ارائه مدلی مناسب بر اساس کامپوزیت نانولوله های کربنی برای خواص مکانیکی بافت استخوان

خصوصیات ایده آل مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی و حتی زیستی نانولوله های کربنی، آنها را به عنوان انتخابی جالب توجه برای کاربرد در کامپوزیت های چندکاره معرفی می نماید. با گسترش کاربردهای آنها، رفته رفته مطالعات وسیعی روی زیست سازگاری و زیست فعالی نانولوله های کربنی انجام گرفته است. نانولوله های کربنی عامل دار شده توسط گروههای شیمیایی، به خاطر امکان برقراری پیوند شیمیایی با ماده ماتریس توجه سازندگان مواد کامپوزیت جدید را به خود جلب نموده اند. این گروههای شیمیایی به عنوان پل ارتباطی برای انتقال تنش از ماتریس به نانولوله کربنی و در نتیجه تقویت پاسخ مکانیکی کامپوزیت به بارگذاری اهمیت زیادی دارند. نانولوله کربنی به عنوان داربست در مهندسی بافت مطرح شده است به طوریکه چسبیدن، رشد و تکثیر سلولهای بافت روی آن گزارش شده است. نانولوله کربنی از نظر شیمیایی می تواند محیط مناسبی برای رشد و تکثیر سلولهای استخوانی ایجاد کند. به علاوه به خاطر خصوصیات الاستیک استثنایی (مدول یانگ حدود 1000 گیگاپاسکال و استحکام کششی حدود 100 گیگاپاسکال) خواص مکانیکی بافت معدنی استخوان، یعنی هیدروکسی اپاتایت، که روی آن رسوب می نماید را در اثر مکانیزم تقویت، بهبود می بخشد. لذا احتمال تعبیه استخوانی که روی چنین داربستی رشد کند و خصوصیات بهبود یافته مکانیکی نسبت به استخوان طبیعی (سالم یا بیمار) نیز پیدا کند، دور از ذهن نخواهد بود. در این پایان نامه، با معرفی هندسه، ساختار و خصوصیات نانولوله های کربنی و بررسی کامپوزیتهای آنها، مروری بر کاربردهای زیستی آنها به خصوص در مهندسی بافت استخوان انجام می شود. از آنجاییکه با ماده کامپوزیت استخوان – نانولوله کربنی سرو کار داریم، روشهای کلاسیک میکرومکانیک کامپوزیتها و سپس مطالعات انجام شده روی مدلسازی کامپوزیتهای تقویت شده توسط نانولوله های کربنی بررسی می شوند. بر اساس ایده تشکیل فاز معدنی استخوان، هیدروکسی اپاتایت، روی گروههای عاملی شیمیایی متصل به نانولوله کربنی، مدلی برای تخمین مدول یانگ محوری و استحکام کششی یک المان حجم معرف از این کامپوزیت ارایه می شود. با فرض نمودن پیوند شیمیایی بین فاز ماتریس و فاز تقویت کننده در این کامپوزیت به صورت یک المان الاستیک، با کمک روش ماتریس سختی، پاسخ مکانیکی این مدل مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین مکانیزم انتقال تنش از ماتریس به نانولوله کربنی در مدل که منجر به افزایش استحکام کششی نانوکامپوزیت می شود نیز بررسی می شود. نتایج ابتدایی مدلسازی در این تحقیق نشان می دهد که مدول الاستیسیته و استحکام کششی نانوکامپوزیت مورد نظر بسته به ابعاد نانولوله (طول و جزء حجمی) در کامپوزیت به طور موثری نسبت به ماتریس خالص اولیه بهبود می یابد. همچنین پیش بینی شد که چقرمگی شکست این کامپوزیت نسبت به هیدروکسی اپاتایت افزایش قابل توجهی پیدا نماید.