پس از بلوغ، چگالی و در نتیجه مقاومت استخوان به تدریج کاهش می یابند. در انسان سالم این فرایند با کاهش جزئی چگالی همراه بوده و خواص مکانیکی استخوان در حد قابل قبولی حفظ می گردند. اما در بیماری پوکی استخوان که با کاهش شدید چگالی همراه است، مقاومت استخوان به میزان قابل توجهی پایین می آید تا جایی که ممکن است استخوان حتی با بلند کردن یک بار سبک شکسته شود. با توجه به تعداد رو به افزایش مبتلایان به این بیماری، نیاز مبرمی به بهبود خواص مکانیکی بافت استخوان و یا تولید استخوان مصنوعی احساس می گردد. با توجه به خواص مکانیکی برجسته و زیست سازگاری نانولوله های کربنی، همچنین شباهت های ظاهری آنها با فیبرهای طبیعی استخوان، جایگزینی فیبرهای کلاژن با نانولوله های کربنی به عنوان یکی از راهکارهای پیشنهاد شده در این زمینه موضوع تحقیقات زیادی بوده است. بهبود خواص مکانیکی بافت در اثر این فرایند به نحوی به وسیله خواص مکانیکی برتر نانولوله های کربنی نسبت به فیبرهای کلاژن تضمین شده است. مطالعات انجام گرفته در این زمینه نیز موید این امر می باشند. اما از طرف دیگر باید این نکته را در نظر داشت که استخوان یک بافت پویا بوده که به طور پیوسته نوسازی می گردد. توجه به وابستگی فرایند نوسازی استخوان به محرکهای مکانیکی و همچنین اختلاف قابل توجه بین خواص مکانیکی نانولوله های کربنی و فیبرهای کلاژن، این شبهه را به وجود می آورد که این تغییرات ممکن است باعث ایجاد یک ناهماهنگی در نرخ طبیعی فرایند نوسازی و در نهایت چگالی و خواص مکانیکی استخوان گردند. همچنین این احتمال می رود که نانولوله ها با دستکاری خواص بافت، رفتار ترک در استخوان را که یکی از عوامل تأثیرگذار در فرایند نوسازی به شمار می رود، تغییر دهند. در این پایان نامه برای بررسی این موارد از یک تئوری نیمه مکانیکی در زمینه نوسازی استخوان استفاده شده است که در آن انرژی کرنشی و یا چگالی آن به عنوان محرک مکانیکی فرایند نوسازی استخوان شناخته می شود. این تئوری بر این ایده استوار است که استئوسایتها به عنوان حسگر عمل کرده و میزان انرژی کرنشی (و یا چگالی آن) را در استخوان می سنجند وسپس سیگنالهای محرک متناسب به استئوبلستها جهت شروع فرایند تولید استخوان ارسال می نمایند. بر این اساس، هرگونه تغییری در پخش انرژی کرنشی قطعاً بر نرخ نوسازی استخوان و در نتیجه چگالی و مقاومت مکانیکی آن تأثیر می گذارد. نتایج این تحقیق بهبود اولیه خواص مکانیکی بافت استخوان را در اثر استفاده از نانولوله های کربنی تأیید می کند. اما از طرف دیگر، نتایج نشان می دهد که استفاده از نانولوله های کربنی برای تولید استخوان مصنوعی و یا ترمیم قسمتهای آسیب دیده استخوان طبیعی منجر به کاهش نرخ فرایند نوسازی و در نهایت کاهش چگالی و مقاومت مکانیکی آن می گردد.

استخوان از قسمت های پویای بدن می باشد که تحت تاثیر نوسازی یا بازسازی، یعنی جذب و ایجاد مستمر بافت استخوانی قرار دارد. هرگونه اختلاف در سطح طبیعی محرک باعث می شود که نرخ نوسازی استخوان به طور محلی تغییر کند. پیچ های اورتوپدی ابزار رایجی برای تثبیت استخوان در شکستگی ها و عامل اصلی ثبات ایمپلنت های صفحهای می باشند. یکی از شایع ترین علل ترمیم نادرست شکستگی های استخوان، پدیده مضر سپر تنش در هنگام استفاده از ایمپلنت می باشد. با استفاده از شیوه اجزاء محدود و با تعریف دو پارامتر بر مبنای تنش و چگالی انرژی کرنشی به عنوان معیار سازگاری، اثر پارامتر های طراحی پیچ بر روی نوسازی و سپر تنش ناشی از آن بررسی می شود. هدف کاهش پدیده سپر تنش به منظور داشتن ترمیمی موفق می باشد. مقدار بالاتر این پارامترهای سازگاری، نشان دهنده ی عملکرد بهتر ایمپلنت می باشد. نتایج مطالعه حاضر نشان می دهد که برای پیچ تمام فلزی، افزایش تعداد رزوه و شعاع خارجی و همچنین کاهش گام، شعاع داخلی و ضریب الاستیک پیچ، باعث بهبود پارامترهای سازگاری می شود. همچنین نشان داده شده است که خطر پدیده سپر تنش در استخوان دچار پوکی بیشتر از استخوان سالم می باشد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که مقدار پارامترها، برای پیچ هدفمند در مقایسه با پیچ فلزی، بیشتر می باشد. همچنین نتایج این کار نشان می دهد که با کاهش مدول الاستیسیته جزء فلزی و با افزایش جزء حجمی سرامیک، آثار منفی سپر تنشی کاهش می یابد. برای پیچی که دارای یک قسمت همگن و یک قسمت هدفمند است، هر چه طول قسمت هدفمند بیشتر باشد، پارامترها مقدار بزرگتری را نشان می دهند. بنا بر این اثر سپر تنشی و مقدار شل شدگی پیچ کاهش می یابد. همچنین هر چه قسمت هدفمند در موقعیتی نزدیک تر به رزوه های ابتدایی قرار گیرد، مقدار پارامترها، افزایش می یابد. به علاوه نتایج نشان می دهند که با کاهش توان ترکیب توزیعی که نشان دهنده ی نحوه تغییر ترکیب هدفمند از فلز به سرامیک است، مقدار پارامترها افزایش می یابد. مقایسه ی نتایج این تحقیق با مطالعات بالینی و آزمایشگاهی در دسترس تطابق خوبی را نشان می دهد

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.