چه نوع فلزاتی در چه شاخه های پزشکی کاربرد دارند؟

علم پزشکی باید پیشرفت خود را مدیون فلز باشد! همزمان با پیشرفت علم پزشکی در دهه های اخیر، استفاده از فلزات و آلیاژهای آن در سلامت انسان، کاربرد فراوانی پیدا کرده اند؛ تا جایی که درمان بسیاری از بیماری ها رابطه مستقیم با این عنصر دارند. با این حال هر زمان صحبت از آهن، فولاد یا فلز به میان می آید، اسکلت انواع سازه ها، لوازم خانگی، ماشین آلات صنعتی و مواردی مانند آن در ذهن ترسیم می شود.

درحالیکه فلزاتی مانند آهن، طلا، نقره، مس، آلومینیوم، تیتانیوم و … خدمات بسیاری به علم پزشکی عرضه داشته‌ اند؛ از دندان طلای مادربزرگ‌ های قدیم گرفته تا ایمپلنت و ساخت انواع تجهیزات پزشکی مدرن! البته بدن ما انسان‌ ها معمولا نسبت به فلزات کاشته شده، حالت تهاجمی از خود نشان می‌ دهد. به طور کلی واکنش بین مایعات بدن و فلزات، منجر به اکسیده شدن این عنصر خواهد شد. به هر حال هنوز هم متخصصین در حال یافتن آلیاژی هستند تا مقاومت بیشتری (نسبت به نوع قبلی) از خود نشان دهد و با بدن انسان سازگاری بیشتری داشته باشد و این مسیر انتها نخواهد داشت.

انواع فلزات مورد استفاده در پزشکی

در پزشکی برای ساخت پوشش داروها از کدام فلز استفاده می شود و انتخاب فلز مناسب اهمیت زیادی دارد. فلزاتی مانند آلومینیوم که قیمت آلومینیوم مناسبی دارند، در بسته بندی داروها و قرص ها به صورت فویل به کار می روند تا دارو در برابر رطوبت و نور محافظت شود. عنصر فلزی سفید که در ساخت وسایل جراحی استفاده می شود، معمولا فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای تیتانیوم است که مقاومت و استحکام بالایی دارند و می توانند استریل شوند. این فلزات در ساخت ابزارهای جراحی، تجهیزات آزمایشگاهی و پوشش های محافظ داروها کاربرد فراوان دارند و با بدن انسان سازگار هستند.

کاربرد فلزات در شاخه‌ های مختلف پزشکی

فراوان ترین عنصر فلزی بدن یعنی کلسیم و فلز پرمصرف در دندانسازی مانند آمالگام شامل نقره، قلع و جیوه، نقش مهمی در تقویت بافت ها و ترمیم دندان ها دارند. فلزی شکننده در داروسازی مانند جیوه در برخی ترکیبات آمالگام استفاده می شود تا ساختار پرکننده دندان مناسب باشد.

همچنین فراوان ترین عنصر فلزی در بدن، کلسیم، در کنار سایر فلزات برای ایمپلنت ها و تجهیزات ارتوپدی استفاده می شود و با توجه به نوسانات قیمت آهن، انتخاب فلز مناسب برای تجهیزات پزشکی از نظر اقتصادی نیز اهمیت دارد و کاربرد فلزات در شاخه‌ های مختلف پزشکی نشان می دهد که هر فلز با توجه به ویژگی های زیستی و مکانیکی خود، جایگاه ویژه ای در مراقبت و درمان انسان دارد.

