علم المعادن (Metallurgy):

يعنى هذا العلم بخصائص المعادن لتصنيع مواد الاستجدال (التثبيت الداخلي للكسور) و التعويضات (prosthesis):

** التوافقية الحيوية (Biocompatibility): و هي قدرة المعدن على التوافق مع الجسم البشري و عدم إحداث ارتكاس التهابي inflammatory reaction ناتج عن تآكل المعدن. يجب أن يكون المعدن غير سام (nontoxic) أو غير مولد للحساسية (nonimmunogenic) و غير مسرطن (noncarciogenic).

** مقاييس القوة: قوة الشد (tensile), قوة الضغط (compressive), قوة الالتواء (torsion), الصلابة (stiffness), مقاومة الإنهاك (fatigue resistance), الليونة (malleability).

** مقاومة التآكل erosion / degradation.

** سهولة التعامل مع المعدن

** تأثيرات محدودة على جودة الصور الطبية.

الخصائص الميكانيكية للمعدن تعتمد على قدرة المادة على مقاومة القوى المحيطة كما هو واضح بالمخطط البياني لقوى الشد و الإجهاد stress-strain. إن فهم هذا المخطط البياني يوضح العلاقة بين المعدن بخصائصه الميكانيكية و تأثره و استجابته للقوى المحيطة به.

الشدة stress = القوة مقسومة على المساحة

الإجهاد strain = مقدار تغير الطور مقسوم على الطول الأصلي.

الشدة القصوى ultimate stress هي القوة التي تحدث كسر أو فشل في المعدن.

نقطة التحول yield point : هي القوة القادرة على إحداث تغيير دائم في شكل المادة (تغيير ماقبل الكسر أو الفشل).

المرونة elasticity: هي قدرة المادة على العودة للشكل المبدئي للمادة بعد زوال القوة المؤثرة (طبعاً قيمة هذه القوة أصغر من نقطة التحول.

يمكن حساب قيمة المرونة بواسطة Young’s modulus: كلمة modulus تفسر على أنها القيمة المطلقة absolute value, بمعنى آخر هي العامل المستمر أو النسبة بين قيمتين متحولتين. يتم حساب هذه القيمة بقسمة الشدة على قيمة الجهد في جزء المنحني قبل نقطة التحول.

الصلابة stiffness هي مقاومة تغير الشكل و قيمتها متناسبة مع قيمة معامل الليونة.

التشوه اللين (plastic deformation): هو التغير الدائم في بنية المادة بعد زوال الشدة (stress).

الليونة (ductility): هي قدرة المادة على التشوه و تغيير الشكل بتأثير الشدة التي تتجاوز نقطة التحول (yield point) و لكن هذه الشدة أقل من القوة اللزمة لإحداث كسر في المادة.

المادة الهشة (brittle): هي المادة التي لديها قدرة ضئيلة على التشوه و تحمل الشدة و بالتالي تنكسر بسهولة.

إن الليونة و الهشاشة هما صفتان متناسبتان و لكن ليس لهما قيمة عددية, و إنما يمكن التعبير عنهما من خلال المخطط البياني للشدة و الإجهاد stress-strain, بالتحديد على الجزء المحصور بين نقطة التحول (yield point) و نقطة الكسر أو فشل المادة (failure point). إذا كان هذا الجزء طويل فهو يعني زيادة في ليونة المادة.

المتانة (toughness) هي القوة أو الشدة stress القادرة على إحداث فشل أو كسر في المادة.

إن القوى المتكررة بشكل دوري (cyclical – repetitive) قادرة على إحداث إنهاك fatigue في المادة و بالتالي حصول فشل أو كسر بالمادة. كلما كان زاد تتابع أو تكرار الشدة على المادة كلما زادت قدرتها على إحداث الكسر ولو بقوة أضعف (بمعنى أن القوة الضعيفة قادرة على إحداث الفشل إذا كانت متكررة و متتابعة بشكل كبير).

مبادئ التعامل مع المعادن:

يتم تعدين الحديد و مشتقاته بطريقتين:

الصب Casting: و هو ان يتم إذابة المعدن و صبه في قوالب بحيث تأخذ شكل معين، و هي غير مفضلة.

