مروری بر کاربردهای نانوپوششهای سخت و مقاوم در صنایع پزشکی

از آنجا که فناوری نانو، یک رویکرد جدید به همه علوم و فنون می­باشد، این فناوری کاربردهای زیادی در حوزه پزشکی یافته است. امروزه حوزه پزشکی به دلیل ارائه راه­حل­های جدید و پیشرفته جهت درمان و یا ارتقاء روش­های موجود درمانی بسیار مورد توجه می­باشد. از این­رو این نوشتار صرفا به کاربردهای «فناوری نانوپوشش در صنایعپزشکی» معطوف شده است. به­عنوان مثال ابزارآلات مورد استفاده در جراحی یا ایمپلنت­ها می­بایست ویژگی­هایی از قبیل مقاومت به سایش مناسب، ضد سمیت و خنثی بودن از لحاظ شیمیایی داشته باشند، از این­رو این ابزارآلات نیازمند نانوپوشش ها هستند­.

 

• یکی از چالش­های مهم تجهیزات و قطعات پزشکی

عواملی مانند اصطکاک، سایش و شرایط محیطی در ابزارآلاتو قطعات صنایع پزشکی موجب تخریب سطوح قطعات می­شوند.از این­رو برای حل این چالش، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح»[1] و اعمال نانوپوشش ها توانسته اند درصد تخریب قطعات را کاهش دهند. همچنین به­دلیل حساسیت های بالایبهداشتی و بحث زیست سازگاری، در سال های اخیرفناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است. فناوری نانوپوشش به­دلیل ماهیت نانویی پوشش ها، خواص متفاوت و منحصر به فردی به قطعه خواهد بخشید. افزایش فوق­العاده سختی تا محدوده 50 گیگا پاسکال، ضریب اصطکاک 01/0، خنثی بودن شیمیایی و ظاهر زیبا از جمله ی این خواص می­باشد. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش­ها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.

• انواع نانوپوشش­های سخت و مقاوم

نانوپوشش­ها به دسته­ای از روکش­ها اطلاق می­شود که دارای دو ویژگی زیر باشد:

• در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.
• نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی

 

برای آشنایی بیشتر برخی از پوشش­های مرسوم سنتی و نانوپوشش ها آورده شده است:

دسته بندی انواع پوشش های مرسوم و نانوپوشش­های سخت و مقاوم

	جزء نانو	شماتیک	روش های پوشش دهی	خواص
پوشش متداول	بدون جزء نانومتری		آبکاری HVOF VPS	بهبود خواص عملکردی نسبت به قطعه پایه زیست سازگاری کم
نانوساختار کردن	ساختار سازنده نانومتری		آبکاری نانو PVD  و PACVD EB-PVD و ESD	افزایش مقاومت به خوردگی افزایش پایداری حرارتی افزایش مقاومت به سایش زیست سازگاری بالا
نانوکامپوزیت کردن	پراکنده شدن نانوذرات		آبکاری نانو Nano-HVOF PVD  و PACVD	افزایش سختی سطح افزایش مقاوم به سایش و فرسایش زیست سازگاری بالا
نانولایه کردن	پوشش با ضخامت نانومتری		PVD PACVD	افزایش چقرمگی شکست کاهش ضریب اصطکاک بهبود مقاومت به سایش زیست سازگاری بالا
فرآیند دو مرحله­ای	یکی از موارد فوق + لایه نیتریده شده		Plasma nitriding + PVD  یا PACVD	افزایش عملکرد مکانیکی قطعه افزایش چسبندگی پوشش زیست سازگاریبالا

 

• برخی کاربردهای مهم تجاری­شده نانوپوشش­ها در صنعت پزشکی

کاربردهای نانو پوشش ها در صنایع پزشکی رنج وسیعی از جمله ابزارهای پزشکی (جراحی و دندانپزشکی)، ایمپلنت­های ثابت و موقت، قطعات و تجهیزات مورد استفاده در صنایع داروسازی و سرم سازی و بسیاری از تجهیزات و قطعات الکترونیکی و مکانیکی دقیق را شامل می­شود.

