على مر العصور الماضية ساهم الخزف الحيوي في تحسين نوعية الحياة لكافة الأشخاص، فقد استُخدمت هذه المواد المصممة خصيصاً من أكسيد الألومنيوم متعدد الكريستالات والزجاج وأكسيدات الزركونيوم ومركبات البولي إيثيلين هيدروكسيباتيت بنجاح في إصلاح وإعادة بناء واستبدال الأجزاء التالفة، تم استخدام القشور الخزفية المسامية أو الجسيمات من فوسفات الكالسيوم بنجاح كمواد قابلة للامتصاص لتطبيقات منخفضة القوة الميكانيكية مثل إصلاح الفك أو الرأس.
كيف يتم تصميم الخزف؟
تشكل المواد النشطة بيولوجياً طبقة نشطة بيولوجياً على سطح الغرسة، مما يؤدي إلى تكوين رابطة بين الأنسجة الطبيعية والمادة، مجموعة واسعة من معدلات الترابط وسمك طبقات الترابط البينية ممكنة عن طريق تغيير تركيبة المادة النشطة بيولوجيا، تشتمل المواد النشطة على الزجاج والخرف على أساس أنظمة ثاني أكسيد السيليكون والفوسفات التي تحتوي على الأباتيت وهيدروكسيباتيت الاصطناعي الكثيف ومركبات البولي إيثيلين هيدروكسيباتيت.
يعتمد أداء العظم الاصطناعي على تكوينه واستخدامه النهائي، وبالتالي فإن الاختيار الدقيق للمواد المناسبة ذات الخصائص المناسبة أمر مهم، يستخدم برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر أيضاً لتحسين الشكل ومحاكاة السلوك الميكانيكي للخزف مع الأنسجة العظمية المحيطة.
يتم استخدام تقنية رياضية تسمى تحليل العناصر المحدودة لتحديد توزيع الضغط على كل من الزرع والبنية البيولوجية، ثم تصنع النماذج الأولية التي تخضع لاختبار الخصائص وكذلك الاختبارات السريرية قبل الإنتاج النهائي.
مواد أولية لصناعة الخزف:
عادة ما تكون المادة الخام الرئيسية عبارة عن مسحوق خزفي ذو تركيبة محددة ونقاء عالي، تشمل الإضافات مواد رابطة ومواد تشحيم ومواد كيميائية أخرى للمساعدة في عملية تشكيل الشكل، قد يحتوي المسحوق كذلك على مادة مساعدة للتلبيد، مما يساعد مادة الخزف على التكثيف بشكل صحيح أثناء إطلاق النار وأحياناً عند درجة حرارة منخفضة، إذا تم استخدام عملية كيميائية يتم دمج السلائف العضوية والمذيبات في محلول لصنع المنتج النهائي.
كيفية تصنيع الخزف:
اعتماداً على تركيبته يتم تصنيع الخزف الحيوي باستخدام عمليتين؛ عملية السيراميك التقليدية وطريقة كيميائية تسمى هلام محلول، يمكن استخدام طريقتين في طريقة جل سولار، في إحداها يُسمح بتعليق جزيئات صغيرة لتتحول إلى هلام داخل قالب متبوع على الآخر عند 77-176 درجة فهرنهايت لعدة ساعات، مع التجفيف والعديد من العلاجات الحرارية لتثبيت المادة كيميائياً وتكثيفها، يستخدم النهج الآخر محلول السلائف الكيميائية كمادة البداية تليها نفس العملية.
تحضير المواد الخام:
يتم تصنيع مسحوق الخزف في مكان آخر من المواد الخام الملغومة أو المعالجة، قد تكون خطوات التكسير والطحن الإضافية ضرورية لتحقيق حجم الجسيمات المطلوب، يتم وزن مسحوق الخزفيات بالإضافة إلى المواد المضافة بعناية بكميات مناسبة، ثم يتم خلطها في بعض أنواع آلات الخلط المزودة بشفرات أو بكرات دوارة.
في بعض الأحيان يتم الخلط وتقليل حجم الحبيبات في نفس الوقت باستخدام آلة الطحن، تستخدم المطحنة الكروية أسطوانات دوارة مملوءة بالمزيج والوسائط الكروية لتفريق المادة وتقليل حجم الجسيمات، مطحنة الاحتكاك تستخدم خرزات صغيرة ومحرضات دوارة لتحقيق نفس الشيء.
