پلیمرهای پرکاربرد در تولید قطعات و تجهیزات پزشکی

 بسپار/ ایران پلیمر معروف‌ترین بسپارهای مورد کاربرد در ساخت‌ تجهیزات‌‌ پزشکی، پلی‌وینیل‌کلرید (PVC)، پلی‌الفین‌ها شامل پلی‌اتیلن (PE)، پلی­پروپیلن (PP) و ترکیب آن­ها و پلی‌استایرن (PS) می‌باشند. بیش از 75 درصد از تمام بسپارهایی که در کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند از این گروه‌ها هستند. مزایای آن­ها شامل هزینه کم، عملکرد‌ عالی و فرایند‌پذیری آسان می‌باشد. وسایل و تجهیزات ‌پزشکی فراوانی از این بسپارها ساخته می‌شوند و در این مقاله ساختار، خصوصیات وکاربردهای این مواد در تجهیزات پزشکی بیان می‌گردد]1و2[.

پلی­وینیل کلرید (PVC)

تقریبا 25 درصد از کل محصولات و تجهیزات پزشکی از PVC ساخته می‌شود که دلیل آن قیمت کم این بسپار، فرایندپذیری آسان و قابلیت تطبیق خصوصیات آن به محدوده وسیعی از کاربردها است. در میان کاربردهای فراوان پزشکی آن، استفاده در تولید کیسه‌های خون، دستکش‌ها، لوله‌ها، تجهیزات دیالیز، دهانی‌ها و ماسک‌ها، تجهیزات اکسیژن‌رسانی، تجهیزات آزمایشگاهی و پوشش‌های مورد استفاده در آزمایشگاه، سوندهای مثانه (Catheters)، قطعات مذاب تزریقی و بسته‌بندی ابزارها را می‌توان نام برد]1 و2[.

به دلیل وجود گروه­های جانبی بزرگ کلر، PVC با دمای گذار شیشه‌ای بین 75 تا 105 درجه سانتی­گراد، گرانروی مذاب زیادی دارد و فرایندپذیری آن دشوار می‌باشد. برای پیشگیری از تخریب گرمایی بسپار، پایدارکننده­های گرمایی همانند صابون‌های فلزی یا نمک‌ها با آن ترکیب می‌شوند. در ترکیب آمیزه‌‌های PVC از روان‌کننده‌ها استفاده می‌شود تا از چسبندگی به سطوح فلزی جلوگیری کند و جریان مذاب حین فرایند را تسهیل بخشد. PVC محدوده وسیعی از خصوصیات را پوشش می‌دهد که از نظر سختی، شامل موادی هم­چون کشایند‌ها و بسپارهای‌ گرمانرم مهندسی می‌شود]3[.

خصوصیات پلی ­وینیل کلرید

دلایل و عوامل اصلی رواج کاربرد PVC در کاربرد‌های ابزار و وسایل پزشکی بدین شرح می‌باشد:

– تمامی نتایج عوامل محیطی و مراقبت‌های بهداشتی حاکی از آن بوده است که PVC  ایمن و بی‌خطر می‌باشد.

– PVC نرم، شفافیت خوبی دارد و لوله‌ها و سایر محصولات ساخته شده از آن شفافیت خود را به خوبی حفظ می‌کنند.

– PVC در محدوده گسترده‌ای از انعطاف‌پذیری، با مقاومت فوق‌العاده در برابر پیچ­خوردگی (kinking) در محصولات تولید‌شده از آن، خطر قطع‌شدن جریان سیال و یا وقفه در آن طی کاربردهای پزشکی را کاهش دهد.

– PVC استحکام و سختی خوبی را نشان می‌دهد.

– PVC مقاومت شیمیایی و پایداری مناسبی از خود نشان می‌دهد و برای کاربردهای دارویی با محیط زیست سازگار است]1[.

– PVC به راحتی می‌تواند به انواع مختلف بسپارها از طریق روش‌های گوناگون جوش داده و متصل شود.

