استفاده از بيومتريال کربني در دريچه هاي مکانيکي قلب

پيشرفت هاي حاصل شده در فن آوري سنتز مواد پيشرفته سبب شده است حوزه هاي جديد و رو به گسترشي از انواع کربن ظهور پيدا کند. در اواخر دهه 1960 ميلادي، همکاري Jack C Bokres و Vincent Gott سبب توسعه کربن پيروليت شد. کربن پيروليت از خون سازگاري و مقاومت سايشي خوبي برخوردار بوده لذا جايگزين مواد فلزي در دريچه هاي مصنوعي قلب شد. در 1990 نمونه جديد کربن پيروليت بستر سيال به نام ON-X اختراع شد. کربن داراي چند آلوتروپي است. کربن پيروليتي ساختاري شبه بلوري دارد. اين کربن در اثر تجزيه حرارتي مواد هيدروکربني مايع يا گازي به وجود ميآيد. تافنس کربن LTI ،25 برابر آلومينا است. کربن LTI به دليل برخورداري از مجموعه اي از خواص همچون خون سازگاري، خواص فيزيکي و مکانيکي مطلوب و دوام مناسب، يکي از موفقترين بيومتريال ها از نظر کاربرد و عملکرد به شمار ميرود. از نظر بلورشناختي، در خصوص شروع ترک خستگي که در فلزات اتفاق ميافتد چنين خاصيتي در کربن LTI وجود ندارد و در صورتي که اجزاي کربني دريچه مکانيکي قلب به درستي طراحي و ساخته شده باشند و هيچگونه آسيب از خارج به آنها وارد نشود، دچار خستگي نخواهند شد. لازم به ذکر است از 4 ميليون ايمپلنت کاشته شده فقط 60 مورد دچار شکست شدهاند. پس ميتوان از شکست خستگي اين ماده صرف نظر کرد.

مقدمه
طي سال هاي گذشته پيشرفت هاي حاصل شده در فن آوري هاي سنتز و ساخت مواد پيشرفته و همچنين ظهور دستگاه هاي شناسايي نوين و مدرن سبب شده است حوزه هاي جديد و رو به گسترشي از انواع کربن ظهور پيدا کنند. بطوريکه در حال حاضر، کربن محدوده گستردهاي از محصولات متفاوت را شامل ميشود و حوزه علمي تخصصي ويژهاي را به خود اختصاص داده است.

ساختار کربن
کربن مادهاي است که داراي چند شکل آلوتروپي است و از لحاظ ساختاري به سه شکل بلوري، غير بلوري (شيشه‌اي يا آمورف) و شبه بلوري وجود دارد. گرافيت، الماس و کربن پيروليتي، ساختاري شبه بلوري دارند. نقطه ذوب کربن بالاتر از 4000 درجه سانتي گراد و در فشارهاي فوق العاده بالا (Gpa 15) پايدار است. از نقطه نظر ترموديناميکي، گرافيت شکل پايدار کربن در فشار و دماي اتاق محسوب ميشود.