عملية التشكيل:
بعد الخلط تكون مادة الخزف ذات قوام بلاستيكي، وهي الآن جاهزة للتشكيل بالشكل المراد، يمكن استخدام عدة طرق بما في ذلك القولبة بالحقن أو البثق أو الضغط، في القولبة بالحقن يتم تحميل المزيج في أسطوانة ساخنة حيث ينعم، يدفع مكبس فولاذي الخليط الساخن إلى قالب معدني مبرد، يعمل البثق على ضغط المواد في أسطوانة الضغط العالي ثم دفعها للخارج من خلال فتحة قالب ذات شكل خاص.
يتضمن الضغط ضغط المادة في قوالب فولاذية أو يتم وضع المادة في قالب من المطاط داخل زيت عالي الضغط أو أسطوانة ماء مع تطبيق ضغط موحد، نوع آخر من الضغط يسمى الضغط الساخن يجمع بين التشكيل والحرق في خطوة واحدة باستخدام قوالب ساخنة.
التجفيف والحرق:
بعد التشكيل يجب أن يخضع العظم الخزفي لعدة علاجات حرارية؛ الأول يجفف المادة لإزالة الرطوبة باستخدام فرن تجفيف أو حجرة، بعد التجفيف يتم استخدام فرن أو فرن لتسخين المواد عند درجات حرارة عالية لإزالة المواد العضوية وتكثيف المادة، ستعتمد دورة الحرق على تركيبة المواد ويجب تصميمها بمعدلات تسخين مناسبة لمنع التشقق.
التشطيب:
بعد إطلاق النار نحتاج إلى المعالجة من خلال إلى عملية تشطيب واحدة أو أكثر اعتماداً على التطبيق، لتحقيق مواصفات الأبعاد والإنهاء المطلوبة للسطح يتم إجراء عملية الطحن أو التلميع، عادة ما يتطلب طحن وتلميع المواد الصلبة أدوات الماس أو المواد الكاشطة، قد تكون هناك حاجة إلى حفر لتشكيل ثقوب من مختلف الأشكال، إذا كان التطبيق يتطلب ضم مكونين أو أكثر، كما يتم استخدام طريقة اللحام بالنحاس أو التدعيم.
مراقبة الجودة:
أثناء تصنيع مادة أو مكون العظام الخزفي يلزم التحكم في كل خطوة معالجة للتحكم في الخصائص التي تؤثر على الأداء، تشمل تطبيقات الخزف الحيوي إصلاح الجمجمة وعدسة العين وترميم الوجه وزراعة الأسنان وجراحة العمود الفقري وإصلاح قمة الحرقفي وحشوات العظام والأوتار الاصطناعية والمفاصل، يتم تصنيع مسحوق الخزف في مكان آخر من المواد الخام الملغومة أو المعالجة.
قد تكون خطوات التكسير والطحن الإضافية ضرورية لتحقيق حجم الجسيمات المطلوب، بعد الخلط تصبح مادة الخزف جاهزة للتشكيل بالشكل المطلوب، بمجرد تشكيله يجب أن يخضع العظم الخزفي لعدة معالجات حرارية لإزالة المواد العضوية وتكثيف المادة، قد تكون هناك حاجة إلى عملية تشطيب واحدة أو أكثر اعتماداً على التطبيق.
تخضع جميع الفئات الخاصة بالتصنيع لضوابط عامة والتي تتضمن تسجيل كل موقع تصنيع وإدراج الأجهزة الطبية المسوقة وتقديم إشعار ما قبل التسويق لجهاز جديد وتصنيع الجهاز وفقاً للائحة ممارسات التصنيع الجيدة، تتضمن هذه اللائحة متطلبات برنامج ضمان الجودة المستخدم من قبل الشركة المصنعة.
المنتجات الثانوية أو النفايات:
نظراً لأن التحكم الدقيق في عملية التصنيع أمر مهم للغاية فإن النفايات قليلة؛ نظراً لأنه يجب تجنب التلوث لا يمكن إعادة تدوير أي نفايات ناتجة، إلا إذا كانت الخصائص تتطابق مع مادة البداية، في بعض الأحيان يمكن استخدام مواد النفايات لصنع منتجات خزفية أخرى ذات جودة أقل، تشمل المنتجات الثانوية التي يجب التحكم فيها طوال العملية الغبار والانبعاثات العضوية من الحرق.
كما أنه ومن المتوقع مع مرور الأيام أن يتم تحقيق فهم أفضل لتفاعلات العظام الاصطناعية مع المكونات العضوية على المستوى الجزيئي، سيكون من الممكن تكييف الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة مع المتطلبات البيولوجية والأيضية المحددة لأنسجة العظام أو حالات المرض؛ نظراً لأن السكان يواصلون التقدم في السن، فإنّ العظام الاصطناعية ستلعب دور أكثر أهمية في تحسين صحة العديد من الأشخاص حول العالم.