حضور مایعات الکترولیتی در بدن انسان سبب شده است که محیط درونی بدن حتی برای آلیاژهای تیتانیوم و فولاد ضدزنگ بسیار خورنده و فعال باشد. همین موضوع وجود پوشش­هایی را که دارای خواص مکانیکی مناسب بوده و از لحاظ شیمیایی به شدت خنثی باشند را ضروری می کند. مثالهای معمول برای این موارد ایمپلنت­های دندانی یا ارتوپدی نظیر مفاصل پوشش داده شده با کربن شبه الماس (DLC) یا دریچه­های مصنوعی قلب می­باشد. نانوپوششTiN به علت دارا بودن خواص منحصر به فردی که دارد، جاي خود را بیش از پیش در صنعتمهندسي سطح پيدا کرده است. از اين نانوپوشش در بسیاری از تجهيزات و ابزارآلات پزشکي و دندان پزشکي، جراحي، تجهيزات و قطعات صنایع داروسازي، تيغ­ها و چاقوها،ابزارهاي برشي و صنايع تزييني استفاده مي­شود.

 

4-1- اعمال پوشش بر روی ایمپلنت­هایپزشکی و دندان­پزشکی

تجهیزات و ادوات بیوپزشکی برای بهبود و ارتقاء کیفیت زندگی مردم طراحی شده­اند. یک قطعه کاشته شده در بدن می­بایست بدون نقص و عیب عمل کرده و دارای ویژگی­های زیر باشد:

• زیست سازگاری- خنثی بودن از لحاظ شیمیایی (غیرمغناطیسی، غیر همولیتیک و عدم گرمازایی) تا از پس زدن و یا رخ دادن واکنش­های مضر جلوگیری شود.
• اصطکاک پایین- سطوح در حال حرکت باید ضریب اصطکاکخیلی کمی داشته باشند.
• طول عمر بالا- تمامی سطوح یک قطعه کاشته شده در بدن باید دوام و مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشند تا از عملکرد بدون مشکل و طولانی مدت آن­ها اطمینان حاصل کرد.

 

نانو پوشش های سخت و مقاوم، موارد فوق را به میزان بسیار قابل قبولی برای تمامی مواد متداول مانند فولاد­های زنگ­نزن، تیتانیوم، سرامیک­ها و دیگر مواد پیشرفته مورد استفاده در تجهیزات و ابزارآلات پزشکی فراهم نموده است.

شرکت آکری از شرکت­های متخصص در پوشش­دهی دستگاه­ها و قطعات صنایع پزشکی با نانوپوشش ها می­باشد که از جمله می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پوشش­های مقاوم به خوردگی و زیست سازگار برای الکترودهای ضربان­ساز
• پوشش­های مقاوم به سایش و زیست سازگار برای دستگاه کمکی بطن چپ (LVAD)
• پوشش­های DLC برای جایگزین­های مفصل کاشت شده
• کاتترها[2]– شرکت آکری تعدادی از پوشش­ها را برای کاتترها شامل پوشش­های هرمتیک برای جلوگیری از نفوذ آب و سیال، پوشش­های روان­کار و همچنین ساخت الکترودهای پیشرفته برای کاتترها که قابلیت بازخورد و کنترل زمان را می­دهد را توسعه داده است.

این شرکت در حال حاضر بر روی عملکرد و توسعه نانوپوشش های مقاوم برای جایگزینی نسل بعدی اتصالات داخل بدن تحقیق می­کنند.

نانو پوشش TiN معمولا برای جایگزین­های مفصل ران، زانو، شانه و مچ مورد استفاده قرار می­گیرد.ایمپلنت­های پوشش­دهی شده با TiN معمولا دو برابر ایمپلنت­های بدون پوشش در برابر سایش مقاومت می­کنند. در ایمپلنت­های بدون پوشش، در اثر سایش بالا و چسبندگی پایین، تیتانیوم از سطح ایمپلنت جدا می­شود.

