طراحی، ساخت، مشخصه یابی و مدل سازی تیتانات باریم متخلخل با پوشش هیدروکسی آپاتیت نانوساختار

در سال های اخیر برای شبیه سازی و مدل کردن بیومواد متخلخل نانوساختار برای بازسازی بافت استخوانی تلاش های زیادی انجام شده است. این تلاش ها در راستای یافتن مکانیزم تغییر شکل در استخوان و در نتیجه دسترسی به مواد با قابلیت بالاتر برای جایگزینی بافت استخوانی است. با توجه به این که یکی از مکانیزم های پیشنهادی برای تغییر شکل در استخوان بر پایه ی خواص پیزوالکتریک آن است، به نظر می رسد که استفاده از مواد پیزوالکتریک به عنوان گزینه ای برای استفاده در کاشتنی های بدن، دارای امتیازات منحصر به فردی باشد. بنابراین، سرامیک تیتانات باریم (batio3) با داشتن خواص پیزوالکتریک مطلوب، دمای کوری حدود 125 درجه سانتی گراد و مشاهدات آزمایشگاهی مبنی بر غیر سمی بودن آن در بدن، به عنوان کاندیدی برای جایگزینی و شبیه-سازی عملکرد بافت استخوانی، مطرح شده است. در این تحقیق با استفاده از سرامیک تیتانات باریم به عنوان یک سرامیک پیزوالکتریک و ایجاد تخلخل در آن و پوشش دهی هیدروکسی آپاتیت نانو ساختار بر روی آن، کامپوزیتی برای جایگزینی و شبیه-سازی عملکرد بافت استخوانی طراحی شد. در استفاده از تیتانات باریم به عنوان جایگزینی برای بافت استخوانی، برای رسیدن به خواص زیست سازگاری مطلوب تر و شبیه سازی آپاتیت زیستی نانوساختار موجود در استخوان طبیعی بدن، از هیدروکسی آپاتیت که به دلیل شباهت با بخش معدنی استخوان، پاسخ های بسیار مطلوبی را در پیوند با استخوان از خود نشان می دهد، به صورت پوشش نانو ساختار استفاده شد. نانو پودر تیتانات باریم استفاده شده در این تحقیق برای ساخت فوم متخلخل به روش سل- ژل تولید شد. فوم -تیتانات باریم با استفاده از پودر تهیه شده و به روش متخلخل سازی مستقیم توسط پلیمر پلی یورتان ساخته شد. پوشش دهی نانو ساختار هیدروکسی آپاتیت بر روی فوم متخلخل به روش غوطه وری و به کمک سل هیدروکسی آپاتیت انجام گرفت. پس از تهیه ی نمونه های تیتانات باریم متخلخل با پوشش هیدروکسی آپاتیت نانوساختار، نمونه ها قطبیده نیز شدند. قطبیده کردن نمونه ها توسط الکترودگذاری با چسب رسانای آلومینیوم و تحت تأثیر میدان الکتریکی بین 2 تا 3 کیلوولت بر میلی متر انجام گرفت. پس از آماده سازی نمونه های متخلخل/فشرده، همراه با پوشش هیدروکسی آپاتیت/بدون پوشش هیدروکسی آپاتیت، قطبیده/غیر قطبیده و تحت تنش/بدون تنش، به مدت یک ماه در محلول شبیه سازی شده ی بدن قرار گرفته و تأثیر متخلخل سازی، پوشش دهی، ایجاد قطبش و اعمال تنش بر روی میزان معدنی شدن کلسیم فسفات بر روی نمونه ها بررسی شد. رفتار مکانیکی نمونه های تهیه شده نیز به کمک آزمون فشار تک محوری، بررسی شده و توسط مدل ماده ی فوم شکست پذیر در نرم افزارabaqus مدل سازی شد. نتایج تصاویر حاصل از آزمون میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد که ابعاد ذرات پودر تیتانات باریم ساخته شده بین 70 تا 100 نانومتر است. الگوی پراش پرتو ایکس فوم تیتانات باریم پوشش دهی شده ساختار هیدروکسی آپاتیت پوشش موجود بر روی فوم را تأیید کرد و به کمک این الگو و توسط رابطه ی شرر، اندازه ی کریستال های هیدروکسی آپاتیت پوشش دهی شده بر روی نمونه ی متخلخل تیتانات باریم محاسبه و در محدوده ی 20 تا 30 نانومتر برآورد شد. نتایج تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه ها بعد از آزمون غوطه وری در محلول شبیه-سازی شده ی بدن شکل گیری آپاتیت شبه استخوانی بر روی نمونه های متخلخل همراه با پوشش هیدروکسی آپاتیت را نشان داد. این در حالی است که بر روی نمونه های بدون پوشش و حتی در نمونه های غیر متخخل با وجود پوشش هیدروکسی آپاتیت، معدنی شدن کلسیم فسفات به صورت بسیار ناچیزی اتفاق افتاده است. این مسأله تأثیر متخلخل سازی و پوشش دهی بر روی رفتار زیستی ماده را به خوبی نشان داد. علاوه بر این، بررسی روند تغییرات غلظت یون های کلسیم و فسفات که توسط آنالیزآنالیز پلاسمای جفت شده القایی انجام شد، نشان داد که ایجاد قطبش و اعمال تنش نیز بر معدنی شدن کلسیم فسفات بر روی نمونه ها تأثیر داشته است به گونه ای که میزان شکل گیری کلسیم فسفات در نمونه های قطبیده شده بیشتر از نمونه های قطبیده نشده و در نمونه های قطبیده شده ی تحت تنش بیشتر از نمونه های بدون تنش است. این آزمایش می تواند تأییدی بر تئوری تأثیر خواص پیزوالکتریک در مکانیزم تغییر شکل استخوان نیز باشد. پاسخ های به دست آمده از مدل سازی فوم تیتانات باریم توسط مدل ماده ی فوم شکست پذیر در نرم افزارabaqus، هم خوانی مطلوبی با پاسخ های به دست آمده از آزمون های تجربی انجام شده داشت. برای تأیید بیشتر مدل، رفتار ماده در بارگذاری، باربرداری متناوب نیز بررسی شد و نشان داده شد که مدل مکانیکی ساخته شده توانایی پیش بینی این نوع رفتار در این ماده را نیز دارد.