بهبود استحكام بافت استخوانی به روش زیست سازگار

به گزارش پژوهشگاه مواد و انرژی، سنتز زمینه این نانوكامپوزیت‌ها در پژوهش محققن ایرانی به گونه ای مشابه با سازوكاری است كه در بدن رخ می‌دهد.

هیدروكسی آپاتیت به عنوان یكی از مهم ترین مواد زیستی كه ساختاری شبیه به استخوان بدن انسان دارد، از مواد مورد توجه در پژوهش‌ های جهانی است.

نگاهی گذرا به پایگاه‌های علمی و انتشارات بین‌المللی اهمیت موضوع را هویدا می‌كند، به طوریكه تنها با كلیدواژه این ماده در پایگاه Sciencedirect می‌توان بیش از12 هزار و 800 مقاله علمی از سال 2010 تاكنون را در مجله‌های مختلف یافت كه بیانگر تمركز پژوهشگران بر این ماده و كاربردهای متنوع آن است.

از طرف دیگر، به دلیل تاثیرگذاری مستقیم پیشرفت های مهندسی پزشكی و مواد زیستی بر زندگی نوع بشر، سرمایه گذاری‌های قابل توجهی در این زمینه‌ها در دست اجراست.

در كار تحقیقاتی پژوهشگران ایرانی، ساخت پودر و قطعه نانوكامپوزیتی بر پایه هیدروكسی آپاتیت بوده و با نانوذرات اكسید آلومینیوم و اكسید تیتانیوم تقویت شده است.

این نانوذرات خواص مكانیكی از جمله استحكام خمشی و سختی قطعه تهیه شده را بهبود داده و تجزیه هیدروكسی آپاتیت را به دماهای بالاتر منتقل می‌كند كه در این صورت سینتر هیدروكسی آپاتیت در دماهای بالاتر و برای رسیدن به چگالی و استحكام بیشتر امكان‌پذیر می‌شود.

در حقیقت كامپوزیت كردن هیدروكسی آپاتیت با این نانوذرات ضمن بهبود خواص مكانیكی آن، امكان ساخت قطعات چگال‌تر در دماهای بالاتر را نیز فراهم می‌آورد.

كارشناس ارشد نانو مواد از پژوهشگاه مواد و انرژی و محقق این طرح توضیح داد: پژوهش گروهی ما در حقیقت ادامه كار تحقیقاتی بوده است كه در مرحله اول در مقاله Densification Behavior and Mechanical Properties of Biomimetic Apatite Nano crystals در مجله Current Nanoscience در سال 2011 انتشار یافت.

آروین اسكندری افزود: در مرحله بعدی كار، با توجه به سنتز موفقیت آمیز این پودر، به روشی مشابه آنچه در بدن اتفاق می‌افتد و بررسی خواص مكانیكی و رفتار چگالش این ماده، بر آن شدیم تا این ماده را به‌ صورت نانوكامپوزیت تهیه كرده و ضمن بررسی رفتار چگالش و تف جوشی آن، خواص مكانیكی قطعات را مورد ارزیابی قرار دهیم.

محقق طرح با بیان این كه خواص مكانیكی مواد به شدت تابع ریز ساختار آن است، یادآور شد: از طرف دیگر، هیدروكسی آپاتیت خالص به عنوان ماده اصلی بافت استخوانی، استحكام فشاری و خمشی مناسبی برای تحمل تنش را ندارد از همین رو بهبود استحكام خمشی این ماده به روش‌های مختلفی پیشنهاد شده و یكی از این روش‌ها ساخت قطعات كامپوزیتی یا نانوكامپوزیتی از این ماده است.

اسكندری تصریح كرد: امروزه اهمیت نانوكامپوزیت‌ها یا مواد مركب نانوساختار بر كسی پوشیده نیست، چرا كه عموما بهبود قابل ملاحظه خواص را در پی دارد و با توجه به اهمیت هیدروكسی آپاتیت در مواد زیستی، از مواد زیستی خنثی (Inert) كه در مهندسی پزشكی و در قطعات ایمپلنت استفاده می‌شود، مانند آلومینا و تایتانا در جهت بهبود رفتار مكانیكی ماتریكس استفاده كردیم كه حاصل كار در نشریه Ceramics International در سال 2013 منتشر شد.