کاربرد فلزات در دارو سازی و نانو فناوری

اهمیت فلزات و استفاده از ترکیب های آلی فلزات واسطه در داروسازی روز به روز در حال گسترش است. دارو هایی که پایه آنها بر اساس فلزات است، نقش موثری در درمان بیماران ایفا می کنند. در سال های اخیر فلزات زیادی به لیل کاربردهای درمانی که دارند در بسیاری از بیماری ها رونمایی شده اند، با این حال، تعداد محدودی از آنها به عرصه پزشکی ورود کرده اند. کاربردهای دارویی برخی از فلزات مهم به شرح زیر است:

آهن: درمان های فوتودینامیک، کاهش فشار خون، افزایش غلظت فسفات

طلا: ورم روماتوئید، آسم، مالاریا، سرطان، عفونت های باکتریایی

نقره: امراض پوستی، عفونت های انگلی و میکروبی، عوامل تشخیصی و تصویربرداری

مس: عوامل تشخیصی و تصویربرداری، پرتو درمانی، درمان های فوتودینامیک

پلاتین: تومورهای بدخیم، عفونت های میکروبی و ویروسی، درمان های فوتو دینامیک

منیزیم: ملین، پرکاری غدد، ضد اسید

کبالت: عوامل تشخیصی و تصویربرداری، ویتامین B12، درمان های فوتو دینامیک

کروم: دیابت، عوامل تشخیصی و تصویربرداری

جیوه: نارسایی قلبی، درمان زخم، عامل مدرر، عفونت های میکروبی

کاربرد فولاد زنگ‌ نزن در تجهیزات پزشکی

استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ، گروه وسیعی از آلیاژهای ویژه است که مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند. به آنها فولاد زنگ نزن نیز می گویند. این نوع فولاد در حوزه پزشکی، جراحی و بیمارستانی مانند اتوکلاوها، کابینت های نگهداری وسایل، تخت های جراحی و تجهیزات استریل کننده کاربرد دارد. ابزار و تجهیزات حاصل از آن به دلیل استریل آسان و مقاومت بالا در پزشکی استفاده می شوند. در بین فولادهای ضد زنگ، استنلس استیل 304 با توجه به خواص و قیمت آن، به عنوان یکی از پرکاربردترین گریدها در پزشکی و ساخت ابزارآلات است.

قابلیت کشش عمیق این آلیاژ، برای ساخت سینک و ظروف پزشکی بسیار مناسب است. ورژن کم کربن آن با نام L304، دارای قابلیت جوشکاری، به منظور تولید قطعاتی که ساخت آنها، جوش مستحکم نیاز دارد، مناسب است. این نوع فولاد به خاطر قابلیت کاربری در دماهای بسیار پایین، دچار ترد یا شکست نمی شود و مقاومت آن موجب شده برای تولید قطعات با استحکام بالا نیز استفاده شود. علاوه بر آن، فولاد زنگ نزن 316، به دلیل حضور مولیبدن در ساختار خود، قابلیت سخت کاری و تیزکاری بهتری نسبت به فولاد 304 دارد و معمولا برای ساخت سوزن، قیچی و سایر ابزار برنده به کار می رود.

بر اساس تقسیم بندی دیگر، فولادهای زنگ نزن فریتی، مارتنزیتی و آستنیتی، سه نوع از فولادهای ضدزنگ هستند که بعضا در پزشکی و ایمپلنت ها استفاده می شوند. البته فولادهای زنگ نزن فریتی که حرارت ناپذیرند و قابلیت سخت شدن ندارند، کاربرد چندانی در پزشکی نداشته و بیشتر در ساخت ظروف نگهدارنده مواد غذایی و شیمیایی به کاربرد دارند. فولاد زنگ نزن مارتنزیتی دارای 11 تا 18 درصد کروم بوده و از ناحیه آستنیتی با سرعت سرد می شود و در نتیجه فولاد ضد زنگ مغناطیسی را تشکیل می دهد.

این فولاد قابلیت سخت شدن داشته و برای ابزار جراحی و برش استفاده می‌ شود. درباره فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیز افزودن نیکل باعث جلوگیری از دگرگونی فاز آستنیت به مارتنزیت، طی سرمایش سریع آلیاژ می‌ شود. فولاد ضدزنگ آستنیتی 302 و 304 دارای 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل بوده و به ترتیب 0.15 درصد و 0.08 درصد کربن دارند. این آلیاژ در ساخت سیم‌ های ارتودنسی کاربرد فراوان دارند. همچنین فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 با حداکثر 0.03 درصد کربن، در ساخت ایمپلنت‌ های بدن مورد استفاده قرار می‌ گیرد. قیمت ورق استیل نسبت به بسیاری از فلزات مصرفی در حوزه پزشکی، صرفه اقتصادی دارد.