اجزای حرکتی مانند مفصل ران، مچ و غیره به سایش خراشان بوسیله ذرات استخوان و یا سیمان استخوانی حساس هستند. بنابراین می­توان با بهره­گیری از نانو پوشش ها بر روی ایملنت­ها از سایش آن­ها جلوگیری کرد و موجب افزایش طول عمر این قطعات گشت. با استفاده از نانو پوشش­هایی بر پایه تیتانیوم، نیوبیم و اکسید زیرکونیوم و همچنین پوشش­های چند جزئی می­توان انتشار یون­ها را کاهش و جذب پروتئین­ها را افزایش داد. امروزه در دنیا ترجیح بر این است که بر روی سطوح تمامی ایمپلنت ها از نانوپوشش های مناسب استفاده شود.شایان ذکر است، این نانوپوشش­ها کیفیت و زیست سازگاری بسیار بالایی از خود نشان داده اند، به نحوی که تمامی این نانوپوشش های ایجاد شده توسط شرکت های مطرح دنیا دارای مجوز FDA هستند.

کاربرد نانوپوشش­ها در صنعت پزشکی.

 

 

 

4-2-اعمال نانوپوشش های سخت و مقاوم بر روی ابزارآلات جراحی

در عمل های جراحی، پزشکان جراح به ابزارآلاتیدقیق و با کارایی بالا نیاز دارند. جنس نانو پوشش­ مورد استفاده بر روی ابزارهای جراحی یک جزء مهم و کلیدی در عملکردشان می­باشد. ابزارهای پوشش­داده شده به روش PVD عملکرد بسیار خوبی را از خود نشان می­دهند، زیرا نانو پوشش­های تولید شده به این روش خواص سطحی ابزارها را بدون تغییر خواص توده موادشان تغییر می­دهند. ابزارهای جراحی نانوپوشش دار براساس کاربردشان، خواص مهمیاز جمله زیست­سازگاری، غیرجهش­زا بودن، غیرهمولیتیک بودن، عدم گرمازایی، مانع شیمیایی و عدم سمیت را از خود نشان می دهند. ابزارهای پوشش­دهی شده تیزی لبه­های ابزارهای جراحی را برای مدت طولانی حفظ می­کند.ابزارهای پوشش­دهی شده از لحاظ ظاهری و زیبایی سطح پوشش راحت­تر قابل تشخیص هستند. نانو پوشش­ها مزایای زیادی برای ابزارها و قطعات پزشکی ایجاد می­نمایند که عبارتند از:

• سختی و چسبندگی مناسب
• مقاومت به سایش بالا
• ضریب اصطکاک پایین
• زیست سازگاری بالا
• مانع شیمیایی
• ظاهر زیبا

 

شرکت PT&B SILCOR GmbH از پوشش DLC (SilCor®DLC) برای کاربردهای پزشکی و دارویی استفاده می­نماید. از کاربردهای بهره­برداری شده پوشش DLC به لایه­نشانی این پوشش برروی سطوح آبگریز جهت کاهش میزان میکروب و استریله کردن پیشرفته و خواص زیست­سازگاری و هموسازگاری می­توان اشاره کرد. از دیگر پوشش­های لایه­نشانی شده این شرکت پوشش SilCor®SiC با توجه به خواص ضدچسبندگی آن مورد توجه است. با افزودن گاز سیالون به محیط پلاسمایی پوشش DLC، آلیاژ آمورف هیدروژن­دار سیلیکون-کربن با استوکیومتری a-Six C1-x :H تشکیل می­شود. با افزایش میزان سیلیسیم، پایداری حرارتی،مقاومت به اکسیداسیون و عایقیت الکتریکی افزایش می­یابد. همچنین با افزایش میزان سیلیسیم در پوشش انرژی سطحی کاهش و در نتیجه آن پوشش رفتار ضدچسبندگی، ضد ترشوندگی و مقاومت به خوردگی از خود نشان می­دهد [3]. از این­رو در ایمپلنت­های دائمی و موقت، پروتزها و ابزارهای تشخیصی در صنعت پزشکی پرکاربرد می­باشد. در شکل 8 برخی از قطعات پزشکی که با پوشش  SilCor®SiCلایه­نشانی شده­اند نشان داده شده است.

پوشش تجاری SilCor®SiC با خاصیت ضدترشوندگی و ضد چسبندگی.

