بررسي تاثير ذرات تقويت كننده روي مدل ساختاري سيمان استخواني پايه پليمري

دكتري تخصصي

سيمان استخواني يكي از پركاربردترين بيومواد در علم پزشكي و بخصوص تخصص ارتوپدي است كه جهت تثبيت و كاشت پروتز و نيز تحكيم مهره‌هاي آسيب ديده در ستون فقرات مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از آنجا كه عمده‌ترين دليل خرابي و ناكامي سيمان از عيوب و نواقص مكانيكي آن نشأت مي‌گيرد، تا كنون مطالعات و تلاش‌هاي بسياري در زمينه بهبود خواص مكانيكي سيمان استخواني صورت پذيرفته است. يكي از راهكارهاي پيشنهادي جهت ارتقا خواص مكانيكي سيمان استخواني، افزودن فيلرهاي زيست سازگار و تقويتي به ماتريس سيمان است. به عبارت ديگر، با توجه به خواص مكانيكي و زيستي نسبتاً ضعيف سيمان استخواني، با گذشت زمان تنزلي در فصل مشترك سيمان- ايمپلنت يا سيمان- استخوان پديدار مي‌شود كه اين امر به عدم پايداري و شكست مكانيكي و در نتيجه واماندگي سيستم پروتز منجر مي‌گردد. افزودن ذرات زيست سازگار و زيست فعال و نيز تقويتي به سيمان استخواني، علاوه بر افزايش استحكام سيمان، باعث تحريك استخوان و در نتيجه شكل‌گيري ماتريس استخوان مجاور به آن مي‌گردد كه به نوبه خود پايداري و بهبودي سريعتري را به ارمغان مي‌آورد. از سوي ديگر، عليرغم اهميت و كاربرد فراوان سيمان استخواني، مدل‌هاي رفتاري محدودي براي مدلسازي و تعبير رفتار سيمان استخواني و كامپوزيت‌هاي آن ارائه شده است؛ بخصوص مدلي كه بتواند پاسخگوي رفتار سيمان به آزمايش‌هاي ماكرو و نانو باشد. لذا با توجه به آنچه ذكر گرديد، رساله حاضر دو هدف اصلي را در زمينه سيمان استخواني دنبال مي‌كند: اول، ارائه يك مدل ويسكوپلاستيك بهينه كه بتواند بطور معقول و مناسبي رفتار سيمان استخواني را نمايش دهد؛ دوم، تاثير ذرات زيست سازگار، مانند هيدروكسي آپاتيت، و تقويت‌كننده، مانند آلومينا و نانو لوله كربن، روي خواص مكانيكي و مدل ساختاري سيمان استخواني پايه پليمري بررسي گردد. در اين راستا، با در نظر گرفتن مدل ساختاري ويسكوپلاستيك دو لايه و پارامترهاي تشكيل دهنده آن، بهترين مقادير پارامترهاي مجهول مدل ساختاري پيشنهادي يعني A، n و f با بكارگيري تركيبي از روش آزمايشگاهي و شبيه‌سازي از انطباق نتايج مدل و داده‌هاي تجربي بدست آمد. نتايج حاكي از آن است كه مدل ساختاري ويسكوپلاستيك بكار گرفته شده در اين رساله مي‌تواند رفتارهاي الاستوپلاستيك و ويسكوالاستيك سيمان را به طور جامعي پوشش دهد. نكته حائز اهميت ديگر، تغيير و عدم تغيير سه پارامتر A، n و f در پاسخ به سه نوع مختلف افزودني به سيمان است؛ بطوريكه افزودن هر سه نوع افزودني تغيير خاصي در مقدار پارامتر n ايجاد نكرد. لذا مي‌توان اينگونه عنوان كرد كه در مقادير محدود افزودني‌ها، پارامتر n تقريبا ثابت مي‌ماند. در مورد پارامتر f، با توجه به بازه‌اي كه اين پارامتر مي‌تواند به خود اختصاص دهد، با تغيير نوع فيلر تغيير محدودي نيز در اين پارامتر ايجاد گرديد. از سوي ديگر، پارامتر A با حفظ درجه خود، تغيير قابل توجهي در مواجهه با تغييرات و افزودن فيلر به سيمان از خود به نمايش گذاشت. بنابراين، نتيجه مهمي كه مي‌توان برداشت كرد اين است كه افزودن نانو ذرات تقويتي مي‌تواند باعث تغيير دو پارامتر A و f گردد بدون اينكه تاثيري بر پارامتر n داشته باشد. همچنين نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه خواص مكانيكي سيمان استخواني با افزودن نانو ذرات آلومينا (wt. % 3) و نانو لوله كربن افزايش مي‌يابد؛ در حاليكه افزودن نانو ذرات هيدروكسي آپاتيت موجب كاهش (wt. % 15) يا عدم تغيير معناداري در خواص مكانيكي سيمان استخواني مي‌گردد.

194602

دانشگاه علم و صنعت ايران

بيومكانيك

دكتر مهدي نويدبخش