پژوهشگران ایرانی در حوزه مهندسی مواد با استفاده از نانوذرات اکسیدی سازگار با بدن، در زمینه هیدروکسی آپاتیت، استحکام خمشی و سختی قطعات هیدروکسی آپاتیت را افرایش دادند.
افزایش خواص هیدروکسی آپاتیت سنتز شده به روش زیست سازگار
پژوهشگران ایرانی در حوزه مهندسی مواد با استفاده از نانوذرات اکسیدی سازگار با بدن، در زمینه هیدروکسی آپاتیت، استحکام خمشی و سختی قطعات هیدروکسی آپاتیت را افرایش دادند. قابل ذکر است که سنتز زمینه این نانوکامپوزیتها در پژوهش آنها مشابه با سازوکاری بوده است که در بدن نیز رخ میدهد.
هیدروکسی آپاتیت بعنوان یکی از مهمترین مواد زیستی که ساختاری شبیه به استخوان بدن انسان دارد، از مواد مطرح پژوهشهای جهانی است. نگاهی گذرا به پایگاههای علمی و انتشارات بین المللی، اهمیت موضوع را هویدا میکند بهطوری که تنها با کلید واژه این ماده در پایگاه Sciencedirect میتوان بالغ بر ۱۲۸۰۰مقاله علمی از سال ۲۰۱۰ تا کنون در مجلههای مختلف یافت که بیانگر تمرکز پژوهشگران بر این ماده و کاربردهای متنوع آن است. از طرف دیگر، از آنجایی که پیشرفت در حوزه مهندسی پزشکی و مواد زیستی مستقیما بر روی زندگی نوع بشر تأثیر گذار است، شاهد سرمایه گذاریهای قابل توجهای در این زمینهها هستیم.
این کار تحقیقاتی در حقیقت ساخت پودر و قطعه نانوکامپوزیتی بر پایه هیدروکسی آپاتیت بوده است که با نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید تیتانیوم تقویت شده است. این نانوذرات خواص مکانیکی از جمله استحکام خمشی و سختی قطعه تهیه شده را بهبود داده و تجزیه هیدروکسی آپاتیت را به دماهای بالاتر منتقل میکنند که در اینصورت سینتر هیدروکسی آپاتیت در دماهای بالاتر و برای رسیدن به چگالی و استحکام بیشتر امکانپذیر میشود. درحقیقت کامپوزیت کردن هیدروکسی آپاتیت با این نانوذرات ضمن بهبود خواص مکانیکی آن، امکان ساخت قطعات چگالتردر دماهای بالاتر را نیز فراهم میآورد.
مهندس آروین اسکندری، کارشناس ارشد نانو مواد از پژوهشگاه مواد و انرژی ، در مورد این پژوهش گفت: «پژوهش صورت گرفته بهوسیلهی گروه ما در حقیقت ادامه کار تحقیقاتی بوده است که در مرحله اول در مقاله Densification Behavior and Mechanical Properties of Biomimetic Apatite Nano crystals در مجله Current Nanoscience در سال ۲۰۱۱ انتشار یافت. در مرحله بعدی کار، با توجه سنتز موفقیت آمیز این پودر (به روشی مشابه آنچه در بدن اتفاق میافتد) و بررسی خواص مکانیکی و رفتار چگالش این ماده، بر آن شدیم تا این ماده را بهصورت نانوکامپوزیت تهیه کرده و رفتار چگالش و تف جوشی آن را بررسی و خواص مکانیکی قطعات را مورد ارزیابی قرار دهیم. لازم به ذکر است که خواص مکانیکی مواد بشدت تابع ریز ساختار آن است. از طرف دیگر، هیدروکسی آپاتیت خالص بعنوان ماده اصلی بافت استخوانی، استحکام فشاری و خمشی مناسبی بهمنظور تحمل تنش را ندارد ازین رو بهبود استحکام خمشی این ماده به روشهای مختلفی پیشنهاد شده است. یکی از این روشها ساخت قطعات کامپوزیتی یا نانوکامپوزیتی ازین ماده است. امروزه اهمیت نانوکامپوزیتها یا مواد مرکب نانوساختار بر کسی پوشیده نیست چرا که عموما بهبود قابل ملاحظه خواص را در پی دارد. با توجه به اهمیت هیدروکسی آپاتیت در مواد زیستی، از مواد زیستی خنثی (Inert) که در مهندسی پزشکی و در قطعات ایمپلنت استفاده میشود، مانند آلومینا و تایتانا، در جهت بهبود رفتار مکانیکی ماتریکس استفاده نمودیم که حاصل کار در نشریه Ceramics International در سال ۲۰۱۳ منتشر شد.»
