مواد و آلیاژ های ایمپلنت,تیتانیوم ـ آلومینیوم ـ وانادیوم (Ti-6AL-4V)

کاشتینه یا درون‌کاشت یا ایمپلنت ؛  Implant

نوعی ابزار پزشکی است که برای جایگزینی یک عضو زیستی، حمایت از یک ساختار زیستی آسیب‌دیده یا تقویت ساختار در بخشی از بدن قرار داده می‌شوند. ایمپلنت‌های ارتوپدی و درون‌کاشت‌های دندانی از رایج‌ترین انواع ایمپلنت هستند.

ماده مورد استفاده در ساخت ایمپلنت‏ های اولیه ‏ای که در قرن هجدهم میلادی مورد آزمون قرار می‏گرفتند از جنس طلا یا پلانینیوم بودند. Strock در دهه 30 و 40 میلادی بر روی آلیاژ کبالت ـ کروم ـ مولیبدیوم (Vitallium)کار کرد.

او آزمایشات بافت شناختی بر روی کارایی این آلیاژ و سازگاری نسجی آن انجام داد و بیماران درمان شده را تا 15 سال با موفقیت پیگیری نمود. امروزه ایمپلنت‏ها از انواع آلیاژهای تیتانیوم ساخته می‏شوند که شامل موارد زیر می‏شود:

• تیتانیوم خالص grade 4
• آلیاژ تیتانیوم Ti6AL4Vgrade 5
• Ti6AL4V-ELI: grade 23
• Ti3AL2SV: grade 9
• نانوتیتانیوم nTi: grade 4

تنها ماده دیگری که به جز تیتانیوم هم چنان در ساخت بدنه ایمپلنت به کار برده می‏شود، زیر کونیوم است که البته تعداد کمی از شرکت‏ها این نوع از انواع ایمپلنت را ارائه می‏دهند. مطالعات بافت شناختی نشان داده است که یکپارچگی استخوان با ایمپلنت‏های زیر کونیومی و تیتانیومی ناصاف مشابه است. اگرچه اکثر مطالعات درباره خصوصیات سطحی ایمپلنت ایده آل بر روی انواع تیتانیومی صورت می‏گیرد (Anselme et al 2006)، اما مطالعات نشان داده است که پس از 4 هفته مدفون کردن کامل ایمپلنت‏های زیر کونیومی تا 53% سطح تماس ایمپلنت با استخوان ایجاد می‏شود و جالب تر آن که تراکم استخوان تا 80% تراکم استخوان دست نخورده اطراف می‏رسد (Stadlinger et al 2010).

اگرچه سطح تماس ایمپلنت ـ استخوان در انواع زیر کونیومی مزیتی بر انواع تیتانیومی ندارد، اما تفاوت معناداری را هم نشان می‏دهند.

تماس مستقیم ایمپلنت ـ استخوان و پدیده یکپارچگی استخوانی در هر دو نوع ایمپلنت زیر کونیومی و تیتانیومی ثابت شده است.

در مورد انتخاب ماده سازنده ایمپلنت، شرط سازگار بودن ماده با بافت‏های بیولوژیک لازم است اما کافی می‏باشد. بسیاری از مواد سازگار با نسج توانایی تحمل فشارهای پارافانکشنال وارده روی ایمپلنت را ندارند. موادی همون سیلیکون، هیدروکسی آپاتیت و کربن دارای حداکثر استحکام پایینی هستند و می‏توانند به عنوان ماده اصلی سازنده ایمپلنت به کار برده شوند. امروزه از این گونه مواد تنها به عنوان پوششی بر روی بدنه ایمپلنت استفاده می‏شود.

شایع ترین ماده های مورد استفاده در ساخت ایمپلنت‏ های دندانی تیتانیوم خالص(Commercially pure Titanium cpTi)و آلیاژ تیتانیوم ـ آلومینیوم ـ وانادیوم (Ti-6AL-4V)است. هر چند، تحقیق روی آلیاژهای جدید با ترکیب آهن، مولیبدیوم، منگنز و زیرکونیوم در حال انجام می‏باشد. سازگاری نسجی این آلیاژها به وجود لایه اکسید سطحی که اغلب اکسید تیتانیوم (Tio₂)است باز می‏گردد که به شکل خود بخود پس از تماس فلز با اکسیژن هوا تشکیل خواهد شد. با ساخته شدن این لایه، فلز پایه ایمپلنت به یک ماده سرامیکی غیر فعال از نظر شیمیایی و الکتریکی تبدیل می‏گردد. برای تحریک بیشتر ساخته شدن این لایه می‏توان ایمپلنت‏ها را در محلول‏های اسیدی قرار داد با توجه به روش آماده سازی و استریلیزاسیون، ایمپلنت‏های cpTi دارای لایه اکسیدی به ضخامت nm6-2 می‏باشد (Lausmaa et al 1988). پس از کاشت ایمپلنت؛ آب، یون‏ها، و مولکول‏های بیولوژیکی بسیاری با سطح ایمپلنت واکنش برقرار می‏کنند.

