محققان دانشگاه علم و صنعت ایران موفق به تعیین خواص مکانیکی پودر هیدروکسی آپاتیت به کمک آزمون‌های نوین و غیر مخرب شدند. آزمون‌های انتخاب شده، هزینه‌های مربوط به ساخت نمونه را کاهش داده و برای تعیین خواص مواد و قطعات زیستی کوچک و گران قیمت بسیار مناسب است. این تحقیقات به صورت مشترک با دانشگاه مالایای کشور مالزی و دانشگاه گاجا مادا در کشور اندونزی صورت گرفته است.
دانشگاه علم و صنعت ایران: تعیین خواص هیدروکسی آپاتیت به کمک آزمون‌های غیرمخرب در مقیاس نانو
عامل اصلی سختی مینای دندان و استخوان، وجود کریستال‌های هیدروکسی آپاتیت در ساختار آن‌ها است. این ماده به صورت پودر و با روش‌های شیمیایی قابل تولید است که به دلیل سازگاری با ساختارهای زیستی، کاربردهای دارویی و کلینیکی زیادی دارد. بنابراین آگاهی از خواص مکانیکی و خواص سطحی هیدروکسی آپاتیت، اطلاعات سودمندی را در اختیار ارتوپدها، دندان‌پزشکان و نیز تولیدکنندگان، جهت کاربرد مناسب این ماده قرار می‌دهد. در این تحقیق تلاش شده است فرآیند تولید نوعی هیدروکسی آپاتایت سازگار با بدن انسان، که از خواص مطلوب مکانیکی مانند استحکام بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر سایش و خراش‌های سطحی برخوردار باشد، تدوین گردد.
در بررسی خواص مورد نظر، آزمایش‌های دندانه‌گذاری نانو(Nano-indentation) و خراش نانو (Nano-scratch) با موفقیت روی نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت انجام شده است. محققان، به کمک این آزمون‌ها توانستند خواص مکانیکی و خواص سطحی مانند مدول یانگ، سختی نرمال، سختی خراش و مقاومت در برابر خراش نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت ساخته شده را تعیین کنند. همچنین تأثیر دمای سینترینگ بر خواص مورد نظر نیز به دست آمده است.
دکتر مجیدرضا آیت اللهی، عضو هیئت علمی دانشکده‌ی مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران، دلیل انتخاب این آزمون‌ها را این‌گونه عنوان کرد: «برای انجام آزمایش‌های دندانه‌گذاری نانو و خراش نانو، نیاز به نمونه‌هایی با اندازه‌ی بزرگ نیست. بنابراین برای مواد زیستی، که نسبتاً گران قیمت هستند، بسیار مناسب است. از سوی دیگر، با توجه به غیر مخرب بودن این آزمایش‌ها، می‌توان آن‌ها را بر روی یک نمونه تکرار کرد. این مسئله موجب می‌شود تعداد نمونه‌های مورد نیاز برای انجام آزمایش به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد و به تبع آن هزینه‌ی مربوط به ساخت نمونه نیز کاسته می‌شود. همچنین آزمایش خراش نانو جایگزین مناسبی برای آزمایش‌های سایشی متداول جهت بررسی خواص سطحی مواد است. امکان کنترل دقیق بار، کنترل دقیق میزان نفوذ دندانه گذار و عدم حضور میدان‌های شیمیایی و الکتریکی از دلایل برتری این آزمون است.»
آزمون‌های دندانه‌گذاری نانو و خراش نانو که در سال‌های اخیر برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی و سطحی مواد مورد توجه قرار گرفته‌است، از پیچیدگی‌های خاصی برخوردار است. به عنوان مثال تعیین محل مناسب دندانه‌گذاری نانومتری، میزان و الگوی بار اعمالی به دندانه‌گذار، عمق فرورفتگی مناسب، طول مناسب خراش و مدت زمان بارگذاری و باربرداری از جمله پیچیدگی‌هایی است که کاربر هنگام انجام آزمایش باید مورد توجه قرار دهد تا نتایج آزمایش از درستی لازم برخوردار باشد.
