معرفی آلیاژ‌های جدید زیست سازگار برای تولید ایمپلنت‌های استخوانی از سوی محققان دانشگاه امیرکبیر

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مهرانگیز رجبی و دکتر الهام رجبی از دانش آموختگان دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر تحت راهنمایی دکتر کامران دهقانی عضو هیات علمی دانشگاه، طرح پژوهشی را با عنوان《طراحی و ساخت آلیاژ جدید آنتروپی بالای TiZrNbMoV و TiZrNbMoTa جهت بررسی خواص خوردگی، سایشی و زیست‌سازگاری آنها» را اجرایی کردند.

رجبی در این باره توضیح داد: به طور سنتی آلیاژ Ti-۶Al-۴V امروزه به عنوان متداول‌ترین کاشتنی استخوانی به شمار می‌رود، اما همواره نگرانی‌هایی در خصوص مقاومت به سایش و غلظت یون‌های آزاد شده در بدن توسط این آلیاژ وجود دارد.

وی تاکید کرد: در حین کاربرد این آلیاژ سنتی، آزاد شدن یون‌های سمی وانادیوم و آلومینیم در اطراف بافت منجر به بیماری‌هایی مانند آلزایمر و بیماری‌های عصبی می‌شود و اظهار کرد: علاوه بر این، مقدار بالای نرخ سایش در اتصال‌های مصنوعی نقطه ضعف دیگر آلیاژ سنتی Ti-۶Al-۴V به شمار می‌رود، لذا محققان بر این باورند که مقاومت به سایش پایین تیتانیم و آلیاژ‌های آن می‌تواند باعث کاهش عمر زیست‌مواد در بدن شود.

به گفته وی به دلیل مقاومت به سایش پایین آلیاژ Ti-۶Al-۴V، پسماند‌های ناشی از سایش در طول سرویس، ممکن است منجر به ملتهب شدن بافت و بیماری‌های دیگری نیز شود.

این دانش آموخته دکترای دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: لذا با توجه به این محدودیت‌ها و مشکلات آلیاژ‌های سنتی، اخیرا آلیاژ‌های جدید آنتروپی بالا، از یک سو به دلیل خواص منحصر بفردی که دارند و از سوی دیگر به‌دلیل زیست‌سازگاری بالای آنها به عنوان جایگزینی برای بیومواد رایج بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند.

وی یادآور شد: از این رو در این پژوهش، دو آلیاژ جدید آنتروپی بالای TiZrNbMoV و TiZrNbMoTa با استفاده از روابط ترمودینامیکی و استفاده از نرم افزار‌های شبیه سازی جهت تولید زیست مواد، طراحی و تولید شد. سپس خواص زیست سازگاری آنها با آلیاژ سنتی Ti-۶Al-۴V مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاصل از آزمایش‌های انجام شده روی آلیاژ آنتروپی بالای جدید Ti۳۵Nb۲۵Zr۱۵Mo۱۵V۱۰ نشان داد که این آلیاژ مقاومت به خوردگی بسیار بالاتری در محیط‌های مختلف مخصوصا در محیط شبیه ساز بدن نسبت به ایمپلنت متداول Ti-۶Al-۴V از خود نشان می‌دهد. همچنین، بررسی تکثیر و زنده‌مانی سلولی نیز نشان داد که آلیاژ آنتروپی بالای TiZrNbMoV و TiZrNbMoTa زیست‌سازگاری بسیار بالاتری را از خود نشان میدهد و قابلیت جایگزینی بسیار خوبی با زیست‌مواد رایج Ti-۶Al-۴V را دارد.

رجبی یکی دیگر از پارامتر‌های مهم در بررسی خواص کاشتنی‌های فلزی را مدول الاستیک آلیاژ عنوان کرد که نباید عدد بسیار بالایی نسبت به استخوان داشته باشند و ادامه داد: به طور کلی مدول الاستیک آلیاژ‌های ارتوپدی رایج حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ گیگاپاسکال است. مدول الاستیک بالای آلیاژ‌های مرسوم در دراز مدت منجر به اثر سپرشدگی تنش و در نتیجه شل شدن ایمپلت و پوکی استخوان می‌شود. در حالیکه، مدول الاستیک آلیاژ آنتروپی بالای جدید طراحی شده، نسبت به کاشتنی‌های سنتی کمتر بوده و حدود ۸۰-۱۰۰ گیگاپاسکال بدست آمده است که نشان از زیست‌سازگاری بالای آلیاژ آنتروپی بالای جدید طراحی شده است.

وی اضافه کرد: همچنین بررسی رفتار سایشی آلیاژ‌ها نشان داد که آلیاژ آنتروپی بالای TiZrNbMoTa مقاومت به سایشی در حدود ۶۱ درصد بالاتر از Ti-۶Al-۴V از خود نشان داد؛ بنابراین آلیاژ جدید طراحی شده، می‌تواند جایگزین بسیار مناسبی برای آلیاژ متداول Ti-۶Al-۴V در کاربرد‌های مهندسی پزشکی باشد.

به گفته این محقق آلیاژ‌های آنتروپی بالا گروه جدیدی از آلیاژ‌ها هستند که با توجه به خواص ویژه‌ای که دارند، امکان استفاده از آنها برای طیف وسیعی از کاربرد‌ها بخصوص در مهندسی پزشکی وجود دارد. آلیاژ آنتروپی بالایی که ما طراحی کردیم با هدف استفاده به عنوان ایمپلنت استخوانی و در زمینه مهندسی پزشکی است.

وی افزود: به طورکلی، طراحی و فرآوری آلیاژ آنتروپی بالای جدید Ti۳۵ Nb۲۵ Zr۱۵Mo۱۵ V۱۰ و Ti۳۵ Nb۲۵ Zr۱۵Mo۱۵ Ta۱۰ برای کاربرد پزشکی و با زیست سازگاری بالا، که تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است که از مهم‌ترین نوآوری‌های این پروژه به شمار می‌آید.