جراحی تعویض مفصل زانو و مواد مورد استفاده برای کاشتنی های جایگزین مفصل زانو
مقدمه
مراقبت‌های بهداشتی یک دغدغه کاملاً نمایان و رو به رشد همه جوامع امروز است. برخی صاحب نظران معتقد هستند بشر اکنون در اواسط عرصه شکوفایی فناوری‌های نوین بهداشتی و درمانی است. مشکلاتی همچون نقص عضو و یا از بین رفتن بافت‌ها و اندام‌های خارجی بدن، باعث شده تا بحث جایگزینی و یا ترمیم این اعضا و بافت‌ها با استفاده از مواد مهندسی مطرح شود. انتخاب مواد مناسب به خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مواد مختلف و میزان واکنش با محیط بیولوژیک بدن بستگی دارد. اهمیت روز افزون کاربرد این مواد در زمینه پزشکی که با نام کلی زیست مواد مطرح هستند، از آنجا پیداست که توانسته بخش وسیعی از بازار جهانی را به خود اختصاص دهد. در حال حاضر بسیاری از شرکت‌های معتبر در حال تولید کاشتنی‌های مورد استفاده در پزشکی با استفاده از مواد مختلف و رقابت در زمینه توسعه مواد جدید برای تأمین خواص مطلوب مورد نیاز کاشتنی و راحتی و آسایش بیشتر بیماران و پزشکان به عنوان مشتریان محصولات پزشکی هستند.
هنگامی که یک ماده در بدن یک موجود زنده قرار داده می‌شود یا با بدن در تماس است، معمولا به آن زیست مواد گفته می‌شود. در کل تعریف اولیه زیست مواد این است: موادی که در محیط فیزیولوژیک خنثی هستند یا در تماس با سامانه حیاتی، پاسخ آن سامانه سازگار است. به عبارت دیگر زیست سازگاری عبارت است از: “توانایی یک ماده برای ایفای نقش در یک کاربرد ویژه و اجرای یک وظیفه خاص به گونهای که همراه با پاسخ صحیح و مناسب از طرف بافت میزبان باشد. امروزه لغت زیست سازگاری نیز همراه با نام زیست‌مواد آورده می‌شود، زیرا سازگاری با نسوج یکی از الزامات استفاده از زیست مواد است.
زیست مواد در اعضاء و اندام‌هایی مانند قلب، ریه، چشم، گوش، استخوان، کلیه و مثانه و در سیستم‌هایی مثل اسکلت استخوانی، گوارشی، عضلانی، گردش خون، تنفسی، ادراری، پوستی، عصبی و غدد به کار می‌رود و به شکل پیچ و صفحات شکسته‌بندی استخوان، نخ بخیه، تعویض مفصل ران و زانو و امثال آن مصرف می‌شود.
استفاده از زیست مواد تا هنگام ظهور تکنیک جراحی تمیز و ضد عفونی شده عملی نشد، که لیستر آن را در دهه 1860 میلادی توسعه و گسترش داد. در آن زمان، روش‌های اجرایی جراحی چه همراه با زیست مواد و چه بدون آن‌ها عموما به واسطه عفونت نا موفق بودند. مشکلات ناشی از عفونت در حضور زیست مواد تشدید می‌شد و خطرناک‌تر بود، زیرا وجود کاشتنی می‌تواند ناحیه ای دور از دسترس سلول‌های ایمنی بدن برای عوامل عفونت‌زا ایجاد کند. اولین کاشتنی‌های موفق در سیستم اسکلتی استخوانی بدن به کار رفت. پلاک یا صفحات شکسته‌بندی استخوان در اوایل دهه 1900 میلادی به منظور تثبیت و بستن شکستگی‌ها معرفی شد. بسیاری ار این صفحات در نتیجه طراحی مکانیکی نامناسب شکسته می‌شد، از طرف دیگر مشخص گردید که ماده‌ای همچون فولاد وانادیم دار که به دلیل خواص مکانیکی خوب انتخاب شده بود، به سرعت در بدن دچار خوردگی می‌شود.