کاربرد تیتانیوم در ایمپلنت‌ های پزشکی

مهمترین علت استفاده از آلیاژ تیتانیوم برای ایمپلنت، سازگاری خوب آن با بدن است. نارسایی، مقاومت بالا در برابر خوردگی، شرایط ترمودینامیک، ویژگی های آن در برابر PH و ایجاد یون به میزان کم، از ویژگی های فیزیکی تیتانیوم است که موجب سازگاری مناسب آن می شود. از دیگر ویژگی های ممتاز تیتانیوم، عدم پوسیدگی و استحکام نوع مرغوب و با کیفیت آن است که استفاده از آن برای کاشت دندان، حتی از دندان طبیعی نیز محکم تر است! همچنین ایمپلنت در مقایسه با هزینه های بالا برای پر کردن، عصب کشی و روکش دندان، و با توجه به نوسانات قیمت آلومینیوم در مواد جانبی، در درازمدت مقرون به صرفه تر خواهد بود. درباره نقش فلزات در انواع ایمپلنت، باید سه نوع ایمپلنت را مد نظر قرار داد:

ایمپلنت Endosteal: این نوع ایمپلنت که از فلز یا فلز پوشش داده شده با سرامیک یا مواد سرامیکی ساخته می شود و بیشتر شبیه یک پیچ یا استوانه یا تیغه ای شکل است که در استخوان فک قرار می گیرد.

ایمپلنت Subperiosteal: این نوع ایمپلنت که از جنس فلز تیتانیوم ساخته می شود، در استخوان و زیر لثه قرار می گیرد تا کاملا به استخوان فک بچسبد.

ایمپلنت Transosteal: این نوع ایمپلنت به شکل یک پین فلزی یا قاب U شکل است که از بین استخوان فک و بافت لثه عبور می کند و به داخل دهان می رسد.

انواع آلیاژهای تیتانیوم در ایمپلنت‌ های پزشکی

یکی از کاربردهای فلزات در ایمپلنت است؛ ایمپلنت به معنای عام، کاشت درونی است اما این اصطلاح را بیشتر در دندانپزشکی شنیده ایم. عمل ایمپلنت، بخشی از درون کاشت دندانی است که به صورت دندان پروتزی در دهان بیمار، جایگزین دندان طبیعی وی می شود. استفاده از ایمپلنت های ریشه ای، قدمت هزاران ساله دارد. حدود 4000 سال قبل در چین از بامبو و 2000 سال پیش در مصر از فلزات گرانبها برای جایگزینی دندان استفاده می شد.

با این حال، نخستین ایمپلنت های دندانی در سال 1932 از جنس استیل ضد زنگ ساخته شد اما حدود 70 سال پیش، در اوایل دهه 1950، دانشمندان طی تحقیقاتی روی استخوان ران خرگوش، متوجه رشد استخوان در اطراف فلز تیتانیوم شدند و با کاربرد آن در دهان، اولین ایمپلنت دندانی در سال 1965 با استفاده از آلیاژ تیتانیوم صورت گرفت. آلیاژ تیتانیوم، رایج ترین ماده مورد استفاده برای کاشت درون دندانی است و برای ساخت فیکسچر، بریج، اوردنچر و اجزای پروتزی ایمپلنت استفاده می شود.

