آلیاژهای جدید امیدبخش کاهش هزینه اندام‌های مصنوعی

آلیاژهای جدیدی با سمیت کمتر، ارزان‌تر و سخت‌تر می‌توانند امیدبخش توسعه اندام‌های مصنوعی باشند.

کد خبر: ۵۴۶۹۹۰

تاریخ: ۰۶ آذر ۱۴۰۱ - ۱۳:۴۶

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از فیز، تیتانیوم، فلزی قوی، مقاوم و نسبتا سبک بوده و خواص آن نیز به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. دانشمندان موارد زیادی در مورد آن می‌دانند. همه این‌ها این فلز را به پایه‌ و اساسی ایده‌آل برای شکل دادن به اندام‌های مصنوعی به‌ ویژه زانو و دندان تبدیل کرده است. احتمال زنگ زدگی آن نسبت به سایر فلزات کمتر است و همانطور که تحقیقات نشان داده نسبت به فولادهای ضد زنگ و مواد مبتنی بر کبالت با بدن انسان سازگارتر است.

اما یک مشکل اساسی وجود دارد: تیتانیوم ارزان نیست. دسترسی به اطلاعات دقیق در این مورد دشوار است، اما هزینه متوسط ‌پروتزهای مبتنی بر تیتانیوم بین ۳۰۰۰ تا ۱۰ هزار دلار آمریکا است. این مبلغ برای اکثر مردم گران است.

یک مطالعه جدید در مورد جنوب صحرای آفریقا به استثنای آفریقای جنوبی که امکانات بهتری برای چنین روش‌هایی نسبت به سایر کشورهای این قاره دارد نشان می‌دهد که ۶۰۶ تعویض مفصل ران و ۷۶۳ زانو بین سال‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۸ انجام گرفته است. بسیاری از افراد در این منطقه احتمالاً نیاز به تعویض مفصل دارند، اما این کار را انجام نمی‌دهند زیرا آنها نمی‌توانند از پس هزینه‌های این فرآیند برآیند و با افزایش جمعیت جهان، تقاضا برای ایمپلنت در افراد ۶۵ سال به بالا افزایش خواهد یافت. این گروه سنی مستعد ابتلا به بیماری‌هایی مانند پوکی استخوان و آرتروز هستند.

به همین دلیل است که محققان در حال کار بر روی تولید مواد ارزان‌تر مبتنی بر تیتانیوم هستند که بتوان از آن برای ساخت اندام‌های مقرون‌به‌صرفه استفاده کرد. در جدیدترین مطالعه، محققان عناصر فلزی مانند تیتانیوم، آلومینیوم، آهن و وانادیم را آزمایش کردند تا آلیاژهای جدیدی ایجاد کنند. آنها هر کدام از این موارد را در محلولی که شبیه به مایعات بدن انسان است، مورد آزمایش قرار دادند و دریافتند که آلیاژهای جدید، زنگ زدگی ناچیزی در محلول نشان می‌دهند. آلیاژهای جدید، که کمی ارزان‌تر از آلیاژ تجاری هستند، به همان خوبی عمل کردند و حتی یک آلیاژ از موارد تجاری بهتر بود.

تیتانیوم خالص در مقابل آلیاژهای تیتانیوم

بزرگترین مزیت تیتانیوم در ساخت زانو و دندان‌های مصنوعی بی‌خطر بودن آن در بدن انسان است زیرا این فلز در مواجهه با مایعات بدن به راحتی تجزیه نمی‌شود.

با این حال، هنگامی که تیتانیوم به شکل خالص خود مورد استفاده قرار می‌گیرد، فاقد استحکام و مقاومت کافی در برابر ساییدگی‌های ناشی از فعالیت‌های انسانی است.

