فولاد زنگ نزن – کابرد آن در پزشکی

فولاد زنگ نزن-در ساخت کاشتنی های ارتوپدی، فلزات نقش انکار ناشدنی دارند. در این میان فولادهای زنگ نزن بدلیل تاریخچه مصرف طولانی و در نتیجه رفتار شناخته شده و هم چنین هزینه به نسبت کمتر در مقایسه با دیگر بیومتریال های فلزی و در عین حال زیست سازگاری مناسب در کاربردهای کوتاه مدت،. موقعیت خود را در بین بیومتریالهای فلزی تثبیت کرده اند.

مواد فلزی مورد استفاده در پزشکی

اولین مواد فلزی که بطور موثر در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است.فولاد زنگ نزن است. فولاد زنگ نزن برای کاربردی گسترده ای بدلیل هزینه های پایینتر، دسترسی آسان، خواص مکانیکی عالی، شکل پذیری مناسب،. زیست سازگاری مناسب و استحکام بالا مورد استفاده قرار میگیرد. بیو مواد فلزی در مقایسه با بیو مواد سرامیکی و پلیمری، . خواص قابل توجهی مانند تحمل بیشتر تنش های کششی را دارند که در مورد آلیاژهای آنها،. این کمیت بسیار زیاد خواهد بود.

از موارد مصرف این مواد تحت بارهای زیاد مانند: لگن،زانو،پیچ، کاشت های دندانی خواهد بود. ترکیب آهن و کربن کمتر از حدود 2 درصد را فولاد مینامند. آهن در دمای معمولی مغناطیسی است،. ولی با افزایش دما از 523 درجه به دلیل تغییر جهت نیروی اسپین خاصیت مغناطیسی آهن نیز از بین میرود. به جهت تأثیر مخرب خاصیت مغناطیسی فولادهای فریتی کاشته شدن درون بدن بر روی MRI.،استفاده ی آنها درون بدن بسیار کم است. فولاد پر مصرفترین آلیاژی فلزی مورد استفاده بعنوان بیومتریال است.

آلیاژ آهنی

در علم متالوژی فولاد ضد زنگ، تحت عنوان آلیاژ آهنی با حداقل 10 درصد کروم تعریف میشود. این نام از این جهت قرار داده شده است که فولاد ضد زنگ،. تغییر رنگ نمی یابد و خورده نمیشود. فولادهای زنگ نزن در بسیاری از محیطها، مقاومت بالایی نسبت به خوردگی و اکسید شدن دارند.، با این حال انتخاب نوع صحیح فولاد برای کاربرد خاص از اهمیت زیادی برخوردار است. فراوانی، شکل پذیری، قیمت مناسب،. راحتی کار و استحکام خوب از جمله خصوصیات بارز کاشتنی هایی از جنس فولاد زنگ نزن است.

مقاومت در برابر اکسید شدن در هوا در دمای محیط با افزودن حدود 13 درصد کروم و در محیطهای سخت و خورنده حدود 26 درصد میتواند مناسب باشد. در حال حاضر بیش از 150 نوع مختلف فولاد زنگ نزن معرفی شده است. افزودن نیکل باعث پایدار شدن ساختار آستنیتی آهن میشود. در نتیجه فولادی غیر مغناطیسی بدست می آید. که در دماهای کم نیز مقاومت به شکنندگی بالایی دارد. برای دستیابی به استحکام و سختی بیشتر به آن میتوان کربن اضافه نمود.

نکته ی مهم تشکیل لایه ی غیر فعال اکسید کروم است که بر روی سطح فولاد تشکیل شده و آنرا در برابر خوردگی محافظت مینماید. علاوه بر قسمت های اساسی و اصلی تجهیزات بیمارستانی از فولاد ضد زنگ در پیچ ها، میخ ها، سیم ها و صفحات شکسته بندی، سیم ها و گیره های ارتوپدی و کاشتنی های دندانی، استنت قلبی، کاتترها، سوزن ها ، قیچی های جراحی و … استفاده میگردد.

