مقدمه:
انتخاب بیوماده مناسب یکی از مهم‌ترین مراحل در طراحی و تولید پروتز مفصل گیجگاهی فکی (TMJ) است. ماده‌ای که در ساخت این ایمپلنت‌ها استفاده می‌شود باید بتواند نیروهای مکرر ناشی از جویدن، صحبت کردن و حرکات فک را تحمل کند و در عین حال با بافت‌های بدن سازگار باشد.
طبق بررسی Mehrotra و همکاران، یک بیوماده ایده‌آل برای TMJ باید ویژگی‌هایی مانند زیست‌سازگاری بالا، مقاومت در برابر سایش و خوردگی، استحکام مکانیکی مناسب و دوام طولانی‌مدت داشته باشد. علاوه بر این، ایمپلنت باید بتواند ثبات اولیه مناسب ایجاد کند، میکروموشن را کاهش دهد و شرایط مناسبی برای osseointegration فراهم کند.
با این حال، هیچ ماده‌ای به‌تنهایی تمام این ویژگی‌ها را به‌طور کامل ندارد. به همین دلیل در طراحی پروتزهای TMJ معمولاً از چند دسته بیوماده استفاده می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از تیتانیوم و آلیاژهای آن، آلیاژهای کبالت‑کروم، پلیمرهای مهندسی مانند PEEK و همچنین برخی سرامیک‌های زیست‌خنثی.
چرا انتخاب بیومواد در پروتز TMJ اهمیت دارد؟
پروتز TMJ در محیطی قرار دارد که به‌طور مداوم تحت بارهای مکانیکی قرار می‌گیرد. در این مفصل، نیروهای ناشی از جو بالا، **م بارهای چرخه‌ای قابل توجهی ایجاد کنند. بنابراین ماده ایمپلنت باید علاوه بر استحکام بالا، مقاومت خستگی و مقاومت سایشی مناسب نیز داشته باشد.
یکی از چالش‌های مهم در انتخاب بیوماده، تفاوت خواص مکانیکی ایمپلنت با استخوان است. در صورتی که مدول الاستیسیته ایمپلنت بسیار بیشتر از استخوان باشد، پدیده‌ای به نام stress shielding رخ می‌دهد. در این حالت بخشی از بار مکانیکی توسط ایمپلنت جذب می‌شود و استخوان اطراف تحریک مکانیکی کافی دریافت نمی‌کند. این موضوع می‌تواند به مرور باعث کاهش تراکم استخوان و تضعیف بافت اطراف ایمپلنت شود.
در مقاله مرجع اشاره شده که مدول الاستیسیته استخوان کورتیکال حدود ۱۴.۵ گیگاپاسکال است، در حالی که بسیاری از فلزات مورد استفاده در ایمپلنت‌ها سفتی بسیار بیشتری دارند. بنابراین طراحی ایمپلنت باید به گونه‌ای باشد که تعادل مناسبی بین استحکام و تطابق مکانیکی با استخوان ایجاد کند.
تیتانیوم و آلیاژهای آن
تیتانیوم یکی از پرکاربردترین مواد در ایمپلنت‌های پزشکی و به‌ویژه در پروتزهای TMJ است. آلیاژ Ti6Al4V ELI که به‌عنوان گرید پزشکی 23 شناخته می‌شود، در بسیاری از سیستم‌های پروتز مفصل فک استفاده می‌شود.
این آلیاژ ترکیبی از تیتانیوم با مقدار کمی آلومینیوم و وانادیوم است و به دلیل استحکام بالا، مقاومت مناسب در برابر خستگی و زیست‌سازگاری مطلوب شناخته می‌شود. در بسیاری از طراحی‌های پروتز TMJ، بخش مندیبولار و همچنین پیچ‌های فیکساسیون از این آلیاژ ساخته می‌شوند.
یکی از مزیت‌های مهم تیتانیوم امکان بهبود اتصال استخوانی از طریق اصلاح سطح است. در برخی سیستم‌ها سطح داخلی بخش راموس با پاشش پلاسمايی تیتانیوم پوشش داده می‌شود تا چسبندگی استخوان به ایمپلنت افزایش پیدا کند.
با وجود این مزایا، تیتانیوم نیز محدودیت‌هایی دارد. مدول الاستیسیته این آلیاژ حدود ۱۱۰ تا ۱۱۹ گیگاپاسکال است که نسبت به استخوان بسیار بالاتر است. این اختلاف می‌تواند خطر stress shielding را افزایش دهد. به همین دلیل در طراحی‌های جدید تلاش می‌شود با تغییر هندسه ایمپلنت یا ایجاد ساختارهای متخلخل، سفتی کلی سیستم کاهش یابد.
آلیاژهای کبالت‑کروم (CoCrMo)
یکی دیگر از مواد مهم در پروتزهای مفصلی، آلیاژهای کبالت‑کروم‑مولیبدن هستند. این آلیاژها به دلیل مقاومت سایشی بسیار بالا و دوام مکانیکی مناسب شناخته می‌شوند و معمولاً در سطوح مفصلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در سیستم‌های TMJ، ترکیب CoCrMo در برابر پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) برای سطوح مفصلی استفاده می‌شود. این ترکیب می‌تواند اصطکاک و سایش را کاهش دهد و عملکرد مفصل مصنوعی را در طولانی‌مدت بهبود دهد.