به همین دلیل عناصر فلزی دیگری به آن اضافه می‌شود. به عنوان مثال می‌توان به آلومینیوم، وانادیم، زیرکونیم، تانتالیوم، نیوبیم، مولیبدن و آهن اشاره کرد. دانشمندان از این عناصر و سایر عناصر برای ایجاد آلیاژهای جدید استفاده می‌کنند که در برابر سایش قوی‌تر و مقاوم‌تر هستند.

در حال حاضر بیشترین آلیاژ مورد استفاده در اعضای مصنوعی "Ti-۶Al-۴V" است که از ۹۰٪ تیتانیوم، ۶٪ آلومینیوم و ۴٪ وانادیم تشکیل شده و اگرچه موثر عمل می‌کند اما دو اشکال عمده دارد. اولین مورد هزینه‌بر بودن است. وانادیم تقریباً به اندازه تیتانیوم گران است و مورد دوم سمی بودن است: آلومینیوم و وانادیم در مقادیر زیاد، سمی هستند. هنگامی که مواد از طریق خوردگی تجزیه می‌شوند، یون‌ها در بدن آزاد شده و می‌توانند باعث بروز التهاب مزمن شوند. این یون‌ها همچنین با بیماری آلزایمر مرتبط هستند.

محققان در این مطالعه، مقدار آلومینیوم و وانادیوم اضافه شده به آلیاژ "Ti-۶Al-۴V" را کاهش دادند تا مواد جدید مبتنی بر تیتانیوم بسازند. آنها همچنین آلومینیوم را کنار گذاشتند و وانادیوم را به طور کامل با آهن جایگزین کردند تا ماده ارزان‌تر دیگری بر پایه تیتانیوم بسازند.

سپس بررسی کردند که آیا این مواد وقتی در شبیه‌ساز مایعات بدن انسان غوطه‌ور می‌شوند به سرعت تخریب می‌شوند یا خیر. آنها از محلولی به نام محلول نمک متعادل استفاده کردند که حاوی مواد اصلی موجود در مایعات بدن انسان است و در نهایت آلیاژ تیتانیوم جدید را با آلیاژ تجاری "Ti-۶Al-۴V" مورد مقایسه قرار دادند.

یافته‌ها

تقریباً همه آلیاژهای جدید بهتر از "Ti-۶Al-۴V" در محلول نمک عمل کردند. آنهایی که در محلول بدتر عمل کردند نیز هم تراز "Ti-۶Al-۴V" بودند. هیچ یک از آلیاژهای جدید بیش از ۰.۱۳ میلی متر در سال تجزیه نشد که حداکثر نرخ تخریب مجاز برای مواد مورد استفاده در ایمپلنت‌ها است.

آلیاژهای عاری از وانادیوم و آلومینیوم عملکرد خوبی داشتند. آنها به طور بالقوه ایمن‌تر از "Ti-۶Al-۴V" هستند زیرا سطح سمیت کمتری دارند.

از همه‌ی این موارد مهم‌تر، تولید آلیاژهای جدید ارزان‌تر از "Ti-۶Al-۴V" بود. آنها روی ساخت واقعی اندام‌های مصنوعی کار نکردند و این تحقیقات بر ترکیب شیمیایی آلیاژها تمرکز داشت. بنابراین نمی‌توان گفت که در صورت استفاده از این آلیاژها در اندام‌های مصنوعی، چه میزان در هزینه نهایی صرفه‌جویی خواهد شد. اما، صرفاً با تغییر مواد اولیه می‌توان تا ۱۰٪ در هزینه‌ها صرفه‌جویی کرد.

گامی امیدوارکننده

از سال ۲۰۳۰ و پس از آن، افراد مسن بیشتری در کشورهای در حال توسعه مانند کشورهای سراسر قاره آفریقا ساکن خواهند شد. با افزایش این جمعیت، احتمال افزایش تقاضا برای اندام مصنوعی نیز وجود دارد. به همین دلیل است که شناسایی مواد مقرون به صرفه و ایمن بسیار مهم است. این تحقیقات گامی امیدوارکننده برای رسیدن به این هدف است.