تیتانیوم در پزشکی و زیست پزشکی

ساخت دریچه مصنوعی قلب، ایمپلنت های مفاصل مانند هیپ، زانو، شانه و آرنج و همچنین ساخت ایمپلنت و پین دندان از جمله کاربردهای آلیاژهای پایه تیتانیوم در پزشکی است. اخیرا از تیتانیوم برای ساخت ابزار پزشکی مثل سوزن و قیچی نیز استفاده می شود. همچنین استفاده از تیتانیوم در حوزه زیست پزشکی نیز بسیار رایج است زیرا این فلز، الزامات مورد نیاز را بهتر از رقبایی مانند فولاد زنگ نزن، آلیاژهای CoCr، نایوبیم و تانتالم با خلوص تجاری برآورده می سازد.

از جمله خواص کاربردهای زیست پزشکی می توان به مقاومت در برابر خوردگی، زیست سازگاری، چسبندگی (رویش درونی استخوان)، استحکام خستگی و فرایند پذیری مناسب مانند ریخته گری، برقراری اتصال و مدول الاستیسیته که باید تا حد ممکن نزدیک به مدول استخوان باشد، اشاره کرد. در این رابطه، سه دسته از آلیاژهای تیتانیوم شامل تیتانیوم تجاری یا CP، تیتانیوم α+β و تیتانیوم β در زیست پزشکی استفاده می شوند.

تیتانیوم CP و آلیاژ Ti-6Al-4V اولین مواد تیتانیومی در کاربردهای زیست پزشکی و دارای بیشترین مصرف هستند. به دلیل تردید در مورد مشکلات سمیت دراز مدت ناشی از وانادیم، آلیاژهای α+β در دهه 1980 و تعدادی از آلیاژهای تیتانیوم β در دهه 1990 توسعه یافتند. دلیل عمده آن، استحکام خستگی بالاتر و مدول الاستیسیته کمتر نسبت به آلیاژهای تیتانیوم α+β بود. این دو خاصیت برای ایمپلنت های اتصال مفصل ران، کاربرد دارد. مزیت دیگر در مورد ساخت تیتانیوم β است. قطعات ریخته گری دقیق شده از آلیاژهای β که به سختی پایدار شده اند، خواص تقریبا یکسانی با محصولات کار شده دارند.

فلزات تشکیل‌ دهنده آمالگام دندانپزشکی

آمالگام یا پرکننده دندان، از حدود دو قرن پیش برای ترمیم دندان مورد استفاده قرار می گیرد و با توجه به تحولات چشمگیر در عرصه پزشکی، طی دهه اخیر از مهمترین و پر کاربردترین مواد مورد توجه محققان و دندانپزشکان است. اکنون آلیاژهای جدید با خواص بهتر برای آمالگام به بازار وارد شده است. آمالگام از ترکیب آلیاژ آمالگام با جیوه به دست می آید. خود آلیاژ آمالگام از فلزات نقره، قلع، مس و مقدار محدودی پلاتین، طلا و یا پالادیوم تشکیل شده، اما مهم ترین فلزات آن، نقره و قلع هستند. مقدار فلزات در آمالگام به شرح زیر است:

نقره: حدود 70 تا 73 درصد

قلع: حدود 25 تا 27 درصد

مس: 2 تا 3 درصد

روی: مقدار بسیار کم

فلزات گران قیمت (پلاتین، طلا و پالادیوم)

نقره و قلع، به صورت ترکیبی در آلیاژ آمالگام وجود دارد. نسبت ترکیب دو فلز، فاز گاما نامیده می شود. آلیاژ در ترکیب با جیوه، مقاوم ترین نوع آمالگام را ایجاد می کند. هر چقدر میزان نقره بیشتر باشد، آمالگام، استحکام بیشتری دارد و در حین سختی، انبساط بیشتری پیدا می کند. اگر قلع آن، بیش از حد باشد، استحکام کاهش یافته و انقباض مختصر مشاهده می شود. همچنین مس باعث سختی و استحکام بیشتر آمالگام و انبساط جزئی می شود. ضمن اینکه مقدار بسیار کمی روی، برای جلوگیری از سیاه شدن آمالگام در اثر اکسیداسیون، لازم است.