با این حال، آلیاژهای کبالت‑کروم نیز مانند تیتانیوم دارای مدول الاستیسیته بسیار بالا هستند. در مقاله مرجع مقدار این مدول حدود ۲۳۵ تا ۲۴۷ گیگاپاسکال گزارش شده است که حتی از تیتانیوم هم بیشتر است. بنابراین این مواد اگرچه از نظر سایش بسیار مقاوم هستند، اما از نظر تطابق مکانیکی با استخوان ایده‌آل محسوب نمی‌شوند.
به همین دلیل معمولاً از این آلیاژها در بخش‌هایی از پروتز استفاده می‌شود که مقاومت سایketone بیشتری نسبت به تطابق مکانیکی دارد.
PEEK و CFR‑PEEK
در سال‌های اخیر پلیمرهای مهندسی مانند PEEK (Polyether‑ether‑ketone) توجه زیادی در حوزه ایمپلنت‌های پزشکی جلب کرده‌اند. PEEK یک پلیمر نیمه‌بلوری و ترموپلاستیک است که چند ویژگی مهم برای کاربردهای پزشکی دارد.
یکی از مهم‌ترین مزایای PEEK رادیولوسنت بودن آن است. برخلاف فلزات، این ماده در تصویربرداری‌های پزشکی مانند CT اختلال ایجاد نمی‌کند و ارزیابی وضعیت استخوان و ایمپلنت بعد از جراحی را آسان‌تر می‌کند.
علاوه بر این، PEEK نسبت به برخی پلیمرهای دیگر مانند UHMWPE مقاومت بهتری در برابر تخریب اکسیداتیو دارد. با این حال، این ماده نسبت به فلزات استحکام مکانیکی کمتری دارد و به همین دلیل برای کاربردهای باربر سنگین محدودیت‌هایی دارد.
یکی دیگر از چالش‌های PEEK، osseointegration ضعیف‌تر نسبت به تیتانیوم است. سطح این ماده به‌طور طبیعی تمایل کمتری به اتصال با بافت استخوانی دارد و در بسیاری از موارد نیاز به اصلاح سطحی یا پوشش‌های زیست‌فعال دارد.
برای بهبود خواص مکانیکی PEEK، گاهی از الیاف کربن برای تقویت آن استفاده می‌شود. این ماده که با نام CFR‑PEEK شناخته می‌شود، استحکام و مقاومت خستگی بالاتری دارد و مدول الاستیسیته آن می‌تواند به مقادیری نزدیک به استخوان کورتیکال برسد. با این حال، شواهد بالینی مربوط به استفاده گسترده از این ماده در پروتزهای TMJ هنوز محدود است.
سرامیک‌ها در پروتز TMJ
سرامیک‌های زیستی مانند alumina و zirconia نیز در برخی سیستم‌های مفصلی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این مواد به دلیل زیست‌خنثی بودن و مقاومت سایشی مناسب شناخته می‌شوند.
زیرکونیا نسبت به آلومینا دارای استحکام خمشی و مقاومت شکست بالاتری است و مقاومت خوبی در برابر رشد ترک‌ها دارد. به همین دلیل در برخی طراحی‌ها به‌عنوان ماده‌ای برای سطوح مفصلی در نظر گرفته شده است.
با این حال، تجربه بالینی نشان داده که استفاده از زیرکونیا در برخی سیستم‌های TMJ با مشکلاتی همراه بوده است. در یکی از سیستم‌های شناخته‌شده، سر کندیل از جنس زیرکونیا به دلیل پدیده aging شتاب‌گرفته و افزایش نرخ شکست در نهایت از بازار خارج شد.
برای بهبود عملکرد سرامیک‌ها، مواد ترکیبی مانند ZTA (zirconia‑toughened alumina) توسعه یافته‌اند. در این مواد، ترکیب آلومینا و زیرکونیا می‌تواند مقاومت شکست را افزایش دهد. با این حال، کاربرد گسترده آن‌ها در پروتز TMJ هنوز در حال بررسی است.
جمع‌بندی: کدام بیوماده بهترین انتخاب است؟
بررسی بیومواد مورد استفاده در پروتز TMJ نشان می‌دهد که هیچ ماده‌ای به‌تنهایی تمام ویژگی‌های مورد نیاز را ندارد. به همین دلیل در بسیاری از سیستم‌های مدرن، ترکیبی از مواد مختلف برای اجزای مختلف پروتز استفاده می‌شود.
به طور کلی:
- تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل استحکام بالا و زیست‌سازگاری مناسب، برای اجزای ساختاری ایمپلنت بسیار رایج هستند.
- آلیاژهای CoCrMo مقاومت سایشی بالایی دارند و برای سطوح مفصلی مناسب هستند.
- PEEK و CFR‑PEEK به دلیل مدول نزدیک‌تر به استخوان و قابلیت تصویربرداری بهتر گزینه‌های امیدوارکننده‌ای محسوب می‌شوند.
- سرامیک‌ها مقاومت سایشی خوبی دارند، اما در کاربرد TMJ با چالش‌هایی مانند شکست و aging مواجه شده‌اند.
در نهایت، انتخاب بهترین بیوماده برای پروتز TMJ به تعادل بین استحکام مکانیکی، مقاومت سایشی، زیست‌سازگاری و تطابق مکانیکی با استخوان بستگی دارد. به همین دلیل طراحی موفق یک پروتز TMJ معمولاً نتیجه ترکیب هوشمندانه چند ماده مختلف در کنار یکدیگر است.
