سيراميك الألومينا: المادة الحيوية الخزفية المفضلة لإصلاح وتجديد أنسجة العظام
السيراميك الحيوي هو مادة تُستخدم كمواد حيوية لسد عيوب الأسنان والعظام، وتثبيت الطعوم العظمية والكسور أو الأطراف الاصطناعية، واستبدال الأنسجة المريضة. يُستخدم على نطاق واسع في المجال الطبي نظرًا لخصائصه الممتازة، مثل القوة العالية، ومقاومة التآكل، وقوة الضغط والانثناء العالية، والتوافق الحيوي العالي.ظهرت السيراميكيات الحيوية لأول مرة في القرن التاسع عشر. في ذلك الوقت، استُخدم نوع من السيراميك القابل للامتصاص - جبس باريس - في التجارب والممارسات السريرية، مما أثار اهتمامًا كبيرًا بالعلماء في مجال السيراميكيات الحيوية. من أوائل القرن العشرين وحتى منتصفه، صنع العالم الأمريكي تالبرت أطرافًا اصطناعية من مواد سيراميكية حبيبية (سيراميك الألومينا) وزرعها في عظام أفخاذ الكلاب البالغة، وحقق نجاحًا باهرًا في النهاية. كما جذبت سيراميك الألومينا اهتمام العديد من الباحثين العلميين.
1سيراميك الألومينا
يشمل مفهوم سيراميك الألومينا نطاقًا واسعًا. فبالإضافة إلى سيراميك الألومينا النقي، يُمكن تسمية أي مادة سيراميكية تحتوي على نسبة ألومينا 45% أو أكثر بسيراميك الألومينا. يوجد العديد من البلورات المتجانسة وغير المتجانسة في سيراميك الألومينا، ولكن البلورات الأكثر استخدامًا حاليًا هي α-Al2O3 وγ-Al2O3 فقط. ونظرًا لاختلاف بنيتها البلورية، فإن خصائصها تختلف. من بينها، يُعد α-Al2O3، المعروف أيضًا باسم الكوراندوم، الطور البلوري الرئيسي لسيراميك الألومينا، ويتميز بقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة عالية لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة للتآكل.
يُعتقد عمومًا أن المنتجات التي تحتوي على نسبة أكالوليوم أعلى من 99.9% هي أكالوليوم عالية النقاء. تتميز الأكاليوم عالية النقاء بخصائص ممتازة، مثل درجة انصهار عالية، وصلابة عالية، ومقاومة كهربائية عالية، وأداء تحفيزي ممتاز، وخواص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة للتآكل والصدأ، وعزل حراري.بدأ استخدام بلورات الألومينا متعددة البلورات عالية النقاء كمواد حيوية وظيفية في جسم الإنسان عام ١٩٦٩. ويُستخدم نوعان من سيراميك الألومينا الدقيق عالي النقاء في الهندسة الطبية: البلورات المفردة والبلورات متعددة البلورات الملبدة. تتميز بلورات الألومينا أحادية البلورة بقوة عالية ومقاومة جيدة للتآكل، ويمكن استخدامها بعد المعالجة في تثبيت الكسور وجذور الأسنان الاصطناعية، وغيرها. أما الألومينا متعددة البلورات، فتتميز بقوة عالية، ويمكن استخدامها في إنتاج المفاصل وجذور الأسنان الاصطناعية والعظام الاصطناعية ومفاصل الورك الاصطناعية ثنائية الكأس، وغيرها.
②استخدام سيراميك الألومينا في المفاصل الاصطناعية
في عام ١٩٧٢، نشر بوتين تقريرًا عن تصنيع مفاصل ورك بشرية من سيراميك الألومينا وتطبيقاتها السريرية، من بين جوانب أخرى. في عام ١٩٧٧، طوّر شيكاتا وآخرون مفصل ورك اصطناعيًا يتكون من رأس فخذ مصنوع من سيراميك الألومينا، ومُلحق حُقّي عالي الوزن الجزيئي من البولي إيثيلين. في عام ١٩٨٢، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (إدارة الغذاء والدواء) رسميًا على الاستخدام السريري في الولايات المتحدة لمفاصل الورك الاصطناعية المكونة من كرات سيراميك ال₂O₃، وحُقّ حُقّي، وسيقان سبيكة كوكرومو.
تتميز سيراميكات الألومينا عالية النقاء بمعامل احتكاك منخفض جدًا وصلابة عالية وقابلية جيدة للبلل، مما يجعلها مناسبة تمامًا للاستخدام كسطوح احتكاك للمفاصل. ووفقًا للوائح إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (إدارة الغذاء والدواء)، لا يمكن استخدام الألومينا عالية النقاء إلا في المجال الطبي، ويجب أن تكون الشوائب التي يمكن أن تشكل أطوار حدودية حبيبية زجاجية (مثل ثاني أكسيد السيليكون، وسيليكات المعادن، وأكاسيد الفلزات القلوية) أقل من 0.1% وزنًا. ويرجع ذلك إلى أن تحلل هذه الشوائب يمكن أن يؤدي إلى تكوين مناطق تركيز إجهاد، حيث تحدث الشقوق. وقد أظهرت الدراسات أنه من خلال اختيار معايير التلبيد المناسبة (درجة الحرارة، والوقت، ومعدل التسخين/التبريد) وإضافات التطعيم (مثل أكسيد المغنيسيوم، وأكسيد الزركونيوم، وأكسيد الكروم)، يمكن التحكم في حجم حبيبات الألومينا ومساميتها، مما يُحسّن بشكل فعال من متانة الألومينا وقوة كسرها.