در مهندسی مواد، یکی از مکانیزمهای استحکام بخشی، استفاده از فاز ثانویه بهمنظور جلوگیری از رشد ترک و تحرک و لغزش نابجاییها است. در مواد سرامیکی، بحث تخلخل که بعنوان عیب سه بعدی شناخته شده و یکی از مکانهای مناسب برای جوانه زنی و رشد ترک است، بسیار حائز اهمیت می باشد. بهطور خلاصه، یکی از اهداف افزودن فاز ثانویه به ماتریکس اصلی این است که با ایجاد موانع بر سر راه ترکهای احتمالی ایجاد شونده در ماتریس اصلی از رشد ترک جلوگیری بعمل آورده شود. به این صورت که ترک در حین رشد به ذرات ثانویه پراکنده یا فاز تقویتکننده در ماتریکس برخورد میکنند. این ذرات استحکام بیشتری نسبت به ماتریس اصلی دارند و بنابراین رشد ترک یا متوقف میگردد و یا مسیر رشد آن منحرف میشود. به بیان دیگر، انرژی ترک کاهش یافته و رشد آن کند و یا متوقف میگردد. فازهای ثانویه میتواند بهصورت رسوب سختی و یا آلیاژسازی و ساخت قطعات مرکب در زمینه قرار بگیرند. مهندس اسکندری در تکمیل اهمیت فناوری نانو در این پژوهش افزود: «در پروژه مد نظر، با استفاده از نانوذرات اکسیدی که از نظر زیستی با بدن واکنش نداده و استفاده از آنها غیر سمی و غیر مضرر است، در زمینه هیدروکسی آپاتیت، استحکام خمشی و سختی قطعات بطرز قابل توجهای افزایش یافته است. علاوهبر این موضوع، در فرایند تف جوشی، دماهای بالاتر / فشار بیشتر، سبب چگال شدن بیشتر قطعات میشود. اما محدودیتهایی چون تجزیه مواد و یا سیلان نامناسب پودرهای بویژه پودرهای سرامیکی، همواره سبب ایجاد چالش در این امر میشود. نانو پودرها نیز عموما بسبب افزایش سطوح فعال تمایل به کلوخه شدن شدیدی (آگلومراسیون) دارند که تف جوشی و متراکم کردن آنها را بهمنظور رسیدن به قطعات چگال با مشکل مواجه میکند. نانو هیدروکسی آپاتیت سنتز شده نشان داد که در دماهای بالاتر از oC1250 به ترکیبات کلیسیمی و فسفاتی تجزیه میشود اما با استفاده از نانوذرات اکسیدی، این تجزیه به دماهای بالاتر منتقل گردیدکه مزیت قابل توجهای دارد. در حقیقت با افزایش نسبت سطح به حجم در نانوذرات، سطح تماس ذرات با زمینه بیشتر شده و قفلهای مکانیکی نیز ایجاد میشود.»
از مهمترین دستاوردهای این طرح میتوان به افزایش قابل ملاحظه استحکام خمشی در حدود %۲۷ برای نمونه تقویت شده با تایتانا و ۴۰ % برای نمونه مستحکم شده با آلومینا اشاره کرد. سختی این قطعات نیز نسبت به نمونه خالص نانوساختار هیدروکسی آپاتیت، در حدود ۱۰۰% افزایش یافته است.
با توجه به اهمیت هیدروکسی آپاتیت بعنوان ماده اصلی مواد استخوانی، این طرح میتواند چشم انداز مناسبی برای کاربردهای مهندسی پزشکی و مواد زیستی داشته باشد. علاوهبر این، کاربردهای جدیدی برای نانو پودر هیدروکسی آپاتیت بعنوان کاتالیست و غشاهای تراوا و نیمهتراوا دیده شده است که میتوان از این ماده در صنایع مربوطه استفاده کرد.
اسکندری در آخر به زحمات دکتر صدرنژاد و همکاران بین المللی خود در این پروژه، دکتر برنوف از دانشگاه کمبریج و دکتر زهره رضوی حسابی از انستیتو تکنولوژی جرجیا اشاره کرده و از تلاش های آن ها قدردانی نمود.
این تحقیقات حاصل پژوهش محققان از دانشگاه های علم صنعت، آزاد اسلامی، کمبریج، انستیتو تکنولوژی جرجیا و دانشگاه صنعتی شریف بوده است. نتایج این کار تحقیقاتی که به دست مهندس مسعود امین زارع (فارغ التحصیل مهدسی مواد دانشگاه علم و صنعت ایران)، مهندس آروین اسکندری و همکاران آنها صورت گرفته است، در مجله Ceramics International (جلد ۳۹، شماره ۳، آوریل سال۲۰۱۳، صفحات ۲۱۹۷–۲۲۰۶) منتشرشده است.