در همین راستا پیشرفت‌های چشمگیری در حوضه زیست مواد به وقوع پیوست، به طوری که در سال 1929 میلادی براب اولین بار آلیاژهای پایه کبالت توسط اردل و پرنگ برای ترمیم دندان مصنوعی مورد استفاده قرار گرفت. این آلیاژ دارای خواص مکانیکی خوب و ریخته‌گری در شکال پیچیده می‌باشد. این کار باعث ثبت یک آلیاژ جدید در عرصه پزشکی به نام وایتالیم شد. تحقیقات بر روی آلیاژهای پایه کبالت ادامه پیدا کرد تا اینکه در سال 1937 میلادی توسط ونابل و استوک امکان استفاده از آن‌ها در زمینه جراحی نیز فراهم گردید. در آن زمان تنها از فولادهای زنگ‌نزن به دلیل مقاومت به خوردگی مناسب در برابر جریان خون استفاده می‌شد. به این ترتیب موفقیت بیشتری در اجزاء تثبیت شکستگی حاصل شد و اولین جراحی تعویض مفصل به انجام رسید.
برای انتخاب یک ماده جهت کاربردهای پزشکی، ابتدا باید خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی لازم را بررسی و سپس با توجه به شرایط محیطی که زیست‌مواد در آن قرار می‌گیرد، طراحی را شروع نمود. در واقع زیست سازگاری یک عامل مهم برای استفاده یک ماده در بدن است.
تعویض مفصل زان و یا آرتروپلاستی کامل مفصل زانو[1]: عمل جراحی ارتوپدی که با استفاده از آن سطوح مفصلی استخوان رانو درشت‌نی درمفصل زانو با سطوح مصنوعی جایگزین می‌گردد. اولین تعویض مفصل زانو در سال ۱۹۶۸ انجام شد. بعد از آن بتدریج تکنیک های عمل جراحی بهتر شده و مفاصل مصنوعی بهتری هم ساخته شد. جراحی و تعویض مفصل زانو شایع‌تر از ران و سایر مفاصل بدن است چنانکه در کشور آمریکا نیز حدود سه برابر تعویض مفصل ران، تعویض مفصل زانو انجام می‌شود. امروزه هر سال بیش از یک میلیون تعویض مفصل زانو در دنیا انجام می‌شود. هر سال بیش از ۷۰۰ هزار عمل جراحی تعویض مفصل زانو در ایالات متحده با موفقیت انجام می‌پذیرد [5]. به گزارش خبرگزاری صدا و سیما به نقل از روابط عمومی انجمن جراحان ارتوپدی ایران، دکتر سید محمد جواد مرتضوی درباره جراحی تعویض مفصل زانو افزود: آمار دقیقی از تعداد جراحی تعویض مفصل زانو در کشور نداریم که این یک ضعف است ولی سالانه حدود ۳۰ هزار جراحی تعویض مفصل زانو در کشور انجام می‌شود که طبق آمار بیشتر بیماران از میان خانم‌ها هستند.
از آنجایی که مفصل زانو در ساختمان اسکلت بدن انسان نقش کلیدی بازی می‌کند، کاشتنی باید توانایی تحمل بار در برابر انواع نیروهای استاتیکی، سیکلی و ضربه‌ای را مطابق با فعالیت‌های انسان مانند ایستادن، دویدن و پریدن را دارا باشد [6]. در مفصل زانو، انتهای استخوان ران[2] با سر استخوان درشت‌نی [3](استخوان بزرگ‌تر ساق پا) کنار هم قرار می‌گیرند. دو برجستگی استخوانی در دو طرف انتهای استخوان ران وجود دارند که به آن‌ها لقمه[4] (کُندیل) می‌گویند. این لقمه‌ها روی سطح فوقانی استخوان درشت‌نی قرار می‌گیرند. این سطح را «کفه درشت‌نی[5]» می‌گویند. این کفه به دو قسمت بیرونی و درونی تقسیم می‌شود. درشت‌نی در شیار خاصی میان دو لقمه استخوان ران، می‌لغزد. غضروف مفصلی[6]، ماده‌ای است که انتهای استخوان‌ها در هر مفصل قرار دارد. در زانو غضروف مفصلی، انتهای استخوان ران، سر استخوان درشت نی و پشت استخوان کشکک[7] را می‌پوشاند (شکل1). اگر این لایه به هر دلیل از بین برود، باعث افزایش اصطکاک بین سطوح مفاصل و در نتیجه ایجاد درد شدید در آن ناحیه می‌شود.
