علم پزشکی باید پیشرفت خود را مدیون فلز باشد! همزمان با پیشرفت علم پزشکی در دهههای اخیر، استفاده از فلزات و آلیاژهای آن در سلامت انسان، کاربرد فراوانی پیدا کردهاند؛ تا جایی که درمان بسیاری از بیماریها رابطه مستقیم با این عنصر دارند. با این حال هر زمان صحبت از آهن، فولاد یا فلز به میان میآید، اسکلت انواع سازهها، لوازم خانگی، ماشین آلات صنعتی و مواردی مانند آن در ذهن ترسیم میشود. درحالیکه فلزاتی مانند آهن، طلا، نقره، مس، آلومینیوم، تیتانیوم و … خدمات بسیاری به علم پزشکی عرضه داشتهاند؛ از دندان طلای مادربزرگهای قدیم گرفته تا ایمپلنت و ساخت انواع تجهیزات پزشکی مدرن! البته بدن ما انسانها معمولا نسبت به فلزات کاشته شده، حالت تهاجمی از خود نشان میدهد. 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.
اهمیت فلزات و استفاده از ترکیبهای 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 میکنند. در سالهای اخیر فلزات زیادی به لیل کاربردهای درمانی که دارند در بسیاری از بیماریها رونمایی شدهاند، با این حال، تعداد محدودی از آنها به عرصه پزشکی ورود کردهاند. کاربردهای دارویی برخی از فلزات مهم به شرح زیر است:
استنلس استیل یا فولاد ضد زنگ، گروه وسيعی از آلياژهاي ويژه است که مقاومت بالایی در برابر خوردگي دارند. به آنها فولاد زنگ نزن نیز میگویند. این نوع فولاد در حوزه پزشکی، جراحی و بیمارستانی مانند اتوکلاوها، کابینتهای نگهداری وسایل، تختهای جراحی و تجهیزات استریل کننده کاربرد دارد. ابزار و تجهیزات حاصل از آن به دلیل استریل آسان و مقاومت بالا در پزشکی استفاده میشوند. 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 نمیشود 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 میرود.
بر اساس تقسیم بندی دیگر، فولادهای زنگ نزن فریتی، مارتنزیتی و آستنیتی، سه نوع از فولادهای ضدزنگ هستند که بعضا در پزشکی و ایمپلنتها استفاده میشوند. 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 میشود و در نتیجه فولاد ضد زنگ مغناطیسی را تشکیل میدهد.
این فولاد قابلیت سخت شدن داشته و برای ابزار جراحی و برش استفاده میشود. درباره فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیز افزودن نیکل باعث جلوگیری از دگرگونی فاز آستنیت به مارتنزیت، طی سرمایش سریع آلیاژ میشود. 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 سیمهای ارتودنسی کاربرد فراوان دارند. همچنین فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 با حداکثر 0.03 درصد کربن، در ساخت ایمپلنتهای بدن مورد استفاده قرار میگیرد. قیمت ورق استیل نسبت به بسیاری از فلزات مصرفی در حوزه پزشکی، صرفه اقتصادی دارد.
یکی از کاربردهای فلزات در ایمپلنت است؛ ایمپلنت به معنای عام، کاشت درونی است اما این اصطلاح را بیشتر در دندانپزشکی شنیدهایم. عمل ایمپلنت، بخشی از درون کاشت دندانی است که به صورت دندان پروتزی در دهان بیمار، جایگزین دندان طبیعی وی میشود. استفاده از ایمپلنتهای ریشهای، 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 میشد. با این حال، نخستین ایمپلنتهای 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، رایجترین ماده مورد استفاده برای کاشت درون دندانی است و برای ساخت فیکسچر، بریج، اوردنچر و اجزای پروتزی ایمپلنت استفاده میشود.
مهمترین علت استفاده از آلیاژ تیتانیوم برای ایمپلنت، سازگاری خوب آن با بدن است. نارسایی، مقاومت بالا در برابر خوردگی، شرایط ترمودینامیک، ویژگیهای آن در برابر PH و ایجاد یون به میزان کم، از ویژگیهای فیزیکی تیتانیوم است که موجب سازگاری مناسب آن میشود. از دیگر ویژگیهای 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 محکمتر است! همچنین ایمپلنت در مقایسه با هزینههای بالا برای پر کردن، عصب کشی و روکش دندان در دراز مدت، مقرون به صرفهتر خواهد بود. درباره نقش فلزات در انواع ایمپلنت، باید سه نوع ایمپلنت را مد نظر قرار داد:
تیتانیوم مورد استفاده در ایمپلنت دندانی دارای گریدهای مختلف است که از نظر میزان کربن، نیتروژن، آهن و اکسیژن با یکدیگر متفاوت هستند. گریدهای تیتانیوم و اسامی آنها عبارتند از:
در گرید یک، فلز از جنس تیتانیوم خالص است و یک بار عملیات حرارتی کردن برای استحکام ایمپلنت دندانی انجام میشود و بیشترین درجه خلوص و انعطافپذیری در دمای اتاق و کمترین استحکام را دارد. گرید دو به این معناست که دو بار عملیات حرارتی شده و سایر گریدها نیز به همین نحو؛ یعنی هرچه گرید بیشتر شود، تیتانیوم سختتر و در برابر فشارهای آکلوزالی، مقاومتر است و هر چه خلوص تیتانیوم بیشتر باشد، میزان استئواینتگریشن (فرایند اتصال استخوان به ایمپلنت) بیشتر میشود. با این توصیف، بهترین گرید برای ساخت ایمپلنت دندانی، گرید چهار است. چون هم از تیتانیوم است و هم مقاومت خوبی دارد. البته اخیرا استفاده از گرید پنج تیتانیوم افزایش یافته است.