تُسمى المركبات المُكوّنة من الزركونيا والألومينا بالألومينا المُقوّاة بالزركونيا (زتا) أو الزركونيا المُقوّاة بالألومينا (أي تي زد)، وتلعب دورًا هامًا في مواد المفاصل الصناعية. يعتمد هذان المركبان تحديدًا على محتوى المكونات الرئيسية. فهما يجمعان بين قدرة الزركونيا على التقوية وانخفاض حساسية الألومينا للتحلل في السوائل البيولوجية منخفضة الحرارة. ووفقًا لمتطلبات تصميم المادة، يُمكن اختيار أي تي زد عند الحاجة إلى التأكيد على متانة الكسر العالية، بينما يُمكن استخدام زتا عند الحاجة إلى إبراز الصلابة. حاليًا، لا توجد بيانات سريرية كافية لإثبات أن السطح الحامل لمفاصل زتا يتمتع بمزايا أكبر من حيث مقاومة التآكل. وقد أظهرت الدراسات أن استخدام زتا والألومينا المُقوّاة القائمة على الزركونيا (رابطة لاعبي كرة القدم والمحترفين في زليتن) في جراحة المفاصل أكبر بكثير من استخدام أي تي زد.
③استخدام سيراميك الألومينا في ترميم الفم
يتميز سيراميك الألومينا بشفافية ولون مطابق للأسنان الطبيعية، مع سمية منخفضة. يتميز سيراميك الألومينا بانخفاض موصليته الحرارية بشكل ملحوظ، مما يقلل من تأثير الطعام البارد والساخن على لب السن. يتميز سيراميك الزركونيا بمقاومة ممتازة للتآكل والتآكل ومقاومة عالية للحرارة، ولونه مشابه للأسنان الطبيعية، مما يجعله مناسبًا لترميم الأسنان ومتانته العالية. وفقًا للاختلافات في تركيب الطور وعملية تصنيع مواد سيراميك الألومينا، يمكن تقسيم سيراميك الألومينا المستخدم في مجال ترميم الأسنان الخزفية بالكامل إلى الفئات التالية:
(1) سيراميك الألومينا المتسرب بالزجاج
تسرب الزجاج، واسمه الكامل هو طريقة تسرب الزجاج بالصب الانزلاقي. تتميز مادة الألومينا، باعتبارها مادة مصفوفة، ببنية مسامية، وتتسرب إليها الملونات المحتوية على زجاج اللانثانوم والبورون والسيليكون. بعد التشكيل، تتكون من بنية مجهرية تتداخل فيها أطوار بلورات الألومينا وأطوار بلورات الزجاج. تتميز سيراميكات الألومينا المتسربة بالزجاج بقوة ميكانيكية عالية، مع قوة انحناء تتراوح بين 250 و600 ميجا باسكال، ومقاومة كسر تتراوح بين 3 و4 ميجا باسكال/م². ومن المنتجات النموذجية تاج قاعدة نظام في-سيرام الألومينا من شركة فيتا الألمانية، وهو أيضًا أول نظام ترميم سيراميكي بالكامل قادر على تصنيع جسور ثلاثية الوحدات في منطقة الأسنان الخلفية.
(2) سيراميك الألومينا الكامل عالي النقاء والمتكاثف
يتكون مسحوق الألومينا من أكسيد الألومنيوم بنقاء يصل إلى 99.9%، ويُضغط في جسم أخضر تحت ضغط عالٍ جدًا (تشكيل بالضغط الجاف)، ثم يُلبَّد. تمنح طريقة التشكيل بالضغط سيراميك الألومينا كثافة عالية ومسامية منخفضة. يمكن لهذه المادة الخزفية تحقيق قوة انثناء تتراوح بين 500 و700 ميجا باسكال، ومقاومة كسر تتراوح بين 5 و6 ميجا باسكال/م²، مما يجعلها تُستخدم سريريًا كجسر في منطقة الأسنان الخلفية.
(3) سيراميك الألومينا المقوى بالزركونيا المخترق بالزجاج
يُصنع هذا النوع من السيراميك بإضافة 35% من الزركونيا المستقرة جزئيًا إلى مسحوق سيراميك الألومينا المتسرب بالزجاج. بعد التشكيل، يُلاحظ توزيع موحد للزركونيا رباعية الأضلاع داخل المادة. كما أنها المادة الخزفية الأكثر متانة في سلسلة سيراميك الألومينا. ونظرًا لضعف شفافية سيراميك الألومينا المقوى بالزركونيا، فإنه يُستخدم عادةً في الطب لترميم الأسنان الخلفية حيث لا تكون المتطلبات الجمالية عالية.