بيماري دريچه اي قلب
دريچه هاي دهليزي- بطني(دريچه هاي تريکوسپيد و ميترال)از جريان رو به عقب خون از بطنها به دهليزها طي سيستول ممانعت به عمل آورده و دريچه هاي نيمه هلالي (دريچه هاي شريان آئورت و پولموناري) طي دياستول از جريان رو به عقب خون از شريانهاي آئورت و ريوي به داخل بطن ها جلوگيري ميکنند. دريچه ه ا به طور غير فعال باز و بسته ميشوند. به اين معنا که وقتي شيب فشاري رو به عقب خون را به سمت رو به عقب مي راند، بسته شده و وقتي که شيب فشاري رو به جلو خون را در جهت رو به جلو مي راند، آنها باز ميشوند. به دليل آناتوميک، دريچه هاي نازک دهليزي- بطني براي بسته شدن تقريباً نيازمند هيچ جريان رو به عقبي نيستند، در حاليکه دريچه هاي نيمه هلالي ضخيمتر نيازمند جريان سريعتر رو به عقب به مدت چند هزارم ثانيه هستند. مشکلات دريچه اي قلب شامل دو نوع اصلي است 1- نارسايي که حاصل عملکرد ضعيف دريچه هاست و 2- تنگي که بر اثر باز نشدن کامل دريچه روي ميدهد. بيماري دريچه ميترال معمولاً يک الگوي مخلوط از تنگي و نارسايي است که يکي از آنها معمولاً غالب است. هم تنگي و هم نارسايي به عملکرد بد دريچه و تغييرات قلبي حاصل از آن ميانجامد که شامل هيپرتروفي بطن چپ (که اين در بيماران مبتلا به تنگي ميترال چندان بارز نيست)، افزايش فشار وريدي ريوي، آدم ريوي و گشادي و هيپرتروفي دهليز چپ هستند. بيماري دريچه آئورت (هم تنگي و هم نارسايي) ميتواند به نارسايي قلبي شديد بينجامد. در تنگي آئورت، بطن چپ در حال انقباض در تخليه کامل خود ناتوان است در حاليکه در نارسايي آئورت پس از اينکه بطن تازه خون را به داخل آئورت پمپ کرد، خون در جهت رو به عقب از آئورت به داخل بطن جريان مييابد. به اين ترتيب در هر صورت برونده خالص حجم ضربه اي قلب کاهش مييابد. بيماري دريچه در سمت راست قلب (که دريچه تريکوسپيد و پولموناري را گرفتار ميکند) در اغلب موارد ناشي از عفونت است. اختلال عملکرد دريچه اي حاصل، تغييرات فشاري غير طبيعي را در دهليز راست و بطن راست پديد ميآورد که اين موارد ميتوانند نارسايي قلبي را ايجاد کنند. از آنجا که دريچه ميترال نسبت به دريچه هاي ديگر تنش و آسيب مکانيکي بيشتري متحمل ميشود، آسيب مذکور اغلب از جديترين صدمات محسوب شده، آسيب هاي دريچه آئورتي در رديف دومين صدمات شايع دريچه اي قرار ميگيرند. دريچه هاي طرف راست قلب، سه لتي و ريوي، معمولاً در رديف کم ابتلاترين دريچه ها هستند. در صورت تخريب دريچه هاي قلب به طوري که قادر به انجام وظيفه خود نباشند به ناچار بايد دريچه ها با پروتز تعويض شوند.

شکل 1: دريچه هاي قلب انسان

استفاده از کربن در کاربردهاي پزشکي
در حوزه پزشکي، کربن فعال ميتواند براي خارج کردن سموم از خون بيمار در فرايندهاي مرتبط با پالايش و فرآوري خون مورد استفاده قرار گيرد. اواخر دهه 1960 ميلادي، در پي همکاري Jack C Bokros که روي پوشش دهي ذرات سوخت هسته اي با کربن پيروليت کار ميکرد و Vincent Gott که به دنبال يافتن مواد مقاوم در برابر ايجاد ترومبوز بود، کربن پيروليت مناسب براي کاربردهاي قلبي عروقي توسعه پيدا کرد. همکاري اين دو نفر به توليد نوعي کربن آلياژي (با عنصر سيليسيم) پيروليت همسانگرد با ويژگيهاي مناسب براي کاربردهاي قلبي- عروقي منجر شد. در آن زمان دريچه هاي مصنوعي قلب که از پليمرها و فلزات ساخته ميشدند با مشکلاتي همچون سايش، ايجاد ترومبوز و شکست رو به رو بودند و به همين دليل، طول عمر آنها تنها چند سال بود. استفاده از کربن پيروليت در دريچه مصنوعي قلب، سايش را به مقدار زيادي کاهش داد و در نتيجه، کربن پيروليت جايگزين مواد فلزي مورد استفاده در اين نوع تجهيزات پزشکي شد. در دهه 1990 ميلادي، بوکروس و همکارانش با انجام تغييراتي در روش هاي سنتز و فرايند توليد، محصولاتي با ويژگي‌هاي مناسبتر از نظر زيست سازگاري و خواص مکانيکي تهيه کردند. اختراع نمونه جديد آنها به عنوان کربن پيروليت به طورکامل همسانگرد خالص (بستر سيال) و با نام کربن ON-X به ثبت رسيده است. در حال حاضر اين محصول در دريچه هاي مکانيکي قلب و کاربردهاي ارتوپدي (مفاصل کوچک) به کار برده ميشود.