سترون‌سازی پلی­وینیل‌کلرید

سترون‌سازی با پرتو گاما، با مقادیر انرژی و زمان‌های تابش زیاد ممکن است باعث تغییر رنگ یا ایجاد بو در بسپار شود. سترون‌سازی با اتیلن اکسید برای پلی­وینیل‌کلرید پیشنهاد می‌شود. سترون‌سازی با بخار در اتوکلاو در دماهای بین 120 تا 134 درجه سانتی­گراد انجام می‌شود. این محدوده دمایی هیچ مشکلی برای پلی‌وینیل کلراید منعطف ایجاد نمی‌کند، چرا که ماده‌ای کشایند‌مانند می‌باشد. پلی‌وینیل‌کلرید سخت (Rigid unplasticized) و صلب برای استفاده در بخار و سترون‌سازی با اتوکلاو مناسب نمی‌باشد، چرا که این ماده و قطعات ساخته‌ شده از آن در این شرایط تاب برداشته و از شکل خود خارج می‌شوند. محصولات پلی‌وینیل‌کلرید هم­چنین می‌توانند با فناوری جدید پلاسما با دمای کم سترون شوند]2[.

پلی‌اتیلن (PE)

پلی‌اتیلن کم‌چگالی ‌خطی (LLDPE) شامل چندین زنجیر ‌کوتاه در امتداد رشته اصلی این بسپار می‌باشد. زنجیرهای کوتاه مانع جهت­یافتگی و تنگ­چینی زنجیرهای بسپار می­شوند، اما زنجیر‌ها اکثرا خطی هستند. در پلی‌اتیلن پرچگالی (HDPE) تعداد نسبتا کم زنجیر‌های جانبی در رشته اصلی بسپار این امکان را می‌دهد که ساختار آن جهت­یافته شود و در یک ردیف قرار بگیرد و یک بسپار بلوری و با چگالی زیاد را ایجاد کند. ساختارهای این سه نوع پلی­اتیلن در شکل 1 آمده است.

[EasyDNNGallery|11421|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1:  ساختارهای 3 نوع پلی‌اتیلن]2[.

پلی‌اتیلن فراسنگین  (UHMWPE) یک پلی‌اتیلن خطی با زنجیر‌های کوتاه و کم‌ تعداد در طول زنجیر و رشته اصلی بسپار و با جرم مولکولی بسیار زیاد است. جرم مولکولی زیاد، استحکام فوق­العاده، سختی و دوام را نسبت به دیگر انواع پلی­اتیلن فراهم می‌نماید. پلی‌اتیلن در کاربردهای متنوعی نظیر فیلم‌های بسته‌بندی، لوله‌ها و تیوب‌ها، اجزا درون وریدی و کاشتنی‌های (Implant) قابل‌تعویض استفاده می‌شود]1[.

خصوصیات پلی‌اتیلن

پلی‌اتیلن کم‌چگالی، ترکیبی از انعطاف‌پذیری، استحکام و خاصیت سدگری و همین‌طور هزینه را دارد. این نوع پلی‌اتیلن شفافیت زیادی دارد و از نظر شیمیایی خنثی است، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر پارگی و ترک ناشی از تنش آن عالی است. پلی‌اتیلن کم‌چگالی در بسته‌بندی‌های حباب‌دار برای پوشش داروها استفاده می‌شود. پلی‌اتیلن کم‌چگالی‌خطی (LLDPE) در فیلم‌ها و بسته­بندی‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری و چقرمگی آن به­کار می‌رود] 1و2[.

پلی‌اتیلن پرچگالی تقریبا مات است و نسبت به پلی­اتیلن کم چگالی انعطاف‌پذیری کمتری دارد. با توجه به بلورینگی بیشتر آن، مقاومت شیمیایی، سفتی و استحکام بیشتری دارد. بیشترین استفاده از این نوع پلی‌اتیلن در ساخت ابزارآلات پزشکی و جراحی می‌باشد. پلی­اتیلن پرچگالی مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر ترک ناشی از تنش، مقاومت در مقابل تابش و استحکام ضربه خوبی دارد. پلی­اتیلن پرچگالی به طور گسترده‌ای در تیوب‌های پزشکی استفاده می‌شود و از آن جایی­که هزینه کم، اصطکاک کم، مقاومت شیمیایی و قابلیت قالب‌گیری خوبی دارد آن را تبدیل به یک رقیب بسیار خوب برای PVC می‌کند.