بیشترین استفاده

بیشترین استفاده از فولادهای زنگ نزن، انواع 316 و L 316 است. نوع L316 توسط انجمن تست مواد آمریکا ASTM برای ساخت کاشتنی ها توصیه میشود.

هدف از این تحقیق این است که با مشکلات فولاد ضد زنگ مرود استفاده در کاربردهای پزشکی آشنا شده و در صدد بر طرف نمودن این مشکلات اعم از مقاومت به سایش کم، مقاومت به خوردگی کم در محیط بدن، مدول الاستیک بالا – در حدود 200 گیگا پاسکال – حدود 10 برابر استخوان – تنش ایجاد شده در محل کاشتنی و استخوان Stress Shielding . سمیت عناصر آلیاژی تلاش شود.

روشهای بررسی

جهت یافتن مستندات مرتبط با موضوع پژوهش از مقالات مروری و چاپ شده در سالهای گذشته و حال استفاده گردیده است . در این شناسایی فولاد زنگ نزن مزایا و معایب آن در کاربردهای پزشکی پرداخته شده است.

فولادهای زنگ نزن

فولاد زنگ نزن نام عمومی برای برخی از فولادها است. آلیاژهای حاوی درصد بالای – 11 الی 30 درصد وزنی کروم و مقادیر مختلف نیکل را فولاد زنگ نزن میگویند. فولادهای زنگ نزن بر اساس ترکیب شیمیایی به دو دسته تقسیم شود:. فولادهای کروم دار و فولادهای کروم – نیکل دارد. فولادهای زنگ نزن بر اساس ریز ساختار به چهار بخش تقسیم میشوند:

بجز فولادهای داپلکس، هریک از سه گروه دیگر از فولادهای زنگ نزن در کاربردها و دستگاههای پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. سختی فولاد زنگ نزن، مارتنزیتی 97HRB است که برای ابزارهای دندانپزشکی و جراحی مناسب هستند. فولاد زنگ نزن فریتی برای ابزارهای پزشکی استفاده میشود.

فولاد زنگ نزن آستنیتی در کاربردهای مختلف پزشکی مانند: مواردی که به مقاومت به خوردگی بالا، استحکام متوسط مورد نیاز است.، استفاده میشود. در این کاربردها اغلب به یک ماده نیاز است که به راحتی به شکل های پیچیده در آید. با این حال، فقط فولاد زنگ نزن آستنیتی برای کاشتنی ها استفاده میشود. از این رو، در این بخش به فولاد زنگ نزن مرود استفاده برای کاشتنی های پزشکی، از جمله نوع 316 L و انواع آن اختصاص داده شده است.

مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن در کاربردهای پزشکی

حداقل درصد کروم در فولاد زنگ نزن 11 درصد وزنی است، مقدار مورد نیاز برای جلوگیری از زنگ زدگی در اتمسفر محیط است. لیست ترکیبات فولاد زنگ نزن 316 L و انواع آن ASMT F138 است. فولاد زنگ نزن L 316 بطور گسترده ای در کاربردهای موقت در بدن استفاده میشود. مانند صفحات شکستگی، پیچها، مفصل ران، و هم چنین در کاربردهای دائمی، مانند جایگزینهای کامل استخوان ران استفاده میشوند.

همانطور که گفته شد. فولاد ضد زنگ دارای مقادیر مختلف کروم و نیکل است. کروم دارای میل بسیار زیادی برای ترکیب شدن با اکسیژن را دارد، که یک فیلم اکسید غنی از کروم به ضخامت 2 نانو متر روی سطح ایجاد میکند. این لایه سطحی، چسبنده است و باعث جلوگیری از خوردگی در محیطهای حاوی اکسیژن میگردد.

وجود نیکل در آلیاژ باعث افزایش مقاومت به خوردگی و هم چنین باعث بهبود خواص مکانیکی میگردد. نیکل اصلی ترین عنصر آلیاژی است که باعث تشکیل آستنیت در آهن میشود. بطور کلی پایدار کننده آستنیت در فولاد زنگ نزن است. با تشکیل فیلم های اکسیدی محافظ روی سطح آلیاژ، باعث افزایش مقاومت به خوردگی میشود.

