توسط پژوهشگران ایرانی انجام شد؛
محققان پژوهشگاه مواد و انرژی موفق به افزایش استحکام فشاری اولیه سیمان استخوان مصنوعی به کمک نانوذرات شدند. در ساخت این سیمان، از نانوذراتی استفاده شده است که آسیبی به زیست‌سازگاری مواد کاشتنی وارد نمی‌کند و توسط سیستم دفاعی بدن رد نخواهند شد.
به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر)، با وجود ویژگی‌های ممتاز سیمان‌های کلسیم فسفات، نقطه ضعفی که کاربرد این ماده را برای ترمیم استخوان محدود می‌کند، عدم استحکام مکانیکی آن‌هاست. از این ماده تنها می‌توان در مناطقی که نیاز به تحمل بار ندارد استفاده کرد. اگرچه استحکام سیمان پس از قرار گرفتن در محیط بدن به مرور زمان و با تشکیل کریستال‌های سوزنی شکل هیدروکسی آپاتیت افزایش می‌یابد، نکته حائز اهمیت ویژگی ذکر شده در ساعات اولیه کاشت در بدن انسان است. در این تحقیق سعی شده است تا با افزودن نانوذرات زیست‌سازگار، دستیابی به یک استحکام مطلوب امکان‌پذیر شود.
مریم محمدی در خصوص اهمیت تحقیقات صورت گرفته عنوان کرد: «استحکام اولیه سیمان نقش بسیار تعیین‌کننده‌ای در پذیرفتن کاشتنی توسط بدن ایفا می‌کند. بنابراین باید تلاش نمود که خواص آن را به گونه‌ای بهبود بخشید تا در ساعات اولیه کاشت در تماس با محلول‌های موجود در بدن دچار ازهم گسیختگی نشود. ما با افزودن نانو ذرات زیست‌سازگار سیلیکای آمورف، تیتانیا و سیلیکون کاربید به سیمان کلسیم فسفات توانستیم این ویژگی را بهبود ببخشیم.»
وجود نانوذرات سیلیکون کاربید و تیتانیا سبب افزایش استحکام فشار اولیه سیمان می‌شود. همچنین بر اثر افزودن 5 درصد نانوذرات سیلیکای آمورف، علاوه بر این ویژگی، استحکام نهایی آن نیز پس از قرار گرفتن در محلول رینگر( مایع شبیه‌سازی شده بدن) از 35 مگاپاسکال به 50 مگاپاسکال افزایش یافت.
به گفته محمدی، در روش‌های متداول جهت افزایش استحکام سیمان‌های کلسیم فسفاتی از الیاف پلیمری استفاده می‌شود. اندازه بزرگ الیاف، قابلیت اتصال بین آن و مواد زمینه و ایجاد غیر یکنواختی در سیمان، مشکلاتی را در خصوص استفاده از مواد کاشتنی و زیست‌سازگاری آن‌ها ایجاد می‌کند. در حالی که با تولید سیمان کلسیم فسفاتی تقویت شده، علاوه بر رسیدن به استحکام کافی جهت کاشت در بدن، آسیبی به زیست‌سازگاری مواد کاشتنی وارد نشده و توسط سیستم دفاعی بدن پس زده نمی‌شود.
در توضیح بهبود خواص به کمک نانوذرات باید گفت استحکام سیمان بصورت نهایی به میزان تخلخل‌های موجود در آن بستگی دارد. نانوذرات در کامپوزیت سیمانی نقش مواد پرکننده را دارند. پر شدن تخلخل‌ها توسط نانوذرات و کاهش آن‌ها، دلیل افزایش استحکام اولیه در سیمان است.
دستیابی به نتایج مورد نظر با انجام تحقیقات به این صورت ممکن شده است که ابتدا مواد اولیه سیمان مورد نظر تولید شده است. پس از فراوری مواد اولیه، خمیر سیمان تهیه شد. درصدهای مختلف (2/5، 5 و 10 درصد) نانوذرات تیتانیا، سیلیکون کاربید و نانو سیلیکای آمورف در حین تهیه خمیر به مایع سیمان اضافه شد. سپس نمونه‌هایی با ابعاد 12 در 6 میلیمتر تهیه و برای مدت زمان‌های مشخص (صفر، 1، 7 و 14 روز ) در محلول رینگر نگهداری شد. در نهایت و پس از گذشت دوره زمانی تعیین شده، آزمونهای استحکام فشاری روی نمونه‌ها انجام شد. همچنین برای بررسی ساختار و سطح نانوذرات از آزمونهای میکروسکوپ روبشی الکترون (SEM) و تفرق پرتو ایکس(XRD) استفاده شد.
تصاویر SEM تهیه شده از سطح نمونه نیز تائیدی بر نتایج آزمایش XRD است، این تصاویر نشان می‌دهند که پس از قرار گرفتن نمونه‌ها در محلول رینگر، کریستال‌های آپاتیت در نمونه‌های حاوی نانوذرات همانند نمونه شاهد تشکیل می‌شوند. به عبارتی نانوذرات تأثیر بازدارنده‌ای در روند استحکام سیمان ندارند. طبق الگوی XRD نیز قبل از قرار گرفتن نمونه در محلول رینگر هیچ‌گونه تبدیل فازی صورت نمی‌گیرد و فقط اجزای تشکیل‌دهنده سیمان قابل مشاهده هستند. اما پس از قرار دادن نمونه‌ها در محلول رینگر، فاز هیدروکسی آپاتیت بیشتر شده و با گذشت زمان، واکنش استحکام کامل‌تر می‌شود.