وی خاطرنشان كرد: یكی از مكانیزم‌های استحكام بخشی در مهندسی مواد، استفاده از فاز ثانویه به‌ منظور جلوگیری از رشد ترك و تحرك و لغزش نابجایی‌ها است و در مواد سرامیكی، بحث تخلخل كه به عنوان عیب سه بعدی شناخته شده و یكی از مكان‌های مناسب برای جوانه زنی و رشد ترك است، اهمیت فراوانی دارد.

این پژوهشگر ادامه داد: به‌ طور خلاصه، یكی از اهداف افزودن فاز ثانویه به ماتریكس اصلی این است كه با ایجاد موانع بر سر راه ترك‌های احتمالی ایجاد شونده در ماتریس اصلی از رشد ترك جلوگیری شود به این صورت كه ترك در حین رشد به ذرات ثانویه پراكنده یا فاز تقویت‌كننده در ماتریكس برخورد ‌كند.

وی گفت: این ذرات استحكام بیشتری نسبت به ماتریس اصلی دارند بنابراین رشد ترك یا متوقف می‌شود و یا مسیر رشد آن منحرف می‌شود به بیان دیگر، انرژی ترك كاهش یافته و رشد آن كند و یا متوقف می‌شود و فاز‌های ثانویه می‌تواند به‌ صورت رسوب سختی و یا آلیاژسازی و ساخت قطعات مركب در زمینه قرار گیرد.

اسكندری در تكمیل اهمیت فناوری نانو در این پژوهش اظهار كرد: در پروژه مد نظر، با استفاده از نانوذرات اكسیدی كه از نظر زیستی با بدن واكنش نداده و استفاده از آن‌ها غیر سمی و غیر مضر است، استحكام خمشی و سختی قطعات هیدروكسی آپاتیت به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

محقق پژوهشگاه مواد و انرژی افزود: علاوه‌ بر این موضوع، در فرایند تف جوشی، دماهای بالاتر / فشار بیشتر، سبب چگال شدن بیشتر قطعات می‌شود اما محدودیت‌هایی همچون تجزیه مواد و یا سیلان نامناسب پودرها به ویژه پودر‌های سرامیكی همواره سبب ایجاد چالش در این امر می‌شود.

نانو پودرها نیز عموما به سبب افزایش سطوح فعال تمایل به كلوخه شدن شدیدی (آگلومراسیون) دارند كه تف جوشی و متراكم كردن آنها را به‌ منظور رسیدن به قطعات چگال با مشكل مواجه می‌كند.

اسكندری گفت: نانو هیدروكسی آپاتیت سنتز شده نشان داد كه در دماهای بالاتر از 1250 درجه سانتیگراد به تركیبات كلسیمی و فسفاتی تجزیه می‌شود اما با استفاده از نانوذرات اكسیدی، این تجزیه به دماهای بالاتر منتقل شد كه مزیت قابل توجهی دارد.

در حقیقت با افزایش نسبت سطح به حجم در نانوذرات، سطح تماس ذرات با زمینه بیشتر شده و قفل‌های مكانیكی نیز ایجاد می‌شود.

وی یكی از مهم ترین دستاوردهای این طرح را افزایش قابل ملاحظه استحكام خمشی در حدود 27 درصد برای نمونه تقویت شده با تایتانا و 40 درصد برای نمونه مستحكم شده با آلومینا برشمرد.

به گفته اسكندری، سختی این قطعات نیز نسبت به نمونه خالص نانوساختار هیدروكسی آپاتیت در حدود 100 درصد افزایش یافته است.

محقق طرح تاكید كرد: با توجه به اهمیت هیدروكسی آپاتیت به عنوان ماده اصلی مواد استخوانی، این طرح می‌تواند چشم انداز مناسبی برای كاربردهای مهندسی پزشكی و مواد زیستی داشته باشد.

علاوه‌ بر این، كاربردهای جدیدی برای نانو پودر هیدروكسی آپاتیت به عنوان كاتالیست و غشاهای تراوا و نیمه‌تراوا دیده شده است كه می‌توان از این ماده در صنایع مربوطه استفاده كرد.

اسكندری از همكاران داخلی و بین المللی خود در پژوهشگاه مواد و انرژی، دانشگاه كمبریج و انستیتو تكنولوژی جورجیا برای همراهی در این طرح تحقیقاتی قدردانی كرد.

علمی (1)**1055