منيزيم و آلياژهايش قابليت استفاده براي ايمپلنت‌هاي ارتوپدي زيست‌تجزيه‌پذير را دارند. اما نرخ خوردگي در شرايط فيزيولوژيكي براي بسياري از كاربردها بالاست. به همين دليل اصلاح سطح براي كاهش نرخ خوردگي بسيار مورد توجه است. چنين اصلاحاتي بايد از لحاظ بيولوژيكي سازگار و همچنين در محيط‌هاي خورنده نيز محافظ باشند. اين مقاله مروري خلاصه از تحقيقات اخير در زمينه پوشش‌هاي غيرآلي وروش‌هاي اصلاح سطحي براي توليد پوشش‌هاي بايو مواد پايه منيزيمي است.

منيزيم و آلياژهاي منيزيم پتانسيل توليد ايمپلنت‌هاي ارتوپدي بهتري را دارند [1.] آلياژهاي منيزيم مي‌توانند استحكام و تافنس مورد نياز براي ايمپلنت‌هاي تحت بار ارائه دهند در حالي كه اين خواص در سراميك‌ها و پليمرها  ضعيف‌تر هستند. فلزات ديگري كه در حال حاضر براي ايمپلنت‌ها استفاده شده‌اند مانند فولاد زنگ‌نزن و آلياژ‌هاي تيتانيم، مدول الاستيك خيلي بيشتري از استخوان طبيعي دارند، كه منجر به پديده تنش سپري ناخواسته مي‌شوند .مدول‌هاي الاستيك منيزيم و بسياري از آلياژهاي منيزيم بسيار نزديك به استخوان است [2.] همچنين عمل جراحي دوم براي خارج كردن ايمپلنت‌هايي كه در حال حاضر استفاده مي‌شود، لازم است. منيزيم ماده‌اي براي ايمپلنت‌هاي زيست‌تجزيه‌پذير است كه در بدن تجزيه مي‌شود ونيازي به عمل جراحي دوم براي خارج كردن آن نيست. منيزيم به وفور در بدن يافت مي‌شود و محصولات حاصل از تجزيه آن سمي نيستند [3.] به علاوه، منيزيم به شدت رشد استخوان جديد را تهييج مي‌كند [1.]

به دليل ويژگي‌هاي مطلوب گفته شده به نظر مي‌رسد كه برا ي استفاده در اين كاربردها مناسب باشد. با اين حال برخي چالش‌‌ها وجود دارد كه بايد برطرف شود. به طور كلي منيزيم و آلياژهايش مقاومت به خوردگي پاييني دارند كه اين ويژگي براي ايمپلنت‌هاي فلزي در محيط خورنده در سيستم فيزيولوژي مهم است [4.] محصولات سمي حاصل از تجزيه و تخريب و كاهش خواص مكانيكي نگراني اصلي است. مقاومت به خوردگي كم منيزيم منجر به كاهش سريع خواص مكانيكي آن و همچنين منجر به تصاعد سريع گاز هيدروژن در داخل بدن مي‌شود. به اين دلايل، فلز منيزيم تغيير داده نشده خالص يك ماده ايـده‌آل بـراي ايمپلنـت نيسـت. بـه عـلاوه بهينـه سازي پاسخ‌هاي بيولوژيكي براي اين ايمپلنت‌ها براي رسيدن به حداكثر بازيابي مطلوب  است. پاسخ‌هاي بيولوژيكي سطح ايمپلنت براي زيست‌سازگاري ايمپلنت با بافت‌هاي اطراف مهم است [5.]  از آنجايي كه خوردگي و زيست‌سازگاري در نهايت پديده‌هاي سطحي هستند، اصلاح سطح توسط عمليـات‌هـاي مختلـف يـا سيستـم‌هـاي پـوشـش‌دهـي راهـي بـراي بهينـه كردن خواص ايمپلنت است. يك پوشش خوب يا عمليات سطحي خوردگي ايمپلنت را كنترل مي‌كند و همچنين يكپارچگي مكانيكي براي مدت زماني را  كه ايمپلنت مورد نياز است حفظ خواهد كرد. براي موثر بودن آن در انواع ايمپلنت‌ها، ايده آل آنست كه براي سطوح پيچيده پوشش به طور كامل سطح را بپوشاند تا اطمينان حاصل شود كه خوردگي به سرعت رخ ندهد. همچنين، پوشش بايد چسبندگي خوبي به فلز زمينه داشته باشد و مقاومت به سايش قابل قبولي براي حفاظت ايمپلنت در حين كاشت و بارهاي سيكلي اعمالي لازم است. ايمپلنت نبايد سمي باشد و بايد بتواند  بعد از مدت زمان موردنظر به طور كامل تجزيه شود. به علاوه پاسخ سلولي خوب و اتصال مناسب مطلوب است كه به ايمپلنت اجازه مي‌دهد به طور كامل با سيستم بيولوژيكي يكپارچه شود. يك پوشش مناسب كه مطابق با اين معيارها باشد اين امكان را مي‌دهد كه ايمپلنت‌هاي منيزيم زيست تجزيه‌پذير جايگزيني مناسب براي ايمپلنت‌هاي ارتوپدي فلزي حال حاضر باشد.  اين بحث به دنبال چند روش براي غلبه بر مشكلات ايمپلنت‌هاي منيزيم است.