نتایج این تحقیقات حاصل همکاری دکتر سعید حصارکی، دکتر مسعود حافظی اردکانی- اعضای هیات علمی پژوهشگاه مواد و انرژی- و مریم محمدی است و در مجله Ceramics International ( جلد 40 ، شماره 6، ماه ژانویه، سال 2014، صفحات 8377 تا 8387) به چاپ رسیده است.
مریم محمدی در خصوص اهمیت تحقیقات صورت گرفته عنوان کرد: «استحکام اولیه سیمان نقش بسیار تعیین‌کننده‌ای در پذیرفتن کاشتنی توسط بدن ایفا می‌کند. بنابراین باید تلاش نمود که خواص آن را به گونه‌ای بهبود بخشید تا در ساعات اولیه کاشت در تماس با محلول‌های موجود در بدن دچار ازهم گسیختگی نشود. ما با افزودن نانو ذرات زیست‌سازگار سیلیکای آمورف، تیتانیا و سیلیکون کاربید به سیمان کلسیم فسفات توانستیم این ویژگی را بهبود ببخشیم.»
وجود نانوذرات سیلیکون کاربید و تیتانیا سبب افزایش استحکام فشار اولیه سیمان می‌شود. همچنین بر اثر افزودن 5 درصد نانوذرات سیلیکای آمورف، علاوه بر این ویژگی، استحکام نهایی آن نیز پس از قرار گرفتن در محلول رینگر( مایع شبیه‌سازی شده بدن) از 35 مگاپاسکال به 50 مگاپاسکال افزایش یافت.
به گفته محمدی، در روش‌های متداول جهت افزایش استحکام سیمان‌های کلسیم فسفاتی از الیاف پلیمری استفاده می‌شود. اندازه بزرگ الیاف، قابلیت اتصال بین آن و مواد زمینه و ایجاد غیر یکنواختی در سیمان، مشکلاتی را در خصوص استفاده از مواد کاشتنی و زیست‌سازگاری آن‌ها ایجاد می‌کند. در حالی که با تولید سیمان کلسیم فسفاتی تقویت شده، علاوه بر رسیدن به استحکام کافی جهت کاشت در بدن، آسیبی به زیست‌سازگاری مواد کاشتنی وارد نشده و توسط سیستم دفاعی بدن پس زده نمی‌شود.
در توضیح بهبود خواص به کمک نانوذرات باید گفت استحکام سیمان بصورت نهایی به میزان تخلخل‌های موجود در آن بستگی دارد. نانوذرات در کامپوزیت سیمانی نقش مواد پرکننده را دارند. پر شدن تخلخل‌ها توسط نانوذرات و کاهش آن‌ها، دلیل افزایش استحکام اولیه در سیمان است.
دستیابی به نتایج مورد نظر با انجام تحقیقات به این صورت ممکن شده است که ابتدا مواد اولیه سیمان مورد نظر تولید شده است. پس از فراوری مواد اولیه، خمیر سیمان تهیه شد. درصدهای مختلف (2/5، 5 و 10 درصد) نانوذرات تیتانیا، سیلیکون کاربید و نانو سیلیکای آمورف در حین تهیه خمیر به مایع سیمان اضافه شد. سپس نمونه‌هایی با ابعاد 12 در 6 میلیمتر تهیه و برای مدت زمان‌های مشخص (صفر، 1، 7 و 14 روز ) در محلول رینگر نگهداری شد. در نهایت و پس از گذشت دوره زمانی تعیین شده، آزمونهای استحکام فشاری روی نمونه‌ها انجام شد. همچنین برای بررسی ساختار و سطح نانوذرات از آزمونهای میکروسکوپ روبشی الکترون (SEM) و تفرق پرتو ایکس(XRD) استفاده شد.
تصاویر SEM تهیه شده از سطح نمونه نیز تائیدی بر نتایج آزمایش XRD است، این تصاویر نشان می‌دهند که پس از قرار گرفتن نمونه‌ها در محلول رینگر، کریستال‌های آپاتیت در نمونه‌های حاوی نانوذرات همانند نمونه شاهد تشکیل می‌شوند. به عبارتی نانوذرات تأثیر بازدارنده‌ای در روند استحکام سیمان ندارند. طبق الگوی XRD نیز قبل از قرار گرفتن نمونه در محلول رینگر هیچ‌گونه تبدیل فازی صورت نمی‌گیرد و فقط اجزای تشکیل‌دهنده سیمان قابل مشاهده هستند. اما پس از قرار دادن نمونه‌ها در محلول رینگر، فاز هیدروکسی آپاتیت بیشتر شده و با گذشت زمان، واکنش استحکام کامل‌تر می‌شود.
تصاویرSEM تهیه شده از سطح نمونه‌ها قبل و بعد از قرار گرفتن در محلول رینگر
نتایج این تحقیقات حاصل همکاری دکتر سعید حصارکی، دکتر مسعود حافظی اردکانی- اعضای هیات علمی پژوهشگاه مواد و انرژی- و مریم محمدی است و در مجله Ceramics International ( جلد 40 ، شماره 6، ماه ژانویه، سال 2014، صفحات 8377 تا 8387) به چاپ رسیده است.
