التعزيز ألياف الكربون، وألياف الفولاذ المقاوم للصدأ أو ألياف سبائك الكوبالت الأساسية، وألياف السيراميك الزجاجي الحيوي، وألياف السيراميك، وغيرها من ألياف التعزيز الليفية. وبالإضافة إلى ذلك، هناك الزركونيا وسيراميك فوسفات الكالسيوم الحيوي والسيراميك الزجاجي الحيوي وغيرها من معززات الجسيمات.

تكنولوجيا النانو

نظرًا للخصائص الفريدة للمواد النانومترية مثل تأثير السطح وتأثير الحجم الصغير والتأثير الكمي، فإن مواد السيراميك الحيوي النانومترية لها إمكانية تطبيق واسعة، والتي سيكون لها أداء فائق في مجال التصنيع والتطبيق السريري لمواد استبدال الأنسجة الصلبة مثل العظام الاصطناعية والمفاصل الاصطناعية والأسنان الاصطناعية.

في جانب السيراميك النشط بيولوجيًا، يتمثل البحث الرئيسي في الوقت الحاضر في محاكاة بنية العظام الطبيعية الدقيقة. في عظام العظام الطبيعية، يتكون هيدروكسيباتيت الهيدروكسيباتيت بشكل أساسي من بلورات إبرية بطول 10-60 نانومتر وعرض 2-6 نانومتر. ولذلك، يركز البحث الحالي على المواد النانوية لهيدروكسيباتيت الهيدروكسيباتيت بشكل أساسي على بلورات هيدروكسيباتيت النانو ومركبات هيدروكسيباتيت النانو/البوليمر ومواد طلاء هيدروكسيباتيت النانو.