فلزات گران قیمت نیز تاثیر چندانی بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی آمالگام ندارند. برای تسریع در ملغمه شدن (مخلوط کردن چند فلز)، بعضی آلیاژها نیز دارای سه درصد جیوه هستند. اگر آلیاژ آمالگام دور از حرارت نگهداری شود، می توان به مدت طولانی بدون تغییر در خواص، آن را نگهداری کرد. اکنون، بیش از 50 نوع آلیاژ با استانداردهای بین المللی در بازار موجود است.

تنها تفاوت بین آمالگام ها، اندازه و شکل ذرات آن است؛ اما خواص فیزیکی آنها تقریبا مشابه است. البته ذرات پودر ممکن است به صورت براده یا کروی و بسیار ریز باشند اما اخیرا مصرف آلیاژهایی با ذرات بسیار ریز، بیشتر مورد توجه هستند؛ زیرا زمان سخت شدن آنها، کوتاه تر و استحکام اولیه شان بیشتر است. همچنین آمالگام تهیه شده از این نوع آلیاژها با دیواره های حفره دندانی، انطباق بهتری دارند، پرداخت آنها، آسان تر است و سطح صاف تری ایجاد می کنند. امروزه آلیاژهای جدید دارای ذرات کروی با ابعاد مختلف، به دندانپزشکان عرضه می شود. این نوع آلیاژ آسان تر با جیوه مخلوط شده و به دلیل سیال بودن بیشتر، هنگام تراکم، احتیاج به فشار زیاد ندارد و سطح پرشده آن نیز یکنواخت است.

کاربرد نانو ذرات طلا در پزشکی

اگر چه طلا، اکنون بیشتر مفهوم زینتی پیدا کرده و بازار آن اعم از زیورآلات، سکه و غیره هر روزه مورد توجه است، اما از این فلز به عنوان یک ماده ترمیمی نیز استفاده می شود. از آنجا که طلای خالص، نسبتا نرم است، بنابراین، استفاده از آن، محدود به قسمت هایی است که در معرض بارگذاری یا فشار بسیار بالا نیستند. از این رو، آلیاژهای طلا به دلیل بی اثر بودن از نظر شیمیایی، آلرژی زا نبودن، مقاومت نسبت به خوردگی و ثبات آنها برای دندانپزشکی، کاربردی هستند. این آلیاژها، ویژگی های مکانیکی دارند که از طلای خالص برتر است و افزودن مس در زمینه طلا، استحکام آلیاژ حاصله و ویژگی های مکانیکی آن را بهبود می بخشد. در مجموع از آلیاژهای طلا برای پر کردن، روکش دندان، پل هایی که دندان مصنوعی را به طبیعی وصل می کند و لوازم ارتودنسی استفاده می شود.

کاربرد آلومینیوم در پزشکی

گرچه تنها برخی از فلزات در حوزه سلامت و پزشکی قابلیت دارند، اما آلومینیوم از پرکاربردترین فلزات در این حوزه است. این فلز، به دلیل مقاومت و استحکام بالا در برابر خوردگی، ضد زنگ بودن، چگالی پایین، غیر سمی بودن، امکان ماشین کاری بالا و سهولت در بازیافت، از جمله فلزاتی است که در صنایع و تجهیزات پزشکی و فضای بیمارستانی قابل استفاده است و جزء فلزات برتر در عرصه بهداشت و سلامت محسوب می شود. کاربرد دیگر آلومینیوم، خاصیت آبکاری آن است که این امر، موجب افزایش مقاومت آن در برابر ساییدگی و خراشیدگی است.