التطويع wrought: و هي التعامل مع المعدن بشكل ميكانيكي كالطرق و اللف.

Forging: و ذلك بمعاملة المعدن بالحرارة و من ثم الضغط بواسطة قالب بحيث يأخذ المعدن الشكل المطلوب. هذه الطريقة تزيد الصلابة و تنقص الليونة.

يستخدم التعامل مع المعدن البارد من أجل إعطائه الشكل النهائي. يتم ذلك بتطبيق متكرر لقوى تفوق نقطة التحول او اللدانة. تؤدي هذه العملية الى زيادة قوة المعدن و مدى التحمل (اللدونة). أحد الأمثلة هي صفائح الورك الديناميكية dynamic hip screw plate. بالطبع يحتاج التعامل مع المعدن البارد إلى قوى أكبر.

يطلق اسم passivation على عملية تغطية المعدن بطبقة مؤكسدة و التي تحسن التوافقية الحيوية و مقاومة للتآكل corrosion.

أنواع المعادن:

الفولاذ stainless steel: هو مزيج الحديد iron و الكروم chromium. الهدف من إضافة الكروم هو تشكيل طبقة واقية من الأكسدة و بالتالي مقاومة التآكل corrosion.

إن للفولاذ خصائص قوة ميكانيكية جيدة مع ليونة ممتازة. (معدن قوي ويتحمل قوى شدة عالية و له قدرة على تغيير الشكل ( ليونة ductility).

التيتانيوم Titanium هو معدن يمكن أن يملك صفات ميكانيكية مختلفة allotropic و هو أقل المعادن كثافة density.

يتوافر أربعة درجات نقاوةpurity للتيتانيوم و التي تعتمد على كمية الأوكسيجين في المعدن. للأوكسجين دور في زيادة القوة و الليونة للتيتانيوم.

أحد أنواع الخلائط المعدنية للتيتانيوم يحتوي على 5.5-6.5% من الالمنيوم و 4.5-4.5% من الفاناديوم و اللذان قوة و قدرة على تحمل الإنهاك fatigue.

مزيج الكوبالت-كروم Cobalt-Chromium alloy: هي بالأساس مركبة من الكوبالت.

إن وجود نسبة 7-30% من الكروم يوفر مقاومة جيدة للتآكل من خلال تشكيل طبقة أوكسيد الكروم على سطح المعدن.

إن إضافة 5-7% من موليبدنيوم Molybdenum يؤدي إلى زيادة قوة المعدة و مقاومة التآكل.

إن إضافة 1% نيكل Nickel و 1% Manganese و 1% سيليكون Silicon يؤدي إلى زيادة الصلابة و الليونة.

الخاصية الأكثر جاذبية لهذا الخليط المعدني هي القدرة الممتازة على مقامة التآكل و توافيقته الحيوية Biocompatibility. الخصائص الميكانيكية المتمثلة بمقاومة قوى الشد (tensile strength) و الإنهاك Fatigue جعلت هذا الخليط مرغوب من أجل صناعة الزروعات implants التي يجب أن تكون قادرة على تحمل تأثير قوى الشدة لمدة طويلة من دون إنهاك. لذلك كان استخدام الكوبالت كروم من أجل صناعة مفاصل الورك. إن خليط الكوبالت كروم من المعادن صعبة التعدين و ذات كلفة عالية بسبب الدرجة العالية للصلابة. لذلك لا يتم استخدامه لصناعة صفائح الكسور.

مقارنة المعادن Comparison of metals:

أثبتت الدراسات عدم وجود فروقات جوهرية في المدة اللازمة لالتحام الكسور بين مواد الاستجدال المصنوعة من الفولاذ و التيتانيوم و بالأخص صفائح الضغط الميكانيكية Dynamic-compression.

أحد أهم وظائف مواد الاستجدال (التثبيت الداخلي للكسور) هي القدرة على توزيع قوى الشدة stress على العظم و بالتالي خلق ما يمكن تسميته (تقاسم الحمولة load sharing) بين العظم و المعدن و تجنب تموضع أو تركيز الشدة (stress concentration).