پلی­اتیلن با جرم مولکولی بسیار زیاد دارای خواصی استثنایی هم­چون استحکام ضربه، فرسایش ‌کم، مقاومت در برابر ترک ناشی از تنش بوده و جذب انرژی عالی دارد که آن را یک ماده ایده‌آل برای استفاده در ساخت نخ‌های بخیه (شکل 2) و اندام‌های مصنوعی نظیر مفصل ران، زانو و شانه مصنوعی می‌کند] 1و2[.

[EasyDNNGallery|11423|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 2: نخ‌های بخیه]4[.

سترون‌سازی پلی‌اتیلن

دماهای کمِ شکست و خمش پلی‌اتیلن (حدود 30 تا 50 درجه سانتی­گراد)، آن را برای سترون‌سازی با بخار و اتوکلاو نامناسب نموده است. بنابراین روش‌های دیگر سترون‌سازی مانند پرتو گاما، باریکه الکترون (electron beam) و اتیلن اکساید (EtO) مناسب هستند که از این میان اتیلن‌اکساید تاثیری بر خواص پلی­اتیلن پرچگالی نمی‌‌گذارد، اما پلی‌اتیلن تحت پرتوهای پر­انرژی اکسایش و یا شبکه‌ای (Cross-Link) خواهند شد]2[.

پلی­پروپیلن (PP)

شفافیت زیاد، خصوصیات سدگری مناسب و مقاومت در برابر تابش، پلی‌پروپیلن را در ساخت ابزار و تجهیزات ‌پزشکی و بسته‌بندی بسیار مفید ساخته است. تولیدکنندگان نوع بهداشتی پلی‌پروپیلن، اغلب این بسپار و هم­بسپارهای آن با اتیلن را به عنوان رقیبی برای شیشه، PVC و سایر بسپارها معرفی می‌کنند. برخی از کاربردهای آن­ها در امر مراقبت‌های بهداشتی شامل بسته‌بندی‌های حباب­دار، کیسه‌های منعطف، سرنگ‌ها، لوله و تیوب‌ها، مواد یک­بار مصرف مورد استفاده در بیمارستان‌ها، لوله‌های آزمایش، لیوان‌های آزمایشگاهی و پیپت‌ها هستند]1و2[. ساختارهای پلی­پروپیلن در شکل 3 نشان داده شده است.

[EasyDNNGallery|11424|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 3: ساختارهای پلی­پروپیلن]2[.

خصوصیات پلی­پروپیلن

از فواید پلی‌پروپیلن استحکام و سبکی آن می‌باشد. پلی‌پروپیلن بیشتر خصوصیات مکانیکی خود را در دماهای زیاد حفظ می‌کند و نسبت عملکرد به قیمت بسیار خوبی دارد. مقاومت در برابر ترک ناشی از تنش و مقاومت شیمیایی خوبی داشته، قابل اتوکلاو می‌باشد و عایقی عالی است. پلی­پروپیلن در دماهای کم ( معمولا کمتر از 32 درجه سانتی گراد) شکننده است و تا زمانی­که افزودنی‌ها و اصلاح‌کننده‌های ضربه با آن ترکیب نشده‌اند در مقابل هوازدگی و تابش مقاوم نیست. از میان 3 نوع پلی‌پروپیلن موجود، ساختار تک­سوآرایش (Isotactic) بیشترین استفاده را دارد. پلی‌پروپیلن‌های با سفتی بیشتر، مدول‌های خمشی بیشتری دارند. این موضوع به طراحی دیواره‌های نازک‌تر کمک کرده و هم­چنین می‌تواند زمان و هزینه تولید را کاهش دهد] 1و2[.

سترون‌سازی پلی پروپیلن

حساسیست پلی‌پروپیلن باعث می‌شود که به طور جدی پس از سترون‌سازی با مقدارهای معمولی از تابش شکننده شود. از این رو برای حفاظت محصول سترون‌سازی شده در برابر تخریب (degradation)، می‌توانند با مقدار ضداکسنده (antioxidant) کافی در برابر تابش پایدار شوند. پایداری و دوام پلی‌پروپیلن پایدار‌شده به‌سرعت و به‌آسانی از طریق انجام آزمون القا زمان اکسایش (OIT) تعیین می‌شود. دمای ذوب پلی‌پروپیلن برای کاربرد اتوکلاو به اندازه کافی زیاد است و می‌توان از این روش برای سترون‌سازی بهره برد]2[.

