طراحی، ساخت و مشخصه یابی کامپوزیت پلی لاکتیک اسید/شیشه زیست فعال جهت استفاده در شکستگی استخوان های ظریف

چکیده: استفاده از پلاک های استخوانی فلزی، روشی متداول جهت تثبیت شکستگی استخوان بدن در درمان های جراحی ارتوپدی است. بروز پدیده هایی چون خوردگی، آزاد شدن یون های فلزی، سایش، و نیز تنش سپری و پیامدهای نامطلوب آن ها، ، نیاز به عمل جراحی ثانویه جهت برداشت پلاک فلزی را اجتناب ناپذیر می سازد. جایگزینی پلاک فلزی با انواع غیر فلزی، از جمله راه کارهایی است که جهت حل مشکلات در دستور کار محققین قرارگرفته است. هدف از پژوهش حاضر، طراحی، ساخت و مشخصه یابی کامپوزیت پلی ال-لاکتیک اسید/شیشه زیست فعال، برای کاربرد به عنوان پلاک های ظریف بود. الیاف شیشه زیست فعال به شکل بافت ساده براید با زاویه 15 درجه نسبت به امتداد طولی، در زمینه پلی ال-لاکتیک اسید جهت طراحی و ساخت پلاک کامپوزیتی انتخاب شد. از نرم افزار ansys ver.10 جهت طراحی، مدل سازی و تحلیل پلاک کامپوزیتی استفاده شد. سپس بر اساس نتایج حاصل از پیش بینی نرم افزار، نمونه های کامپوزیتی پلی ال-لاکتیک اسید/الیاف شیشه زیست فعال تهیه گردید. جهت کنترل فرایند تخریب، از عامل اتصال آمینو پروپیل تری اتوکسی سیلان برای دستیابی به پیوند مناسب در فصل مشترک استفاده شد. علاوه بر آن، برای ساخت نمونه های کامپوزیتی، فرایند پرس داغ جهت دستیابی به زمینه ای با بلورینگی بالا و ساختاری با حداقل تخلخل و میکرو ترک، به کار گرفته شد. سنجش خواص مکانیکی با اجرای آزمون های مختلف کشش، خمش و پیچش، ارزیابی زیست تخریب پذیری و زیست فعالی با استفاده از سنجش تغییرات وزن، اندازه گیری پی هاش (ph) ، آنالیز طیف سنجی پلاسمای زوج یونی (icp)، میکروسکوپ الکترونی روبشی، اسپکتروسکوپی پراکندگی انرژی پرتو ایکس انجام شد. زیست سازگاری با استفاده از سلول استئو بلاست انسانی و آزمون ام تی تی (mtt) ارزیابی شد. نتایج طراحی و مدل سازی پلاک کامپوزیتی نشان دادکه با استفاده از 45 درصد حجمی الیاف بافته شده شیشه زیست فعال در زمینه پلی ال-لاکتیک اسید، پلاک کامپوزیتی حاصل از خواص مکانیکی (کششی وخمشی) نزدیک به استخوان کورتیکال و کمی بالاتر از آن بر خوردار می باشد. نتایج آزمون های مکانیکی نشان داد با بهینه سازی فصل مشترک و به کارگیری فرایند ساخت پرس داغ، کامپوزیت حاصل خواص مکانیکی مطلوبی را جهت تثبیت شکستگی استخوان در نواحی تحت بار متوسط از خود نشان می دهد. استحکام کششی طولی و ضریب کشسانی طولی کامپوزیت اصلاح شده، به ترتیب در حدود 194 مگاپاسکال و 22 گیگاپاسکال بود که درمقایسه با کامپوزیت اصلاح نشده، بیش از 50 درصد افزایش یافته بود. این مطلب حاکی از ایجاد یک پیوند کووالانس قوی در سراسر فصل مشترک بود. تطابق مناسب بین نتایج حاصل پاسخ نرم افزار به مدل طراحی شده و آزمون مکانیکی انجام گرفته بر روی کامپوزیت اصلاح شده، صحت نتایج