خوردگي منيزيم
به منظور تعيين بهترين روش براي كنترل خوردگي منيزيم، دانستن مكانيزم خوردگي منيـزيـم به خصوص در محيط‌هاي فيزيولوژيكي، مهم است. به طور كلي فلز منيزيم خورده شده در محيط‌هاي آبي به شكل هيدروكسيد منيزيم و گاز هيدروژن است [6.] واكنش كلي خوردگي فلز منيزيم به صورت زير است:
2+ H 2O                                 Mg)OH(2H2 Mg +
محصولات خوردگي در حالت كلي به شكل هيدوركسيد منيزيم 2Mg)OH( و اكسيد منيـزيـم  MgOهستنـد[6] كـه باعث تشكيل يك لايه پسيو بر روي فلز مي‌شوند و نرخ خوردگي را كاهش مي‌دهند. اين لايه پسيو نقش حفاظت را بر عهده دارد مگر اينكه سوراخ شود و در معرض محلول قرار گيرد زماني كه اين اتفاق بيفتد، نرخ خوردگي  به صورت موضعي افزايش مي‌يابد. اگر چه محصولات حاصل از خوردگي مجدداً سطح را پسيو مي‌كنند و سرعت خوردگي را كاهش مي‌دهند [7.]
زماني كه منيزيم در تماس با فلز ديگر قرار داده مي‌شود، خوردگي گالوانيكي اتفاق خـواهـد افتـاد. كـه ايـن مـي‌تـوانـد هـم بـه علـت فلـزات خـارجـي و هـم فـازهـاي دوم يا ناخالصي‌هاي داخلي باشد. فلزاتي كه فرا ولتاژ هيدروژن پايين‌تري دارند مي‌توانند باعث ايجاد خوردگي گالوانيك شديدي شوند مانند نيكل، آهن و مس. فلزاتي با فرا ولتاژ هيدروژن كمتر مانند آلومينيم، روي، كادميم و قلع چندان بد نيستند [6.]
محيط‌هاي فيزيولوژيكي عمدتاً محيط‌هاي خورنده براي فلزات هستند. تست‌هاي خوردگي در محلول شبيه‌سازي شده بدن انجام مي‌شود. اين محلول كه شامل بسياري از يون‌هاي ديده شده در بدن است، نحوه عملكرد فلز در محيط واقعي را نشان خواهد داد. در محلـول شبيـه سـازي شده‌ي بدن، خوردگي سريع منيزيم مي‌تواند عمدتاً به حضور يون‌هاي كلر نسبت داده شود. يون كلر به سطح هيدروكسيد منيزيم جذب و كلريد منيزيم تشكيل مي‌شود. اين تركيب كاملاً محلول است و بنابراين نرخ خوردگي را بوسيله تخريب لايه پسيو هيدروكسيد منيزيم افزايش مي‌دهد [8.] تاثير يون كلر زماني كه خوردگي نمونه در محلولي مشابه با مقدار يون كلر خيلي كم، مقايسه شود مي‌تواند ديده شود. حفره‌دار شدن و ترك‌هاي سطحي مكانيسم اصلي خوردگي در محلول شبيه سازي شده بدن است كه به علت يون كلر است [9و10.] آلياژسازي منيزيم با عناصر مناسب براي غلبه بر مشكلات خوردگي و زيست‌سازگاري توجه بسياري از محققين را به خود جلب كرده است و براي كامل شدن ايمپلنت‌هاي منيزيمي بسيار مهم خواهد بود [2.11.12.] عناصر آلياژي لايه‌ي پسيوي توليد مي‌كنند كه پايداري بيشتري نسبت به هيدروكسيد منيزيم دارند و مي‌توانند سرعت خوردگي را كاهش دهند، اما اغلب آلياژها با فازهاي مختلف خوردگي ميكروگالوانيكي از خود نشان مي‌دهند [6.]