بیمارانی که به دیالیز مبتلا هستند و از تجهیزات و امکانات پزشکی در این زمینه استفاده می کنند، کسانی که برای عکسبرداری از طریق اشعه ایکس به بیمارستان مراجعه می کنند، اشخاصی که بارها بر روی تخت های بیمارستانی خوابیده اند، آنهایی که ساعتی را برای معالجه دندان، روی صندلی های مخصوص دندانپزشکی تکیه زده اند و افراد معلولی که از ویلچر و واکر برای جا به جایی استفاده می کنند، فلز آلومینیوم به نوعی در زندگی آنها نقش داشته است، حتی اگر خودشان آگاه نباشند! کاربردهای اصلی این فلز، در زمینه ساخت انواع تخت بیمارستانی، ساخت انواع یونیت صندلی دندانپزشکی، ساخت انواع ویلچر، واکر و برانکارد، تجهیزات مربوط به دیالیز بیماران کلیوی و عکسبرداری به وسیله اشعه ایکس، بسیار حائز اهمیت است.

تجارت پرسود بازیافت فلزات پزشکی

در بسیاری از وسایل و تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی، از فلزات گرانبها استفاده می شود که بعدها برای بازیافت بسیار قابل توجه هستند. از دستگاه ها و مانیتورهای کنترل کننده وضعیت بیمار، دستگاه های الکترونیکی در اتاق جراحی و آزمایشگاه که دارای بردهای الکترونیکی با کارکرد پزشکی هستند، می توان طلا و نقره استخراج کرد یا انبر و موچین ممکن است از پلاتین ساخته شده یا با آن آبکاری شده باشند که بازیافت آنها برای استخراج این فلزات، حائز اهمیت است.

ابزارهای صنعتی مانند ترموکوپل در تهویه بیمارستان ها، سنسورهای اکسیژن یا تشخیص آتش سوزی نیز ممکن است فلزاتی مانند طلا، پلاتین یا پالادیوم داشته باشند و یا فیلم های رادیولوژی و لیتوگرافی که بعضا در انبار بیمارستان ها باقی مانده اند، دارای نقره هستند. از این رو، جمع آوری دستگاه ها و تجهیزات پزشکی مستعمل در محیط های درمانی اعم از بیمارستان ها، آزمایشگاه ها، مطب ها و کلینیک ها و بازیافت آنها، تجارت ارزشمندی در عرصه فلزات پرکاربرد در پزشکی محسوب می شود.

کاربرد فلزات در ارتوپدی و مفاصل مصنوعی

کاربرد فلزات در ارتوپدی و مفاصل مصنوعی یکی از مهم ترین زمینه های پزشکی است که به ساخت ایمپلنت ها، مفاصل مصنوعی و ابزارهای جراحی کمک می کند. فلزاتی مانند تیتانیوم و آلیاژهای آن، فولاد زنگ نزن و کبالت-کروم به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و زیست سازگاری مناسب، در ساخت مفاصل مصنوعی استفاده می شوند. انواع گرید تیتانیوم در این حوزه کاربرد گسترده دارند، زیرا می توان با توجه به نیاز پروژه گرید مناسب را انتخاب کرد تا ترکیبی از سبک بودن، مقاومت مکانیکی و سازگاری با بافت بدن فراهم شود. این فلزات امکان تحمل بارهای زیاد و حرکت طولانی مدت مفاصل مصنوعی را بدون خوردگی یا شکست فراهم می کنند.

ویژگی‌ های فلزات مناسب برای کاربردهای پزشکی

ویژگی‌ های فلزات مناسب برای کاربردهای پزشکی شامل مقاومت بالا، زیست سازگاری، قابلیت استریل شدن و پایداری شیمیایی در محیط بدن است. تیتانیوم و انواع گرید تیتانیوم به دلیل سبک بودن، مقاومت به خوردگی و سازگاری با بافت های بدن، به عنوان یکی از بهترین گزینه ها شناخته می شوند. فولاد زنگ نزن پزشکی و آلیاژهای کبالت-کروم نیز مقاومت مکانیکی بالا و قابلیت تحمل فشار و ساییدگی را دارند. انتخاب فلز مناسب با ویژگی های مطلوب، نه تنها طول عمر تجهیزات و ایمپلنت ها را افزایش می دهد بلکه خطر واکنش های نامطلوب بدن را به حداقل می رساند.

سوالات متداول