هم­بسپارهای الفینی حلقوی (COCs)

طی دو دهه گذشته، یک گروه جدید از بسپارها، به نام هم­بسپارهای الفینی حلقوی معرفی شده‌اند. این بسپارها در کاربردهای آزمایشگاهی و تشخیصی، شامل آمپول‌های شیشه‌ای، بطری‌ها و سرنگ‌ها به­کار می‌روند. هم­بسپارهای الفینی حلقوی اَریخت (آمورف) و شفاف هستند. آن­ها ترکیبی از شفافیت، مقاومت عالی در برابر ‌ضربه، مقاومت در برابر ­خرد شدن (shatter resistance) و خواص سدگری در برابر رطوبت (moisture barrier) دارند. هم­چنین خصوصیات الکتریکی عالی و مقاومت گرمایی بیشتر نسبت به پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن دارند. هم­بسپارهای الفینی حلقوی یک ترکیب عالی از خصوصیات نوری و مکانیکی را نسبت به دو بسپار دیگر شفاف از لحاظ نوری ارایه می­دهند. علاوه­بر این موارد، سفتی و سختی زیاد و خزش‌ کم، سبکی و چگالی کم، پایداری ابعادی طولانی مدت و مقاومت شیمیایی خوب دارند.

محتوای قابل استخراج و مواد فرار کم به آن­ها قابلیت زیست‌سازگاری عالی می‌دهد. هم­بسپارهای الفینی حلقوی می‌توانند با رنگدانه‌ها، روان‌کننده‌ها، الیاف شیشه، تاخیراندازنده‌های شعله، پرکننده‌ها و سایر افزودنی‌ها ترکیب شوند و از طریق انواع روش‌ها شامل قالب‌گیری تزریقی، رانشگری فیلم، صفحه و پروفایل و قالب­گیری تزریقی دمشی تولید شوند]2[.

هم­بسپارهای الفینی حلقوی در ساخت ابزارها و تجهیزات پزشکی و تشخیصی کاربرد دارند. این وسایل شامل سرنگ‌ها، آمپول‌ها، شیشه‌های کوچک دارو، کووت­ های (Cuvettes‌، لوله­ ی کوچک شیشه­ای که در طیف ­نگاری و غیره کاربرد دارد) مورد استفاده در آزمایشگاه، صفحات تیتراسیون بسیار کوچک، لوله‌های آزمایش، ظروف کوچک مخصوص کشت میکروب، پیپت‌ها (Pipettes) و لوازم آزمایشگاهی تخصصی می‌باشد. هم­چنین هم­بسپارهای الفینی حلقوی کاربردهایی در تزریق‌کننده‌های بدون سوزن، قلم‌های تزریق، دهان‌بندهای طبی و دستگاه‌های تنفس مصنوعی پیدا کرده‌اند. به دلیل خاصیت خوب گرماشکل‌پذیری آن­ها، به طور ایده­آل برای تولید بسته‌بندی‌های حباب‌دار مناسب می‌باشند]2[.

پلی‌استایرن (PS)

پلی‌استایرن با هزینه و چگالی‌کم، شفافیت، پایداری ابعادی و قابلیت سترون‌سازی تابشی، خصوصیات بسیار جذابی برای کاربردهای پزشکی را دارد. پلی‌استایرن جامد خالص، یک بسپار فاقد رنگ، سخت و با انعطاف‌پذیری محدود است. پلی‌استایرن می‌تواند به دو شکل بلوری و مقاوم در برابر ضربه (HIPS) باشد.

موارد کاربرد پلی‌استایرن بلوری در پزشکی شامل، ظروف و تجهیزات آزمایشگاهی مانند ظروف کوچک مخصوص کشت میکروب و سینی‌های بافت‌کشت میکروب در آزمایشگاه می‌باشد. پلی‌استایرن مقاوم به ضربه در محصولات گرماشکل داده‌شده مانند سینی‌های سوند مثانه، سینی‌های پمپ قلب و سینی‌های اپیدورال (Epidural)، استفاده می‌شود. هر دو نوع پلی‌استایرن در تجهیزات مراقبت و نگهداری تنفسی، توپی‌های سرنگ‌ها، محفظه‌های مکش کاربرد پیدا کرده­اند. ساختار انواع پلی‌استایرن در شکل 4 آمده است]2و4[.