شکل2: دريچه مصنوعي قلب ساخته شده از کربن On-X و مقايسه آن با دريچه رايج

جدول1: ساختار و خواص مکانيکي گرافيت، Si – آلياژ شده با کربن پيروليتي LTI و گرافيت روکش شده با کربن پيروليت

کربن پيروليت
کربن پيروليت در طبيعت يافت نميشود بلکه به صورت سنتزي تهيه ميشود. از زمان استفاده از آن در دريچه مصنوعي قلب در سال 1968 ميلادي، کربن تف کافتي در اکثر قريب به اتفاق دريچه هاي مکانيکي، يکي از اجزاي سازنده اصلي بوده است. تا کنون بالغ بر 25 نوع دريچه مصنوعي قلب با طراحي هاي متفاوت با تجربه باليني حدود 16 بيمار- سال مورد استفاده قرار گرفته است. کربن پيروليت به دليل برخورداري از مجموعه اي از خواص همچون خونسازگاري، خواص فيزيکي و مکانيکي مطلوب و دوام مناسب، يکي از موفقترين بيومتريال ها از نظر کاربرد و عملکرد به شمار ميرود. البته خونسازگاري کربن پيروليت، در حد ايده آل نيست و در نتيجه در زمان استفاده از آن، درمان ضد لختگي براي بيماران داراي دريچه مکانيکي قلب لازم خواهد بود. سطوح کربن داراي مواضع فعال است. از لحاظ زيستسازگاري، شيمي سطح کربن پيروليت بسيار مهم است. اکسايش سطوح کربني آلودگي هاي سطحي ايجاد ميکند که در نتيجه زيست سازگاري کربن را تخريب خواهد کرد.

توليد و خواص فيزيکي و مکانيکي کربنLTI و ULTI
براي توليد کربن پيروليت از فرايند لايه نشاني شيميايي از فاز بخار(CVD) استفاده ميشود که اگر اين فرايند در راکتورهاي بستر سيال انجام شود، بلورکهاي ايجاد شده ساختاري توربواستاتيک داشته و همسانگرد هستند و در صورتيکه فرايند در راکتورهاي غير از بستر سيال صورت پذيرد، لايه به دست آمده از بلورهاي ستوني ناهمسانگرد تشکيل خواهد شد. اگر چنين کربن پيروليت با ساختار ستوني در دماهاي بالا (بيش از 2700 درجه سانتي گراد) تحت عمليات حرارتي قرار گيرد، ساختار توربوستراتيک ناپديد ميشود و ساختار گرافيتي ايجاد خواهد شد. مهمترين شکل کربن براي کاربردهاي پزشکي، نوعي از کربن پيروليت معروف به کربن ناهمسانگرد دما پايين (LTI) است. اين شکل کربن، ساختاري توربوستراتيک يا نامنظم دارد. اندازه بلورکهاي کربن LTI، حدود 10 نانومتر و به طور تصادفي در ماده آرايش يافته است. از اين رو، خواص مکانيکي و فيزيکي همسانگرد دارد. منظور از دما پايين يعني در دماهاي کمتر از 1500 درجه سانتي گراد تشکيل شده است. انواع مختلف کربن بسته به نوع ساختار، همسانگردي و بلورينگي داراي خواص فيزيکي و مکانيکي متفاوتي هستند. ويژگي همسانگردي بر خواص حرارتي، الکتريکي و استحکام کششي تأثير خواهد داشت. از کربن همسانگرد ميتوان موادي با ضريب کشساني پايين (حدود Gpa 20) و استحکام خمشي بالا (Mpa 500) تهيه کرد. از سوي ديگر کرنشهاي بزرگ حدود 2 درصد و بالاتر بدون وقوع شکست، امکان پذير خواهد بود. اين ويژگي اهميت فوق العادهاي در طراحي بيومتريال ها دارد. انرژي شکست کربن همسانگرد دما پايين (LTI) به تقريب MJ/m3 5.5 است که در مقايسه، اين ويژگي براي آلومينا حدود MJ/m3 0.18 است يعني تافنس اين نوع کربن 25 برابر آلوميناست.کرنش شکست کربن همسانگرد فوق دما پايين ULTI که به صورت پوشش نازک از فاز بخار نشانده ميشود، بيش از 5 درصد است که حدود 50 برابر کرنش آلوميناست. استحکام چسبندگي پوشش کربن ULTI به زير لايه آلياژيTi-6Al-4V بالغ بر Mpa گزارش شده است که چنين استحکام اتصال بالايي، به تشکيل کاربيدها در فصل مشترک نسبت داده شده است. هر چه تعداد عيوب و همچنين جاي خالي کربني در کربن پيروليت کمتر باشد تافنس بيشتر خواهد بود.