آیت اللهی در ادامه‌ی انجام این آزمون، مقایسه‌ی مقیاس‌های نانو، میکرو و ماکرو، عنوان کرد: «در آزمایش‌های نانو، علاوه بر اندازه‌ی دندانه‌گذار، پارامترهایی نظیر عمق دندانه‌گذاری، ابعاد حفره، طول ترک‌های ایجاد شده در اطراف حفره و نیروهای اعمالی به قطعه اغلب در مقیاس نانو بوده است و این پارامترها از جمله عواملی هستند که آزمایش‌های مقیاس نانو را از آزمایش‌های ماکرو و میکرو متمایز می‌کند. علاوه‌بر این، روش‌های دندانه‌گذاری ماکرو و میکرو، در برخی موارد جزو روش‌های مخرب یا نیمه مخرب به حساب می‌آیند. نمونه‌ی مورد استفاده در این روش‌ها پس از آزمایش اغلب قابل استفاده نیست. این درحالی است که آزمایش‌های نانو به دلیل مقیاس تغییر فرم و آسیب بسیار جزئی روی سطح نمونه‌ی آزمایشی، غیر مخرب محسوب شده و از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای تعیین خواص مکانیکی قطعات کوچک، مواد گران قیمت، لایه‌های نازک (ضخامت در حد نانومتر) و یا مواد و قطعات زیستی به شمار می‌رود.»
بر اساس نتایج به دست آمده، بیشترین مقدار مدول یانگ هیدروکسی آپاتیت مربوط به دمای سینترینگ ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و کمترین مقدار آن مربوط به دمای ۱۰۰۰ درجه است. از طرفی افزایش دمای سینترینگ از ۱۰۰۰ به ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، افزایش سختی هیدروکسی آپاتایت را به دنبال دارد. افزایش بیشتر دمای سینترینگ اثر منفی روی سختی آن دارد. برای همه‌ی دماهای سینترینگ، مقادیر سختی بدست آمده از آزمایش خراش نانو بیشتر از مقادیر سختی بدست آمده از آزمایش دندانه‌گذاری نانو است. در نهایت، بیشترین مقاومت در برابر خراش نمونه‌های هیدروکسی آپاتایت مربوط به دمای سینترینگ ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد گزارش شده است.
هم اکنون این تیم تحقیقاتی در صدد یافتن راهی برای بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی هیدروکسی آپاتیت ساخته شده از استخوان گاو است؛ به طوری که بتوان این ماده را جایگزین پودر تجاری نمود. آیت‌اللهی معتقد است ساختن هیدروکسی آپاتیت با استفاده از استخوان گاو موجب کاهش هزینه‌های تولید این پودر شده و می‌تواند خواص زیست‌سازگار‌تری داشته باشد.
نتایج این تحقیقات که حاصل همکاری عاطفه کریم‌زاده آرانی- دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت- و دکتر مجیدرضا آیت‌اللهی و همکارانشان است، در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۷، ماه ژانویه، سال ۲۰۱۴، صفحات ۹۱۵۹ تا ۹۱۶۴) به چاپ رسیده است.
در بررسی خواص مورد نظر، آزمایش‌های دندانه‌گذاری نانو(Nano-indentation) و خراش نانو (Nano-scratch) با موفقیت روی نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت انجام شده است. محققان، به کمک این آزمون‌ها توانستند خواص مکانیکی و خواص سطحی مانند مدول یانگ، سختی نرمال، سختی خراش و مقاومت در برابر خراش نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت ساخته شده را تعیین کنند. همچنین تأثیر دمای سینترینگ بر خواص مورد نظر نیز به دست آمده است.
دکتر مجیدرضا آیت اللهی، عضو هیئت علمی دانشکده‌ی مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران، دلیل انتخاب این آزمون‌ها را این‌گونه عنوان کرد: «برای انجام آزمایش‌های دندانه‌گذاری نانو و خراش نانو، نیاز به نمونه‌هایی با اندازه‌ی بزرگ نیست. بنابراین برای مواد زیستی، که نسبتاً گران قیمت هستند، بسیار مناسب است. از سوی دیگر، با توجه به غیر مخرب بودن این آزمایش‌ها، می‌توان آن‌ها را بر روی یک نمونه تکرار کرد. این مسئله موجب می‌شود تعداد نمونه‌های مورد نیاز برای انجام آزمایش به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد و به تبع آن هزینه‌ی مربوط به ساخت نمونه نیز کاسته می‌شود. همچنین آزمایش خراش نانو جایگزین مناسبی برای آزمایش‌های سایشی متداول جهت بررسی خواص سطحی مواد است. امکان کنترل دقیق بار، کنترل دقیق میزان نفوذ دندانه گذار و عدم حضور میدان‌های شیمیایی و الکتریکی از دلایل برتری این آزمون است.»