[EasyDNNGallery|11425|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 4: ساختار انواع پلی استایرن]2[.

سترون‌سازی پلی‌استایرن

سترون‌سازی پلی‌استایرن با بخار و اتوکلاو پیشنهاد نمی‌شود. اعوجاج (disfigure) و تاب برداشتن (wrap) در دمای کم اتفاق می‌افتد و باعث می‌شود تا قطعات پیچیده و بدشکل شوند. پلی‌استایرن می‌تواند با اتیلن اکسید سترون شود. پلی­استایرن در برابر پرتو گاما و باریکه الکترون بسیار پایدار است که این موضوع به دلیل درصد زیاد آروماتیک آن می‌باشد. پلی‌استایرن در برابر سترون‌سازی با نور فرابنفش مقاوم می‌باشد]2[.

پلی­ استر (PES)

پلی‌استرها می‌توانند طوری تهیه شوند که صلب، شکننده، سفت و برجهنده (resilient) بوده و یا نرم و منعطف باشند. در ترکیب با تقویت‌کننده‌ها مانند الیاف شیشه، استحکام فوق العاده، نسبت استحکام به وزن زیاد، مقاومت شیمیایی و سایر خواص مکانیکی عالی را نشان می‌دهند. در این خانواده بسپاری سه ماده برجسته و برتر، پلی‌کربنات (PC)، پلی­اتیلن ترفتالات (PET) و پلی‌بوتیلن ترفتالات (PBT) هستند. بسپارهای بلور مایع، نیز به عنوان پلی‌استر در نظر گرفته می‌شوند. پلی‌استرهای گرمانرم، از لحاظ خصوصیات مشابه نایلون 6 و نایلون 66 می‌باشند، ولی جذب آب کمتری دارند و پایداری ابعادی آن­ها از نایلون‌ها بیشتر است]2و4[.

سترون­سازی پلی‌استر

پلی‌استرها به طور عمومی می‌توانند با اتیلن اکساید سترون شوند. با توجه به پایداری هیدرولیکی و دمای گذار شیشه­ای کم، سترون‌سازی با بخار و اتوکلاوهای با دمای بیشتر پیشنهاد نمی‌شود. بسپارهای بلور مایع Ticona Vectra (LCPs) مقاومت فوق العاده‌ای در برابر پرتو گاما و آبکافت (هیدرولیز) دارند. پلی­بوتیلن‌ترفتالات (PBT) می‌تواند از طریق پرتو گاما و یا گرمای خشک تا حدود 180 درجه سانتی­گراد سترون شود]2[.

پلی‌کربنات (PC)

پلی‌کربنات یک نوع پلی‌استر می‌باشد. ساختار شیمیایی پلی­کربنات در شکل 5 آمده است. خصوصیات عملکردی پلی‌کربنات مشتمل بر مقاومت زیاد در برابر ضربه، شفافیت زیاد، مقاومت گرمایی زیاد، پایداری ابعادی، مقاومت در برابر نور فرابنفش، خواص تاخیراندازنده شعله و قابلیت جوشکاری (weldable) می‌باشد]2[.

کاربردهای پلی‌کربنات در دستگاه‌های پزشکی (قابل سترون‌سازی)، سرنگ‌های پرفشار، مخازن نگهداری آب، لوله شریانی (Cannula)، شیرهای آب، جداکننده‌های با نیروی گریز از مرکز، اتصالات شلنگ‌های انتقال مایعات دارویی، بدنه‌های پالاینده خون، نگهدارنده‌های دستگاه‌های دیالیز، دستگاه‌های اندازه‌گیری گلوکز و قندخون، پمپ‌ها، سرنگ‌های کوچک انسولین و نگهدارنده‌های ابزار جراحی می‌باشد]2[.

[EasyDNNGallery|11426|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 5: ساختار شیمیایی پلی کربنات]2[.