با توجه به مطالعات انجام گرفته عنصر نیکل برای بدن انسان بسیار سمی است. اضافه کردن عناصر آلیاژی دیگر میتواند مقاومت به خوردگی، خواص فیزیکی و مکانیکی را افزایش دهد. در فولادهای زنگ نزن بطور معمول در نوع خوردگی اتفاق می افتد: 1- خوردگی حفره ای 2 – خوردگی شیاری

خوردگی حفره ای

خوردگی حفره ای یک نوع خوردگی موضعی است. که به وجود آمده سوراخ و خراش روی سطح ایجاد میشود. دلیل ترمودینامیکی برای خوردگی حفره ای، ایجاد یک منطقه کوچک روی سطح که فاقد لایه اکسید – پسیو شده – است.، آند شده در حالیکه منطقه وسیع دیگر کاتد شده است. در این منطقه که فاقد لایه اکسیدی است.، خوردگی گالولنیک موضعی رخ میدهد. علت ایجاد خوردگی حفره ای در فولادهای زنگ نزن، وجود کربن در آلیاژ است. کروم تمایل زیادی به واکنش با کربن دارد و کاربید کروم cr7-cr3-cr2-cr3-c2-در منطقه غنی از کربن تشکیل دهد.

بطور معمول در مرز دانه تشکیل میشود. رسوب کربن و تشکیل کاربید کروم باعث کاهش کروم در اطراف مرزدانه شده و بنابر این وقتی خراش یا حفره ای روی سطح ایجاد شود. کروم لازم برای تشکیل لایه مقاوم به خوردگی اکسید کروم وجود ندارد. و این منطقه کمبود از کروم شده و باعث خوردگی حفره ای میشود. پس در نتیجه مقاومت به خوردگی در اطراف و مرز دانه به دلیل تشکیل کاربید کروم، کاهش می یابد.

برای جلوگیری از خوردگی حفره ای در فولاد زنگ نزن میتوان مولیبدن به آلیاژ اضافه کرد. مولیبدن میل زیادی به ترکیب شدن با کربن را دارد. و باعث تشکیل کاربید مولیبدن میکند.، بنابراین موجب کاهش کاربید کروم میگردد. هم چنین برای افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای باید مقدار کربن کم باشد.

اگرچه کربن موجب افزایش استحکام میگردد. اما مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن نباید از 3 دهم درصد بیشتر باشد. محتوای کربن پایین احتمال تشکیل کاربید کروم را کاهش میدهد. بطور معمول این مکانیزم،. باعث خوردگی درون دانه ها میشود. کاهش مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن L316، سبب افزایش مقاومت به خوردگی در محلول های کلریدی بطور مثال: محیط نمکی فیزیولوژیک در سیستم بدن،. میشود. از سوی دیگر فولاد زنگ نزن در برابر خوردگی توسط یونهای کلریدی آسیب پذیر است. و ترکیبات گوگرد را کاهش میدهد.

وجود ریز جانداردهای زیستی بر روی سطح فلز معمولاً منجر به آسیب های شدید بر روی سطح فلز در غلظت های مختلف ph و اکسیژن و ترکیبات الکترولیتی میگردد. تحقیقات انجام شده بر روی رفتار الکتروشیمیایی و خوردگی فولاد زنگ نزن L316 در باکتریهای کاهش یافته سولفاتی SRB و باکتریهای اکسیده شده هوای IOB نشان داده است. که روابط بین سطح فولاد زنگ نزن و سلولهای باکتریایی، محصولات متابولیکی و این محصولات باعث افزایش آسیب خوردگی و منجر به خوردگی حفره میشود. بیش از 90 درصد شکست کاشتنی های ساخته شده از فولاد زنگ نزن L316 ناشی از خوردگی شیاری و حفره ای با توجه به مطالعات بر روی کاشتنی های بازیابی شده است. برای جلوگیری از خوردگی و حملات یون های فلزی به کاشتنی، میتوان با روش اصلاح سطح و تغییر آلیاژ ماده،. موجب بهبود مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ L316 شد.