التيتانيوم هو أقرب المعادن إلى العظم من ناحية قيمة معادل الليونة modulus of elasticity و بالتالي فهو يعتبر أفضل لتجنب حصول Stress shielding.

بالنسبة للتوافق الحيوي (biocompatibility): إن التيتانيوم لديه المقاومة الأشد للتآكل و ذلك بسبب تشكل أوكسيد التيتانيوم على سطح المعدن. بينما المعادن الأخرى الفولاذ تحديداً تكون محاطة بطبقة ليفية رقيقة (غير وعائية avascular) على عكس التيتانيوم الذي لا يسبب تشكل هكذا طبقة من النسج الرخوة اللاوعائية.

من جهة أخرى, إن التيتانيوم يسمح للعظم بالنمو على سطحه (bone ingrowth) و بالتالي يسبب مشكلة أثناء نزع الصفائح و البراغي خاصة إذا كانت منذ فترة طويلة.

الحساسية للمعادن (sensitivity): هناك نسبة قليلة من الناس لديهم حساسية للكروم و النيكل و بالتالي قد لا يمكن استعمال معادن تحوي على النيكل أو الكروم مثل الفولاذ و الكوبالت كروم. في هذه الحالة يمكن الاستعاضة باستخدام التيتانيوم النقي.

قابلية الإنتان infection: يعتبر الإنتان من أهم المشاكل المرافقة لاستخدام مواد الاستجدال أو التعويضات المعدنية و هو ينتج عن أسباب متعددة و التي تسبب التصاق الجراثيم bacteria adherence على سطح المعدن و الذي بدوره يشكل المرحلة الأولى من عملية التخلخل implant loosening و التي تنتهي بفشل التثبيت. لا يوجد دليل مثبت على وجود علاقة بين نوع المعدن و حدوث الإنتان. يوجد دراسة ذكرت زيادة بالتصاق الجراثيم العنقودية البشروية Staphlococcus epidermidis و نقص بوظيفة الكريات البيضاء عديدة أشكال النوىpolymorphonuclear عند استخدام الفولاذ مقارنة مع التيتانيوم.

التأثير على التصوير الطبي:

الأشعة السينية (الصورة البسيطة): يسبب التيتانيوم أقل قدر من التبعثر الشعاعي scatter of x-ray مقارنة مع الفولاذ و الكوبالت كروم.

الطبقي المحوري: كذلك الأمر فإن التيتانيوم يسبب أقل قدر من التبعثر الشعاعي بينما الكوبالت كروم يسبب أكبر قدر من التبعثر الشعاعي و الفولاذ يسبب ذلك بشكل متوسط.

الرنين المغناطيسي: كل من التيتانيوم النقي و خلائط التيتانيوم و الكوبالت كروم لا تملك خصائص مغناطيسية و تسبب القدر الأقل من التشويش على الصورة. استخدام الرنين المغناطيسي مع الفولاذ قد يسبب قدر من المجال المغنطيسي و التي من المحتمل أن تسبب قوة محركة أو كهربائية محيطة.

العلاج الشعاعي Radiotherapy: إن استخدام العلاج الشعاعي بوجود معادن في الجسم تؤدي لزيادة بالتبعثر الشعاعي scattering و بالتالي زيادة تأثر النسج المحيطة غير المستهدفة بالعلاج الشعاعي بالإضافة إلى نقص في كمية الإشعاع الواصل إلى ما وراء / خلف المعدن.

في حال احتمال الحاجة لإجراء علاج شعاعي, ينصح باستخدام المعادن الأقل كثافة كالتيتانيوم و بأقل سماكة و حجم ممكن لتخفيف التبعثر الشعاعي.

المصدر:

Skeletal Traums, Chapter 4: Principles of Internal Fixation

مصدر الصورة:

https://www.simsolid.com/wp-content/uploads/2017/10/stress-strain-curve.jpg

تأليف د. مؤيد كاظم

Authored in Arabic by Muayad Kadhim, MD

Leave a Reply