 

4-3-کاربرد نانوپوشش­ها در صنعت بسته­بندی محصولات پزشکی و دارویی

کاربرد پوشش­دهی در فرآوری و بسته­بندی در حوزه غذایی و پزشکی به دلایل بهداشتی بسیار حائز اهمیت می­باشد. از این­رو مهندسی پوشش­ها، جهت افزایش عمرکاری قطعات ماشین­آلات، بهینه­سازی، بهبود خواص آنتی­باکتریال و برطرف کردن مشکلات عملکردی مورد استفاده در این صنعت ضروری است. پوشش­های ویژه برای بهبود خواص سطحی فلزات و دیگر زیرلایه­ها برای برطرف کردن مشکلات سایش، خوردگی، خودروانکاری، قالب­گیری در صنایع پزشکی و دارویی مورد استفاده قرار می­گیرند. شرکت ماگناپلیت[3] از جمله شرکت­های پیش­گام در بکارگیری پوشش­ها در صنایع پزشکی و دارویی است.  از نانوپوشش­های سخت برای جلوگیری از سایش اجزای ماشین­آلات بسته­بندی استفاده می­شود. سایش در این ماشین­آلات معمولا به دلیل تماس فلز با فلز است. پدیده سایش موجب تعطیلی خط خواهد شد تا صفحات سایشی جایگزین شود. از نانوپوشش­های TiNو CrN جهت پوشش­دهی این صفحات استفاده می­شود. به عنوان یک شاخص هنگامی که زیرلایه فلزی نقره­­ای تحت سایش از نیترید کروم جهت پوشش­دهی آن استفاده می­شود که در این صورت عمرکاری این صفحات از 8 هفته به 6 ماه افزایش می­یابد.

صفحات هدایت کننده دارو که نیاز پوشش­های آنتی­باکتریال و ضد سایش دارند.

پوشش DLC برای لایه­نشانی ابزار جراحی.

 

دریچه اورتیک قلب از جنس آلیاژ کبالت-کروم با پوشش پیرولیتیک کربن به عنوان پوشش ضد ترمووژینیک[4] و مقاوم به ضربه مورد استفاده قرار می­گیرند.

استنت عروق کرونر[5] با پوشش­ DLCبه ضخامت nm20جهت کاهش انتشار کروم و نیکل در خون از ابزار مورد استفاده می­باشد

کانتر زه­کشی برای ادرار[6] از جنس سیلیکون برای کاهش ضریب اصطکاک سطوح تماسی با پوشش DLCلایه­نشانی می­شود.

بعد از پوشش­دهی

قبل از پوشش­دهی

مجموعه کامل پروتز زانو از جنس آلیاژ تیتانیوم، آلومینیم و وانادیوم که جهت جلوگیری از ورود یون­های فلزی ایمپلنت­ها به بافت با پوشش  DLCلایه­نشانی می­شوند

پیچ Transcutaneous osteotomyبه دلیل کار در محیط حاوی باکتری نیاز به پوشش­دهی دارد. همان­گونه که در شکل مشاهده می­شود قسمت­هایی از این قطعات که با باکتری درگیر می­باشند با پوشش DLCلایه­نشانی شده­اند.

پروب دندان با لایه­ای از  DLCبه دلیل افزایش چسبندگی، کاهش ضریب اصطکاک پوشش­دهی می­شود.

عینک­های ساخت شرکت هانی­ول^[7] با استفاده پوشش سخت از جنس نقره به محافظت از چشم و صورت می­پردازد. از خواص این پوشش می­توان به طراحی زیبا، رنگ جذاب، ضد چراش بودن و مقاومت به ضربه تا سرعت m/s 45 اشاره کرد.

عینک با پوشش سخت نقره.

 

اثرات قابل ملاحظه پوشش­های ضدمیکروبی لایه­نشانی شده به روش PVD قابل توجه می­باشد. پوشش­های PVD شرکت اورلیکون بالزر خواص ضدمیکروبی برای دستگاه­های مورد استفاده در عمل­های جراحی ایجاد می­نمایند. این دستگاه­ها یکی از راه­های ورود میکروب به بدن انسان­ها می­باشد. آزمون­ها خواص ضدمیکروبی خیلی موثری برای پوشش­های PVD دوپ شده با نانوذرات نقره نشان می­دهند. برای مثال در زیر به برخی از خواص پوشش TiN-Ag لایه­نشانی شده به روش PVD اشاره شده است:

• نسل جدیدی از پوشش­ها حاوی 5-2% نانوذرات نقره
• ضخامت 2 میکرومتر
• بدون اثار سمی[8](ISO 10993-5)
• بازدهی ضدمیکروبی مناسب، کاهش میزان log3 با SA (staphylococcus aureus) و آسیب MRSA (methicillinresistant staphylococcus aureus)
• فعالیت ضدمیکروبی براساس استاندارد ASTM/JIS
• پایداری اتوکلاو
• عدم فعالیت میکروب­ها بعد از استریله کردن در اتوکلاو
• کاهش Log3 بعد از 50 مرتبه اتوکلاو
• رنگ­های متنوع

خلاصه مدیریتی گزارش

در سال­های اخیر با توجه به پیشرفت چشمگیر فناوری نانوپوشش­ها در کشور امید است تا بتوان با بهره­گیری از این فناوری، مشکلات موجود در مواجهه با پدیده سایش، فرسایش، خوردگی، حساسیت­های شیمیایی و زیست سازگاریرا در حوزه پزشکیمرتفع کرد.در این رهگذر کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، «مرکز توسعه نانوپوشش» را تاسیس نموده است. هدف این مرکز حل مشکلات صنعت در حوزه سایش، فرسایش و خوردگی با تاکید بر توان فناوری داخلی می باشد. لذا برای دستیابی به این مهم سازندگان تجهیزات لایه­نشانی و مراکز خدمات فناوری را گرد هم آورده است تا بتواند از طریق حمایت­های مالی و معنوی،مسیر رسوخ فناوری نانوپوشش در صنایع کشور را هر چه بیشتر تسهیل نماید.

معرفی مرکز توسعه نانوپوشش

مرکز توسعه نانوپوشش یکی از زیر مجموعه­های کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو در سال ۱۳۹۲ با هدف رسوخ فناوری نانوپوشش­ها در صنایع و شرکت­های متقاضی و همچنین هدایت و حمایت شرکت­های فناور در حوزه نانوپوشش تشکیل شد. در حال حاضر این مرکز با ارائه خدماتی همچون مشاوره و عارضه­یابی، مهندسی، تحقیق و توسعه، آموزش تخصصی و حمایت­های مالی ویژه در صدد بهره­مندی صنایع و شرکت­های متقاضی از  این فناوری می­باشد. اهداف مهم این مرکز به قرار ذیل است:

• آشنایی صنایع با پتانسیل­های بالقوه و بالفعل فناوری نانوپوشش
• ارائه خدمات فنی، مشاوره­ای، تحقیق و توسعه ای به صنایع
• حل مشکلات صنعتی موجود با تکیه بر توانمندی فناوری
• رسوخ، بکارگیری و توسعه فناوری نانوپوشش در صنایع
• کمک به فناوران جهت عرضه فناوری به صنعت
• بازارسازی و بازار یابی فناوری نانوپوشش
• کمک به افزایش بهره ­وری صنایع از طریق بکارگیری فناوری نانوپوشش
• رصد آخرین تحولات جهانی در حوزه پژوهشی و صنعتی فناوری نانوپوشش

صنایع علاقمند به آشنایی با خدمات این مرکز و نیز بهره­مندی از آن می­توانند به وب­سایت مرکز توسعه نانوپوشش ایران به نشانی www.NanoCoating.ir مراجعه نمایند.

 

 

————————————————–

[1]– در «مهندسی سطح» با اعمال فرایندهایی و با ایجاد روکشی از موادی بسیار سخت بر تجهیزات (بسته به روش مورد استفاده با ضخامت قابل کنترل بین 1 نانومتر تا 100 میکرومتر)، امکان افزایش سختی و مقاومت قطعات در برابر سایش و خوردگی وجود خواهد داشت.

[2]Catheters

[3]Magnaplate

[4]Anti-thrombogenic

[5]coronaryarterystent

[6]Urinarydrainage catheter

 

[7]Honeywell

[8]cytotoxic

————————————————–

تهیه و تنظیم:

• مرکز توسعه نانوپوشش گروه صنعت و بازار و بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================