توليد قطعات پوشش داده شده با کربن پيروليت
از آنجايي که کاربرد کربن پيروليت در ايمپلنتها و کاربردهاي بلند مدت در نظر گرفته شده است، دستيابي به شرايط تعريف شده براي تضمين کيفيت محصول براساس دستور العمل هاي موجود در مقررات تجهيزات پزشکي و همچنين استانداردهاي بين المللي ضروري است. اولين موضوع مهم، انتخاب زيرلايه مناسبي براي پوشش کربن پيروليت است. زيرلايه بايد از شرايط زير برخوردار باشد:
– از لحاظ زيستسازگاري براي کاربرد مورد نظر مناسب باشد.
– شرايط فرايند توليد را تحمل کند.
– از نظر خصوصيات حرارتي با پوشش همخواني داشته باشد.
از آنجايي که فرايند ساخت در دماي بالا صورت گيرد، فقط مواد ديرگدازي همچون تانتالم، آلياژ موليبدن/رنيم و گرافيت مواد مناسبي خواهند بود. در حال حاضر براي کاربرد در پروتزهاي مکانيکي دريچه قلب از زير لايه گرافيت همسانگرد ريز دانه استفاده ميشود که به منظور قابل رويتشدن به وسيله اشعه ايکس، به آن تنگستن اضافه ميشود. با ظهور کربن خالص به دليل مقدار بالاي کرنش تا شکست (در مقايسه با نوع آلياژي کربن)، شکل هاي کارآمدتري از لحاظ هيدروديناميکي ساخته شدند بدون آنکه نيازي به حلقه فلزي باشد.
زيست سازگاري کربن پيروليت
در خصوص کربن پيروليت که از روش بستر سيال تهيه شده است (کربن LTI) آزمون‌هاي کامل زيست سازگاري بر اساس استاندارد ISO10993-1 صورت گرفته و نتايج مويد حداقل واکنش ها بوده است، به طوري که از اين نوع کربن ميتوان به عنوان کنترل منفي در آزمون استفاده کرد.کربن پيروليت، خونسازگاري خود را مديون جذب سريع پروتئين خون است، بدون آنکه پروتئين خاصيت حياتي خود را از دست بدهد. به عبارتي خونسازگاري در نتيجه ايجاد لايه پروتئيني روي سطح کربن است. کشش سطحي بحراني زياد کربن پيروليت (Dyne/cm 50) در اثر تماس کربن با خون، بلافاصله کاهش مييابد و به مقدار Dyne/cm 28-30 ميرسد.

خواص مهندسي کربن پيروليت
استحکام خمشي، مقاومت سايشي و خستگي کربن پيروليت ميتواند پايداري ساختاري لازم براي کاربرد ايمپلنتها را فراهم آورد. ضريب کشساني در محدوده استخوان قرار دارد و در نتيجه از لحاظ به حداقل رساندن حفاظت تنشي (Stress Shielding) در فصل مشترک استخوان مفيد خواهد بود. در صد کرنش تا هنگام شکست براي کربن پيروليت نسبت به فلزات و پليمرها پايين است اما نسبت به سراميکها بالاست. با اينکه تافنس شکست کربن پيروليت کم است، اما مقاومت خستگي آن قابل توجه است. در يکي از تحقيقات انجام شده در زمينه رفتار خستگي لايه کربن پيروليت با قطر چند صد نانو متر روي زيرلايه فولاد زنگ نزن، نشان داده شد که لايه کربني فقط بعد از تغيير شکل پلاستيک در کرنش 3.1 درصد و بارگذاري تا 106 چرخه، دچار شکست ميشود. ساز و کار بلور شناختي در خصوص شروع ترک خستگي که در فلزات اتفاق مي افتد در کربن پيروليت وجود ندارد. اگر اجزاي کربن پيروليت دريچه مکانيکي قلب، به درستي طراحي و ساخته شده باشند و هيچگونه آسيب از خارج به آنها وارد نشود، دچار خستگي نخواهند شد. از بيش از 4 ميليون ايمپلنت کاشته شده فقط کمتر از 60 مورد دچار شکست شده اند که اغلب در هنگام نقل و انتقال يا جايگذاري بوده است. پس به نظر ميرسد موردي از شکست خستگي تاکنون وجود نداشته است. مقاومت سايشي کربن پيروليت عالي است. حضور کربن پيروليت در پروتزهاي دريچه قلب، عامل سايش را به عنوان يکي از شيوه هاي شکست حذف خواهد کرد. طي 17 سال کارکرد اين دريچه ها، درکربن پيروليت، لکهاي با عمق کمتر از 2μm به وجود آمده است. اين مقدار براي آلياژ کبالت-کروم بعد از گذشت 12 سال، μm 19 بوده است. براي جلوگيري از خوردگي، پيشنهاد شده که کربن همراه با آلياژهاي فولاد زنگ نزن به کار برده نشود.