زيست‌سازگارپذيري
افــزايــش زيـسـت‌سـازگـارپـذيـري ايمپلنـت بسيـار مهـم اسـت. بـراي اينكـه ايمپلنـت ماكسيمم تاثير و سرعت بازيابي بالايي داشته باشد شيوه‌اي كه در آن سلول‌ها و بافت‌ها با ايمپلنت واكنش دهند حياتي است [13.] سمي بودن براي اهداف ايمپلنت‌هاي زيست تخريب‌پذير بسيار مهم است. اگر ايمپلنت در بدن تخريب شود، بايد عناصر و تركيبات سمي از ايمپلنت حذف شوند. اين شرايط بسياري از روش‌هاي معمول استفاده شده براي مقاومت به خوردگي منيزيم در كاربردهاي ديگر را حذف مي‌كند. براي مثال، فلزات سنگين و پوشش‌هاي تبديلي كروماته استفاده شده براي مقاومت به خوردگي منيزيم، نبايد استفاده شود [14.] علاوه بر سمي بودن پاسخ سلولي هنگامي كه ايمپلنت در جاي خود گذاشته مي‌شود از اهميت زيادي برخوردار است.
زيست‌سازگاري ايمپلنت‌هاي تيتانيمي بررسي شده است. ايمپلنت‌هاي منيزيمي اگر بخواهند موثر باشند بايد زيست‌سازگاري خوبي از خود نشان دهند.
پوشش‌ها
روش ساده اما موثر براي كاهش خوردگي، اعمال پوشش بر روي فلز است كه باعث ايـجـاد مـانـع بين فلز و محيط مي‌شود. پوشش‌هاي مقاوم به خوردگي معمولاً براي بسياري از كاربردها بر روي فلزات استفاده مي‌شوند. در اين مورد، پوشش بايد يون‌هاي خورنده در سيستم فيزيولوژي ( به خصوص يون كلر) را از منيزيم در طول دوره ترميم استخوان دور نگه دارد. اين پوشش مي‌تواند به همراه قطعه منيزيمي به عنوان ايمپلنت استفاده شود و به همراه قطعه فلزي در بدن تجزيه شود.
آندايزينگ
روش معمول براي تشكيل لايه محافظ مقاوم به خوردگي بر روي فلزات آندايزينگ است. آندايزينگ از جريان الكتريكي براي تشكيل لايه پسيو ضخيم و چگال كه حفاظت بيشتري نسبت به لايه طبيعي كه بر روي فلز تشكيل مي‌شود دارد. لايه‌هاي اكسيدي منيزيم مي‌توانند به وسيله آندايزينگ منيزيم تشكيل شوند و باعث كاهش نرخ خوردگي در محلول شبيه سازي شده بدن مانند محلول هانكس مي‌شوند [15و16.] علاوه بر اين كيفيت پوشش مانند چگالي مي‌تواند به وسيله كنترل ولـتــاژ در طــول آنــدايــزيـنــگ بـهـيـنــه شــود [17.] مقاومت به خوردگي لايه اكسيدي مي‌تواند با انجام آندايزينگ در محلول سيليكاتي، كه باعث توليد 4SiO2Mg و  اكسيد منيزيم بر روي سطح مـي‌شـود، افـزايـش يـابـد [18.] اگـر چه لايه‌هاي اكسيد منيزيم در محيط‌هاي آبي به هيدروكسيد منيزيم در محيط‌هاي آبي تبديل خواهند شد و هيدروكسيد منيزيم در محلول حاوي كلر مانند سيال بدن، حل مي‌شود [19.] اكسو نشان داد كه آنـــدايـــزيـنـــگ بـــه مـقـــدار زيـــادي مـقـــاومـــت بــه پلاريزاسيون را در محلول كلريد سديم افزايش مي‌دهد، اما بعد از دو ساعت مقاومت با فاكتور دو كـاهش يافته است [18.] زيرا اين فيلم‌ها در مـحـلــول‌هــاي فـيــزيــولــوژيـكــي پــايـدار نيستنـد، آنـدايـزيـنـگ بـه تـنهايي براي توليد پوشش‌هاي مـحـافـظ مـورد نـيـاز بـراي كـاربـردهـاي پـزشكي غيرممكن است. آندايزينگ مي‌تواند به عنوان يــــك پــيــــش عــمــلــيــــات بـــراي ســيــســتـــم‌هـــاي پـوشش‌دهي ديگري استفاده شود. براي مثال، لايـه‌هـاي آنـدايـز شـده  مـي‌تـواننـد بـراي كنتـرل مـقـدار و نرخ تركيبات فسفات كلسيم رسوب داده شده بر روي سطح در محلول شبيه‌سازي شده بدن استفاده شود [20.]