متخصصان معتقدند گرید پنج که TI-6AL-4V (تیتانیوم حاوی شش درصد آلومینیوم و چهار درصد آلیاژ وانادیوم) نامیده میشود، از میزان چسبندگی به استخوان مشابهی با تیتانیوم خالص موجود در بازار برخوردار است و مقاومت کششی و ترک خوردگی بهتری دارد. با این حال، اکنون بیشتر ایمپلنتهای دندانی، همچنان از تیتانیوم خالص بازار شامل گریدهای یک تا چهار ساخته میشوند، اما برخی دیگر دارای گرید پنج هستند. آلیاژ تیتانیوم نسبت به تیتانیوم خالص نوع یک، چهار برابر و نسبت به نوع چهار آن دو برابر قوی تر است و هر چند سختی آن تقریبا شش برابر استخوان کورتیکال متراکم است اما نسبت به دیگر مواد مصنوعی موجود، سازگاری بهتری با بافت استخوان دارد.
ساخت دریچه مصنوعی قلب، ایمپلنتهای 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 میشود. 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 میسازد. از جمله خواص کاربردهای زیست پزشکی میتوان 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 میشوند که 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 ایمپلنتهای اتصال مفصل ران، کاربرد دارد. مزیت دیگر در مورد ساخت تیتانیوم β است. قطعات ریختهگری دقیق شده از آلیاژهای β که به سختی پایدار شدهاند، خواص تقریبا یکسانی با محصولات کار شده دارند.
آمالگام یا پرکننده دندان، از حدود دو قرن پیش برای ترمیم دندان مورد استفاده قرار میگیرد 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 میآید. 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 و قلع، به صورت ترکیبی در آلیاژ آمالگام وجود دارد. نسبت ترکیب دو فلز، فاز گاما نامیده میشود. آلیاژ در ترکیب با جیوه، مقاومترین نوع آمالگام را ایجاد میکند. هر چقدر میزان نقره بیشتر باشد، آمالگام، استحکام بیشتری دارد و در حین سختی، انبساط بیشتری پیدا میکند. اگر قلع آن، بیش از حد باشد، استحکام کاهش یافته و انقباض مختصر مشاهده میشود. همچنین مس باعث سختی و استحکام بیشتر آمالگام و انبساط جزئی میشود. 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، میتوان به مدت طولانی بدون تغییر در خواص، آن را نگهداری کرد.
اکنون، بیش از 50 نوع آلیاژ با استانداردهای بینالمللی در بازار موجود است. تنها تفاوت بین آمالگامها، 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، کوتاهتر و استحکام اولیهشان بیشتر است. همچنین آمالگام تهیه شده از این نوع آلیاژها با دیوارههای حفره دندانی، انطباق بهتری دارند، پرداخت آنها، آسانتر است و سطح صافتری ایجاد میکنند. امروزه آلیاژهای جدید دارای ذرات کروی با ابعاد مختلف، به دندانپزشکان عرضه میشود. این نوع آلیاژ آسانتر با جیوه مخلوط شده و به دلیل سیال بودن بیشتر، هنگام تراکم، احتیاج به فشار زیاد ندارد و سطح پرشده آن نیز یکنواخت است.
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 میشود. از آنجا که طلای خالص، نسبتا نرم است، بنابراین، استفاده از آن، محدود به قسمتهایی 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، ویژگیهای مکانیکی دارند که از طلای خالص برتر است و افزودن مس در زمینه طلا، استحکام آلیاژ حاصله و ویژگیهای مکانیکی آن را بهبود میبخشد. در مجموع از آلیاژهای طلا برای پر کردن، روکش دندان، پلهایی که دندان مصنوعی را به طبیعی وصل میکند و لوازم ارتودنسی استفاده میشود.
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 میشود. 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 میکنند، کسانی که برای عکسبرداری از طریق اشعه ایکس به بیمارستان مراجعه میکنند، اشخاصی که بارها بر روی تختهای بیمارستانی خوابیدهاند، آنهایی که ساعتی را برای معالجه دندان، روی صندلیهای مخصوص دندانپزشکی تکیه زدهاند و افراد معلولی که از ویلچر و واکر برای جا به جایی استفاده میکنند، 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.
در بسیاری از وسایل و تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی، از فلزات گرانبها استفاده میشود که بعدها برای بازیافت بسیار قابل توجه هستند. از دستگاهها و مانیتورهای کنترل کننده وضعیت بیمار، دستگاههای الکترونیکی در اتاق جراحی و آزمایشگاه که دارای بردهای الکترونیکی با کارکرد پزشکی هستند، میتوان 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 بیمارستانها، سنسورهای اکسیژن یا تشخیص آتشسوزی نیز ممکن است فلزاتی مانند طلا، پلاتین یا پالادیوم داشته باشند و یا فیلمهای رادیولوژی و لیتوگرافی که بعضا در انبار بیمارستانها باقی ماندهاند، دارای نقره هستند. از این رو، جمع آوری دستگاهها و تجهیزات پزشکی مستعمل در محیطهای درمانی اعم از بیمارستانها، آزمایشگاهها، مطبها و کلینیکها و بازیافت آنها، تجارت ارزشمندی در عرصه فلزات پرکاربرد در پزشکی محسوب میشود.