شکل 1 شماتیک مفصل زانو
تعویض کامل مفصل زانو مستلزم جایگزینی مفصل آسیب دیده بیمار با یک مفصل زانو کامل مصنوعی از طریق جراحی است. یک کاشتنی زانو باید با اجزاء فیزیکی مطمئن تکمیل شود تا درون بدن انسان به طور موفقیت آمیز عمل کند. توسعه چنین کاشتنی نیازمند طراحی دقیق ساختار اجزاء مفصل و انتخاب مواد و روش ساخت و شکل دهی مناسب بر اساس خواص مورد نظر است. برای طراحی ساختار مفصل لازم است اندازه و هندسه کاشتنی به ویژه سطوح مفصل در نظر گرفته شود. هدف از تعویض مفصل به حداقل رساندن درد است بطوری که امکان حرکت آسان را برای شخص گیرنده فراهم سازد.
در طی تعویض کامل زانو امکان تعویض حداکثر سه استخوان وجود دارد.
- انتهای پایینی استخوان ران
- سطح بالایی استخوان تیبیا
- سطح پشتی کشکک زانو
قطعات به گونهای طراحی می‌شوند که همیشه فلز در کنار پلاستیک قرارگرفته تا حرکت صیقلی را فراهم کرده و کمترین فرسایش اتفاق می‌افتد (شکل2) .
شکل 2-2 شماتیک کاشتنی تعویض مفصل زانوی کامل
جزء فلزی فمورال اطراف انتهای استخوان ران پیچ‌خورده و یک شیار داخلی دارد که به هنگام خم و راست شدن مفصل، کشکک زانو در مقابل استخوان به صورت نرم و یکنواخت در آن بالا و پایین برود. اگر تنها یک وجه استخوان ران آسیب دیده باشد می‌توان تنها قطعه کوچک همان بخش از استخوان را تعویض کرد.
انواع زیست مواد برای تعویض مفصل:
فلزات به آسانی برای استفاده در TKR در سال 1968 در دسترس بودند، ولی به دلیل دارا نبودن تمامی خواص مورد نیاز برای کاربرد کاشتنی های مفاصل استفاده از آلیاژها در دستور کار قرار گرفت. اولین کاشتنی‌های ارتوپدی به طور کامل فلزی و اغلب از آلیاژهای تیتانیم، فولاد زنگ نزن و آلیاژهای پایه کبالت ساخته شد. آلیاژهای پایه کبالت برای اولین بار در سال 1929 در دندان پزشکی استفاده شدند. در کنار مزیت‌های اقتصادی نسبت به طلا این آلیاژها چگالی کمتر و استحکام بالاتری داشتند. آلیاژهای کبالت به خاطر استحکام بالا و مقاومت به خوردگی خوب، به آسانی در کاشتنی ارتوپدی مورد استفاده قرار گرفتند. سختی بالای آلیاژهای پایه کبالت آن‌ها را کاندیدای بسیار خوبی برای کاربردهای مقاوم به سایش معرفی کرده است.
[1] – Total Knee Arthroplasty (TKA)
[2] – Femur
[3] – Tibia
[4] – Condyle
[5] – Tibial plateau
[6] – Articular cartilage
[7] – Patella