انرژی سطحی، باردار بودن سطح و ترکیب شیمیایی آن از جمله خصوصیات فیزیکی شیمیایی است که با ایجاد تغییر در آن می‏توان روی تداخلات بین ایمپلنت با سلول‏ها و بافت‏های اطراف اثر گذاشت.

به عنوان مثال:در فرآیندی به نام Glow discharge سطح ایمپلنت با گاز خنثی یونیزه‏ای همچون دگرگون به گونه‏ای آماده می‏شود که انرژی سطح افزایش یابد که این سطح جدید باعث جذب مولکول‏های بیولوژیک و بهبود رفتار سلولی و بافتی خواهد شد. این نوع پاسخ بافتی دارای پیچیدگی‏های خاص خود است. مثلاً در مورد روش فوق باید گفت که این سطح با انرژی بالایی که دارد برای افزایش چسبندگی بافت نرم مفید، اما بر روی بهبود تداخل ایمپلنت با استخوان بی اثر بوده است (Wennerberg et al 1991).

با توجه به نقش نیروهای الکترواستاتیک در بسیاری از وقایع بیولوژیک، باردار کردن سطح ایمپلنت روشی کاساز در بهبود تداخلات بافتی خواهد بود. به نظر می‏رسد ایجاد بار مثبت یا منفی باعث تسهیل در ساخت استخوان می‏شود. تحقیقات زیادی روی پوشش ایمپلنت با فسفات کلسیم انجام شده است، چرا که تصور می‏شد به دلیل شباهت ساختار شیمیایی آن با استخوان امکان تداخل بهتری به وجود خواهد آمد. اما در این مورد هم مشکلی بروز نمود و آن امکان ترک خوردگی و حل شدگی در این پوشش و جدا شدن آن از ماده فلزی زیرین (delamination)بود، که باز تأکیدی است بر آن که با تغییر یک عامل مؤثر از نظر تئوری می‏توان به بهبود عملی و پایداری نتایج آن مطمئن بود و انجام مطالعات بالینی جهت اثبات کارایی بالینی هر روش و طراحی جدیدی لازم و ضروی است (Jarcho 1992).

تایتانیوم و آلیاژهای آن سال‏ها است که به شکل موفقیت آمیزی در ساخت ایمپلنت‏های دندانی و ارتوپدی به کار گرفته شده اند. چرا که با تشکیل لایه اکسید Tio₂ روی آن، سازگاری سنجی خوبی با بافت‏های اطراف ایجاد می‏گردد. ترکیب مطلوب خصوصیات مکانیکی و فیزیکی را می‏توان در آلیاژ تایتانیوم ـ آلومینیوم ـ وانادیوم (Ti-6AL-4V)مشاهده نمود. آلیاژ تایتانیوم نسبت به تایتانیوم خالص نوع یک 4 برابر و نسبت به نوع چهار آن دو برابر قوی تر است. اگرچه سختی آن تقریباً 6 برابر استخوان کورتیکال متراکم است، اما نسبت به دیگر مواد مصنوعی در دسترس سازگاری بهتری را با بافت استخوان نشان می‏دهد.

استحکام در برابر نیروهای لحظه‏ ای و کوتاه مدت تنها عامل تعیین کننده می‏باشد. گاهی نیرویی اندک ولی مستمر باعث ایجاد خستگی (Fatigue)در ماده شده منجر به ایجاد ترک ریز و شکستگی در آن خواهد شد. نیروهای مایل نیز می‏ توانند اثر مخرب فراوانی بر جای گذارند. ایمپلنت‏ های دندانی به گونه‏ ای طراحی می‏شوند که حداکثر استحکام را در برابر نیروهای اگزیالی که موازی محور طولی وارد می‏شوند داشته باشند ولی نیروهای خمشی می‏توانند بر اثر فشارهای حاصل از براکسیزم تماس زودرس یا بر روی ایمپلنت‏ هایی که با زاویه قرار داده شده باشند وارد آیند. هیچ ایمپلنت ریشه ‏ای شکلی به شکل خاص برای تحمیل نیروهای خمشی مستمر طراحی نشده است، لذا در طرح درمان بایستی از وارد شدن نیروهای خمشی و عرضی بر ایمپلنت جلوگیری شود.