پوشش‌هاي فلزي
پوشش‌هاي فلزي براي جلوگيري از تخريب (تـجـزيـه) مـنـيـزيـم اسـتفاده مي‌شوند. نشان داده اسـت كـه پـوشـش منيزيم خالص بر روي آلياژ مـنـيــزيــم مـسـتـعــد بــه خـوردگـي بـاعـث كـاهـش خـوردگـي مـي‌شوند. اگر عناصر آلياژي باعث افـزايـش پتـانسيـل خـوردگـي شـونـد، پـوشـش با خلـوص بـالاي منيـزيـم خـالـص بـر روي سطح خـوردگي را كم خواهد كرد [21.] پوشش‌هاي رسـوب‌نشـانـي فيزيكي از فاز بخار آلومينيم به طور موفقيت آميزي بر روي آلياژ منيزيم 31AZ اعمـال شـده‌اند [22.] پوشش در محلول كلريد ســديـم خـورده نشـد، اگـرچـه آلـومينيـم بهتـريـن انـتـخـاب بـراي زيست‌سازگارپذيري نيست. با ايـن حـال، يـك پـوشش فلزي براي مقاومت به خـوردگـي يـك گـزينه قابل دوام براي حفاظت اسـت. زيـركـنـيـم [23[ و روي[24[ انـتخاب‌هاي منـاسبـي در ايـن رابطـه هستند. متاسفانه پوشش‌هاي فلزي بر روي منيزيم زماني كه هـرگـونـه عيبي بر پوشش ايجاد شود باعث ايجاد خوردگي گالوانيك مي‌شوند. اگر پوشش فلزي نجيب‌تر از زمينه باشد ترجيحاً خورده خواهد شد [9.] يك جاي خالي در پوشش منجر به خوردگي گالوانيكي شديد زمينه مي‌شود و خواص مكانيكي به دنبال آن كاهش خواهند يافت. از آنجايي كه منيزيم پتانسيل خوردگي كمتري از همه فلزات مهندسي ديگر دارد كاربرد پوشش‌هاي فلزي محدود شده است.
فسفات‌هاي كلسيم
يكـي از زيسـت‌سـازگـارتـريـن پـوشـش‌هـا بـراي كـاربردهاي ارتوپدي پوشش‌هاي فسفات كلسيم است. پوشش‌هاي آپاتايتي به طور گسترده براي استفاده در كاربردهاي پزشكي مورد بررسي قرار گرفته‌اند [25و26.] چندين نوع بيولوژيكي مهم هيدروكسي آپاتايت، استاكلسيم فسفات، تري كلسيم فسفات، دي كلسيم فسفات دي هيدراته و فسفات‌هاي كلسيم آمورف  ‌هستند كه اغلب شامل يون ثانويه ديگري هستند. تركيب معدني استخوان خودش يك آپاتايت است، اما همچنين حاوي يون‌هاي ديگري مانند كربنات و گروه‌هاي فسفاتي است. قسمت معدني استخوان از يك زمينه كلاژن ساخته شده است. شباهت برخي از اين آپاتايت‌ها به مواد معدني استخوان، مانند هيدروكسي آپاتايت استوكيومتري، به آن‌ها زيست‌سازگاري خوبي مي‌دهد. پوشش‌هاي فسفات كلسيم براي افزايش اتصال ايمپلنت به استخوان استفاده شده‌اند [27و28.] ايمپلنت‌هاي تيتانيمي پوشش داده شده با هيدروكسي آپاتايت باعث افزايش تكثير سلول‌ها و تشكيل استخـوان مـي‌شـونـد [29.] زيـرا تـركيبـات فسفـات كلسيـم مـي‌تـواننـد نسبتاً در شرايط فيـزيولوژيكي غيرمحلول باشند و زيست‌سازگاري بالايي دارند. آن‌ها يك انتخاب كـامل براي يك پوشش محافظ براي ايمپلنت‌هاي منيزيمي هستند. براي ايجاد يك حفاظت به خوردگي مناسب پوشش بايد كامل باشد و به زمينه بچسبد. كيفيت پوشش توليد شده به فرآيند و پارامترهاي فرآيند استفاده شده براي تشكيل پوشش بستگي دارد.