کاربرد کربن پيروليت(کربن LTI)
مهمترين و اصليترين کاربرد کربن، استفاده از آن به صورت پوشش کربن پيروليت براي کاربردهاي قلبي- عروقي، به ويژه به عنوان پوشش در پروتزهاي مکانيکي دريچه هاي مصنوعي قلب است. طراحي و ساخت دريچه مصنوعي قلب به دانش بالايي در زمينه بيومتريال و بيومکانيک نياز دارد. ايمپلنتهاي کربني با نشاندن پوشش از يک گاز هيدروکربني در راکتور بستر سيال روي يک زيرلايه گرافيتي به ضخامت حدود0.5mm ساخته ميشوند. پس از آن لايه نشاني، ماشينکاري و پرداخت کاري صورت ميگيرد تا ميزان جذب اکسيژن به صورت شيميايي به حداقل برسد. شرکت هاي Medtronic Bojork-Shiley ،Medical ST Jude و Carbomedics داراي دانش فني ساخت و از توليدکنندگان اصلي دريچه هاي قلب مکانيکي کربني در جهان هستند.

شکل3: دريچه مصنوعي قلب ساخته شده از کربن LTI

پيش بيني عمر ايمن خستگي (Safe Life Time) دريچه قلب کربني
شکست در اثر بارگذاري ديناميکي را خستگي ميگويند. حدود 90 درصد شکستهاي مکانيکي در اثر خستگي رخ ميدهد. خستگي از اين نظر که بدون اخطار قبلي اتفاق ميافتد خطرناک است. سه عامل لازم و مهم براي ايجاد شکست خستگي عبارتند از: 1- يک تنش کششي 2- تغيير يا نوسان تنش اعمالي 3- تعداد زيادي سيکل اعمال نيرو. پيش بيني عمر ايمن به طور مشخص يک مرحله حياتي در طراحي و به کارگيري هر جز ساختاري از قبيل کربن پيروليت است. تاکنون فرض بر اين بوده است که کربن هاي توربواستاتيک از قبيل کربن پيروليت به تخريب خستگي سيکلي غيرحساس است. مطالعات اخير ادعا کرده است استحکام تحمل خستگي اين مواد به طور مجازي برابر با تنش شکست تک سيکلي است به گونه اي که تنش هاي سيکلي کمتر از اين تنش باعث خسارت ميکروسکوپي نميشوند. به هر حال با به کارگيري خاص پروسه هاي تست مکانيکي شکست با نمونه هاي از قبل ترک دار شده، در ابتدا به طور روشن نشان داده شد که ترکهاي خستگي تحت تغييرات بارگذاري در لايه هاي گرافيت پوشش داده شده با کربن پيروليت ميتوانند رشد کنند. مطالعات بعدي اين قضيه را اثبات کرد. طراحي مکانيکي و پيش بيني عمر دقيق، که بايد به طور دقيقي مدهاي شکست واقعي را شبيه سازي کنند، از عناصر ضروري براي استفاده مطمئن ايمپلنتهاي سراميکي که در معرض بارگذاري فيريولوژيکي پيچيده و تخريب هاي ناشي از محيطي در کاربردهاي باليني هستند، ميباشند. با در نظر گرفتن اين واقعيت طراحي ساختاري ابزارهاي Cardiovascular-Assist الزامات درخواستي ويژهاي بر روي مواد کربني- پيروليت ميگذارد که به عنوان اجزاي بيشتر پروتزهاي دريچه قلب استفاده ميشوند. به طور خاص براي جلوگيري از تروما به دليل شکست مکانيکي دريچه، پروتز بايد براي تحمل عمر خستگي بالاتر از 109 سيکل در محيط هاي فيزيولوژيک شبيه سازي شده با نرخهاي شکستي که احتمالاً بدتر از يک در 100000 نيستند، طراحي شوند. پروسه هاي Damage-Toleran به کاربرده شده در مقاله آقاي ريچي براي رسيدن به اين اهداف توسعه داده شده است. اين پروسه ها محافظه کاري بالايي دارند لذا هزينه بالاتري نسبت به طراحي سنتي و پيش بينيهاي قبلي نيز تحميل ميکنند. در شکل زير پيش بينيهاي عمر Damage-Toleran براي مينيمم عمر هوزينگ دريچه (از جنس کربن پيروليت خالص بدون زيرلايه گرافيتي) به صورت تابعي از اندازه عيب اوليه (ترک اوليه) a0 که از قبل در اين قطعه وجود دارد، آورده شده است و ضمناً نتايج در جدول نيز ذکر شده است. قابل ذکر است که مکان بحراني ترک (I ,II) در هوزينگ دريچه در شکل هاي زير آورده شده است و ضمناً در محاسبات تنش پسماند نيز بايد در نظر گرفته شود.