آزمون‌های دندانه‌گذاری نانو و خراش نانو که در سال‌های اخیر برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی و سطحی مواد مورد توجه قرار گرفته‌است، از پیچیدگی‌های خاصی برخوردار است. به عنوان مثال تعیین محل مناسب دندانه‌گذاری نانومتری، میزان و الگوی بار اعمالی به دندانه‌گذار، عمق فرورفتگی مناسب، طول مناسب خراش و مدت زمان بارگذاری و باربرداری از جمله پیچیدگی‌هایی است که کاربر هنگام انجام آزمایش باید مورد توجه قرار دهد تا نتایج آزمایش از درستی لازم برخوردار باشد.
آیت اللهی در ادامه‌ی انجام این آزمون، مقایسه‌ی مقیاس‌های نانو، میکرو و ماکرو، عنوان کرد: «در آزمایش‌های نانو، علاوه بر اندازه‌ی دندانه‌گذار، پارامترهایی نظیر عمق دندانه‌گذاری، ابعاد حفره، طول ترک‌های ایجاد شده در اطراف حفره و نیروهای اعمالی به قطعه اغلب در مقیاس نانو بوده است و این پارامترها از جمله عواملی هستند که آزمایش‌های مقیاس نانو را از آزمایش‌های ماکرو و میکرو متمایز می‌کند. علاوه‌بر این، روش‌های دندانه‌گذاری ماکرو و میکرو، در برخی موارد جزو روش‌های مخرب یا نیمه مخرب به حساب می‌آیند. نمونه‌ی مورد استفاده در این روش‌ها پس از آزمایش اغلب قابل استفاده نیست. این درحالی است که آزمایش‌های نانو به دلیل مقیاس تغییر فرم و آسیب بسیار جزئی روی سطح نمونه‌ی آزمایشی، غیر مخرب محسوب شده و از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای تعیین خواص مکانیکی قطعات کوچک، مواد گران قیمت، لایه‌های نازک (ضخامت در حد نانومتر) و یا مواد و قطعات زیستی به شمار می‌رود.»
بر اساس نتایج به دست آمده، بیشترین مقدار مدول یانگ هیدروکسی آپاتیت مربوط به دمای سینترینگ ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و کمترین مقدار آن مربوط به دمای ۱۰۰۰ درجه است. از طرفی افزایش دمای سینترینگ از ۱۰۰۰ به ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، افزایش سختی هیدروکسی آپاتایت را به دنبال دارد. افزایش بیشتر دمای سینترینگ اثر منفی روی سختی آن دارد. برای همه‌ی دماهای سینترینگ، مقادیر سختی بدست آمده از آزمایش خراش نانو بیشتر از مقادیر سختی بدست آمده از آزمایش دندانه‌گذاری نانو است. در نهایت، بیشترین مقاومت در برابر خراش نمونه‌های هیدروکسی آپاتایت مربوط به دمای سینترینگ ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد گزارش شده است.
هم اکنون این تیم تحقیقاتی در صدد یافتن راهی برای بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی هیدروکسی آپاتیت ساخته شده از استخوان گاو است؛ به طوری که بتوان این ماده را جایگزین پودر تجاری نمود. آیت‌اللهی معتقد است ساختن هیدروکسی آپاتیت با استفاده از استخوان گاو موجب کاهش هزینه‌های تولید این پودر شده و می‌تواند خواص زیست‌سازگار‌تری داشته باشد.
نتایج این تحقیقات که حاصل همکاری عاطفه کریم‌زاده آرانی- دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت- و دکتر مجیدرضا آیت‌اللهی و همکارانشان است، در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۷، ماه ژانویه، سال ۲۰۱۴، صفحات ۹۱۵۹ تا ۹۱۶۴) به چاپ رسیده است.