پیش بینی شده توسط مدل طراحی شده را تایید کرد. علاوه بر آن نشان داد پیوند قوی و تقریباً کاملی در فصل مشترک الیاف و زمینه در کامپوزیت اصلاح شده، ایجاد شده است. تشکیل این پیوند، علاوه بر انتقال مناسب بار از زمینه به الیاف و در نتیجه آن ارتقاء خواص مکانیکی، مانع از نفوذ سریع آب به فصل مشترک شده و هیدرولیز را با تاخیر مواجه می سازد. این مساله، تخریب کنترل شده ای را موجب می شود که در اثر آن، خواص مکانیکی کامپوزیت نیز به آرامی و به تدریج کاهش می یابد. پس علاوه بر آن که پلاک کامپوزیتی قابلیت تثبیت شکستگی را تا پایان دوره التیام اولیه (حدود 8 هفته) دارا است، پیش بینی می شود انتقال بار آرامی نیز به استخوان التیام یافته صورت می گیرد که خود متابولیسم استخوان را بهبود بخشیده و بر روند التیام تاثیر گذار است. تخریب کنترل شده، در اثر طراحی صحیح و فرایند مناسب ساخت، موجب کنترل تغییرات پی هاش شده و آن را در محدوده فیزیولوژیک نگه می دارد. سیلانیزه کردن سطح الیاف منجر به افزایش رهایش یون سیلیسیم در محیط اطراف نمونه های کامپوزیتی شد که خود بر رشد و تکثیر سلول های استئوبلاست تاثیر گذار است. اگرچه با ایجاد مقاومت در برابر هیدرولیز، رهایش یون های کلسیم، فسفر و منیزیم کمی با تاخیر مواجه می شود اما رهایش یون های مذکور مختل نشده و مانع از زیست فعالی پلاک کامپوزیتی نمی گردد. بررسی زیست سازگاری سلول های استئوبلاست انسانی در مجاورت نمونه های کامپوزیتی اصلاح شده ، نشان داد که عامل اتصال سیلان نه تنها تاثیر منفی بر پاسخ سلول های استئو بلاست به کامپوزیت پلی ال-لاکتیک اسید/شیشه زیست فعال نداشته است بلکه با رهایش مناسب یون های اثر گذار بر رشد و تکثیر این سلول ها (به ویژه یون سیلسیم) و نیز کنترل مناسب پی هاش پاسخ بسیار مناسب تری را در مقایسه با نمونه های اصلاح نشده و نیز کنترل منفی ایجاد کرده است. بر اساس یافته های این پژوهش، پلاک استخوانی کامپوزیتی جزئی تخریب پذیر پلی ال-لاکتیک اسید/شیشه زیست فعال با طراحی مناسب، انجام اصلاح سطحی الیاف و به کارگیری فرایند مناسب ساخت، قابلیت تثبیت ناحیه شکستگی استخوان در نواحی تحت بار متوسط را تا پایان دوره التیام دارا بوده و علاوه بر آن بر سرعت رشد و تکثیر سلول های استخوان ساز اثر گذار است که می تواند بر تسریع التیام تاثیر گذار باشد. با استفاده از این پلاک غیر فلزی، پیامد های نا مطلوب پلاک های فلزی مانند خوردگی و رهایش یون های نا مطلوب فلزی حذف می شود. با توجه به نزدیک بودن ضریب کشسانی این پلاک غیر فلزی به ضریب کشسانی طولی استخوان کورتیکال، پدیده تنش سپری و پوکی استخوان متعاقب آن حذف شده و انتقال تدریجی بار به استخوان التیام یافته، منجر به حصول استخوانی با استحکام بالا می گردد. از دیگر مزایای این پلاک غیر فلزی قابلیت تخریب پذیری آن است که نیاز به جراحی ثانویه جهت خروج پلاک را مرتفع می سازد.