شکل 4- مکان بحراني ترک (I ,II) در هوزينگ دريچه (a)

جدول 2. عمر پيش بيني شده براي خستگي سيکلي هوزينگ به صورت تابعي از اندازه ترک a0 ترک محل I ؛ (b) ترک محل II.

شکل 5- پيش بيني هاي عمر Damage-Toleran براي مينيمم عمر هوسينگ دريچه (از جنس کربن پيروليتيکي خالص بدون زيرلايه گرافيتي) به صورت تابعي از اندازه عيب اوليه (ترک اوليه) a0
همانگونه که مشخص است اگر طول ترکهاي اوليه موجود در هوزينگ از طول هاي μm 66 و μm 45 به ترتيب براي مکان I (داخل روزنه) و براي مکانII (خارج روزنه) بيشتر شود ميتوانند در اثر خستگي رشد کرده و باعث شکست در 109 سيکل يا 100 سال شوند. اندازه ترک بحراني براي شکست هوزينگ بسته به مکان آن بين 80 تا 128 ميکرومتر است. در جدول زير عمر پيش بيني شده براي خوردگي تنشي هوزينگ به صورت تابعي از اندازه ترک اوليه a0 تحت بارگذاري فيزيولوژيکي بدترين حالت آورده شده است.

جدول3- عمر پيش بيني شده براي خوردگي تنشي هوزينگ به صورت تابعي از اندازه ترک اوليه a0

همانگونه مشخص است زماني که اندازه ترک اوليه از82 μm=a0 روي داخل روزنه (محل I) بيشتر باشد و ضمناً براي حالت هايي که اندازه ترک اوليه از 55μm=a0 ميکرومتر خارج از روزنه (محل II) بيشتر باشد، ترک مستعد رشد بوسيله خوردگي تنشي ميباشد و سبب شکست هوزينگ ظرف حدود 100 سال ميشود. از آنجاکه در اين حالت اندازه ترک بالاتري نسبت به حالتي که خستگي سيکلي باعث شکست ميشود پيش بيني ميکند، فرايند خستگي سيکلي به طور روشني نسبت به عمر سرويس هوزينگ Rate Limiting خواهد بود به گونه اي که مينيمم اندازه ترک قابل رديابي موردنياز μm 45 باقي ميماند.