پاشش پلاسمايي
يكي از رايج‌ترين روش‌هاي تجاري براي چسباندن پوششهاي فسفات كلسيم به ايمپلنت‌هاي فلزي روش پاشش پلاسما است. اين روش مستلزم ‌استفاده از جت گاز خنثي است. ماده پيشران كه براي پوشش‌دهي استفاده مي‌شود در داخل جت قرار مي‌گيرد و بوسيله بعضي روش‌ها مانند قوس جريان مستقيم پلاسمايي مي‌شود. پاشش پلاسمايي بر روي زمينه رسوب داده مي‌شود در حالي كه پوشش تشكيل مي‌شود. فرآيند كنترل دقيق ضخامت و تركيب پوشش با استفاده از كنترل تغذيه يا شارژ پودر امـكــان‌پــذيــر اســت [30.] هـيـدروكسـي آپـاتـايـت پـلاسمـا اسپـري شـده بـراي پـوشـش‌ ايمپلنت‌ها استفاده شده‌اند و زيست‌سازگاري ايمپلنت را افزايش داده‌اند [31و32.] با اين حال، دماي بالا براي اين فرآيند مورد نياز است و بنابراين بايد از حضور فازهاي ناخواسته و همچنين تجزيه پوشش و يا زمينه اجتناب شود [30.] براي منيزيم و آلياژهاي زيست‌سازگار، دماي رسيده شده بوسيله پاشش پلاسمايي به اندازه كافي بزرگ است كه بتواند باعث تغيير يا ذوب زمينه شود، بنابراين استفاده از اين فناوري براي منيزيم مشكل است. پاشش پلاسمايي بوسيله ساختار هندسي قطعه محدود مي‌شود و ايجاد پوشش يكنواخت بر روي اشكال پيچيده و ساختارهاي متخلخل بسيار مشكل است. تلاش شده است كه براي غلبه به مشكلات مربوط به پاشش حرارتي مانند يكپارچگي و چسبندگي ضعيف، بلوري بودن پايين و شكست مكانيكي پوشش، از روش‌هاي ديگري براي اعمال پوشش‌هاي فسفات كلسيم روي زمينه فلزي استفاده شود [33.] بعضي از اين روش‌ها ممكن است براي آلياژهاي پايه منيزيمي مناسبت‌تر باشند.

رسوب‌نشاني شيميايي از فاز بخار
پــوشـش‌هـا مـي‌تـواننـد بـوسيلـه واكنـش‌هـاي شيميايي گازي مواد شيميايي در نزديك سطح زمـيـنـه حـرارت داده شـده تـولـيـد شـونـد كه اين فـرآيـند به عنوان رسوب‌نشاني شيميايي از فاز بخار شناخته شده است. با اين روش مي‌توان پـوشـش‌هـاي كـامـپوزيتي و چندلايه و بر روي اشـكــال پـيـچـيــده تــولـيــد كـرد [34.] بـراي مـثـال رسـوب‌نشـانـي شيميـايـي از فـاز بخـار به عنوان جـــايـگــزيــن پــاشــش پــلاسـمــايــي بــراي تــولـيــد پوشش‌هاي هيدروكسي آپاتايت پايدار، بلوري و زيسـت‌فعـال بـر روي فـولاد زنـگ‌نـزن L‌316 اسـتـفــاده شـده اسـت [35.] بـيـشـتـر فـرآيـنـدهـاي رسوب‌نشاني شيميايي از فاز بخار در دماي بالا انجام مي‌شوند و بنابراين ماده زمينه بايد در دماي بالاي 600 درجه سانتيگراد پايدار باشد. با اين حـال كـاهـش دمـاي فرآيند تا دماي حدود 180 درجه سانتيگراد در حال بررسي است [14.]
رسوب‌نشاني ليزري پالسي
رسوب‌نشاني ليزري پالسي از ليزر براي بخار كردن هدف و چگالش بخار بر روي سطح زمينه استفاده مي‌كند. در اين روش كنترل بيشتري بر روي ميـزان بلـوري شـدن، تـركيـب و ضخامت پــوشــش مــي‌تـوان داشـت [26.] رسـوب‌نشـانـي لـيـزري پـالـسـي بـر روي فـلـزات ايـمـپـلـنـت‌هاي زيـادي بـه خـصـوص تـيتانيم مطالعه شده است [33و 36-38] ، با اين وجود گزارش چنداني در خـصوص حفاظتشان در محلول‌هاي خورنده بر روي منيزيم موجود نيست.
در ادامه....