بهبود قطعات کاشتنی تیتانیوم با استفاده از نانولوله‌ها

یکی از محققان موسسه فناوری‌های چندمقیاسی موفق به ابداع روشی جدید برای حک کردن نانولوله‌ها روی آلیاژ تیتانیوم و در نتیجه بهبود ویژگی‌های آن به‌عنوان قطعه کاشتنی اُرتوپدی شده است.

تیتانیوم و آلیاژهای آن معمول‌ترین موادی هستند که در ساخت قطعات کاشتنی اُرتوپدی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ جراحان از این قطعات برای ترمیم استخوان‌ها و مفاصل آسیب‌دیده درون بدن بهره می‌برند. این مواد سبک، بسیار قوی و درون بدن بی‌اثر هستند. اما مستقل از اینکه این مواد نقره‌ای در زانو، مفصل ران، ستون فقرات یا فک به‌کار می‌روند، یک اشکال بزرگ دارند.

طلوع شکوفر، دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک می‌گوید: «تیتانیوم دارای سطح آینه‌ای است. در نتیجه سلول‌ها به خوبی به آن نمی‌چسبند و برای رفع این مشکل باید قبل از اینکه درون بدن قرار گیرند، سطح آنها از حالت صیقلی درآمده و زبر شود».

یکی از راه‌های بسیار خوب برای ناصاف کردن تیتانیوم وارد کردن نانولوله‌های کربنی درون آن از طریق حکاکی است؛ بدین‌وسیله یک سطح ناصاف ایجاد می‌شود که سلول‌های استخوان می‌توانند به‌عنوان بخشی از فرایند ترمیم به این سطح بچسبند. اما حک کردن نانولوله‌ها درون تیتانیوم ارزان نیست. روش های معمول این کار نیاز به پلاتین دارند که هر اونس آن (حدود ۲۸ گرم) ۱۷۰۰ دلار قیمت دارد.

شکوفر در طول پروژه دکترای خود یک روش ارزان‌تر برای حک کردن نانولوله‌ها درون تیتانیوم توسعه داده است. وی دو میله یکی از جنس آلیاژ مورد نظر و دیگری از جنس مس را درون محلول ضعیفی از فلوئورید آمونیوم قرار داده و یک جریان الکتریکی میان این دو الکترود برقرار کرد.

شکوفر توضیح می‌دهد: «این کار موجب ایجاد لایه‌ای از اکسید تیتانیوم روی الکترود تیتانیوم به شکل یک لوله می‌شود». قطر نانولوله‌های تولید شده با این روش حدود ۱۰۰ نانومتر و طول آنها حدود ۷ میکرون بود. رشد یافتن لوله ایده‌آل حدود ۲ ساعت طول می‌کشد.

وی سپس با اعمال فشار و حرارت به سطح آلیاژ تیتانیوم، نانولوله‌ها را تحت فرایند آنیلینگ قرار داده و بدین طریق ساختار آنها را آبدوست و بلوری کرد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این کار نه تنها یک سطح آبدوست ایجاد می‌کند، بلکه مکانی مطلوب برای رشد سلول‌ها فراهم می‌آورد. شکوفر با استفاده از سلول‌های فیبروبلاست آزمایش‌هایی انجام داده و نشان داد که این سلول‌ها روی لایه‌ای از نانولوله‌های دی‌اکسیدتیتانیوم سریع‌تر از آلیاژ تیتانیوم تغییرنیافته رشد می‌کنند. در مرحله بعدی وی می‌خواهد آزمایشاتی با استفاده از اُستئوبلاست‌های رشددهنده استخوان ترتیب دهد.

از آنجایی که ساختار این نانولوله‌ها بسیار شبیه خود تیتانیوم است، شکوفر انتظار دارد بتواند تأیید استفاده پزشکی از آنها را به‌سادگی بگیرد.