تنش پسماند در کربن پيروليت
پوشش هاي کربن هاي پيروليت بيشتر درحالت تنش پسماند قرار دارند که اين تابع اختلاف در ضريب انبساط پوشش و زيرلايه است. البته تغييرات در ريزساختار و اندازه دانه پوشش از فصل مشترک پوشش با زيرلايه تا سطح پوشش نيز ميتواند باعث اين تنش هاي پسماند شود. البته اين عوامل تابع ضخامت پوشش نيز هستند. در گرافيت پوشش داده شده با کربن پيروليت (LTI) از آنجاکه ضريب انبساط حرارتي کربن پيروليت از گرافيت بيشتر است، باعث به وجود آمدن يک تنش پسماند کشش در پوشش ميشود. اين تنش پسماند کششي تا MPa 60 هم گزارش شده است (به علت دماهاي مختلف و تغييرات ريزساختاري) که اين مقدار در سطح پوشش حداکثر و در فصل مشترک پوشش کربن پيروليت/گرافيت حداقل خواهد بود (نزديک صفر). اين مقدار تنش کششي پسماند ميتواند براي پوشش مخرب باشد لذا بايد هنگام ارزيابي احتمال شکست در پوشش به تنش کاربردي (Applied Stress) اضافه شود.

نتيجه
موفقيت کربن پيروليت به عنوان يک بيومتريال ايده آل براي پروتزهاي دريچه قلب انکار ناپذير است. اگر اجزاي کربن پيروليت دريچه مکانيکي قلب، به درستي طراحي و ساخته شده باشند و هيچگونه آسيب از خارج به آنها وارد نشود، دچار خستگي نخواهند شد. همچنين مقاومت سايشي کربن پيروليت عالي است. حضور کربن پيروليت در پروتزهاي دريچه قلب، عامل سايش را به عنوان يکي از عوامل شکست حذف کرده است. با اين وجود هنوز کربن پيروليت يک ماده ترد است و ممکن است دچار شکست شود که در پروتزها قابل قبول نيست. اين مورد ممکن است ايجاد مشکلات اجتماعي و مالي کند؛ به ويژه در مواردي که خطر از دست رفتن جان انسانها در ميان است. لذا آناليزهاي دقيق به عنوان يک نياز اساسي براي طراحي و کنترل کيفيت بايد در نظر گرفته شوند. اين سختگيري ها در نهايت حداکثر اطمينان از ايمني بيمار را فراهم خواهد کرد.

منابع
[1] Hans Darmstadt, Christian Roy, Characterization of pyrolytic carbon blacks from commercial tire pyrolysis plants, carbon, Volume33,Issue 10,1995.
[2] Guyton & Hall, Textbook of Medical Physiology, 13th Edition, 2016.
[3] HARRISONS , Principles of Internal Medicine,2015.
[4] On-X Pyrolytic carbon- On-X life technologies, Inc,
[5] Danskart dt RH,Ritchie RO. Pyrolytic carbon coatings. In:Hench LL,Wilson J(eds). An introduction to bioceramics. Singapore, World Scientific publ.co.,1993:261-279
[6] Sumanas W.Jordan, Elliot L.chaikof” Novel thromboresistant materials” Journal of vascular surgery, volume 45, Issue 6, supplement, June 2007.
[7] Kaae JL, Gulden TD,Liang S.Transmission electron microscopy of pyrolytic carbons deposited in a bed of fluidized particles. Carbon 1972;10:701-709.
[8] More RB,Haubold AD,Beavan LA.Fracture toughness of pyrolite carbon.Trans soc biomater 1989:15:180.
[9] Takelley, S Marquez, CF Popelar-In vitro testing of heart valve substitutes, Heart Valves, 2013-Spinger.
[10] ELY JL,Haubold AD.Static fatigue and stress corrosion in pyrolytic carbon In:Ducheyne P.Christiansen D(eds). Bioceramics.VOL6.(Proceedings of the 6th International symposium on ceramics in Medicine). Butterworths-Heonemann,1993:199-204.
[11] Beavan LA.James DW,Kepner JL.Evaluation of fatigue in pyrolite carbon. In:Ducheyne P,Christiansen D(eds). Bioceramics. VOL6.(Proceedings of the 6th International symposium on ceramics in Medicine). Butter worths-Heinemann.1993:205-210.
[12] Pierre-Yves Litzler, Laetitia Benard” Biofilm formation on pyrolytic carbon heart valves: Influence of surface free energy, roughness and bacterial species, The Journal of thoracic and Cardiovascular surgery, Volume 134, Issue 4, October 2007.