معرفی آلیاژهای جدید ایمپلنت‌های استخوانی توسط محققان دانشگاه امیرکبیر

به گزارش صنعت نیوز، پژوهش‌های محققان دانشگاه امیرکبیر نشان داده که آلیاژهای آنتروپی بالا پایه تیتانیوم می‌توانند جایگزین مناسبی برای ایمپلنت های استخوانی فعلی باشند.

دکتر 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-6Al-4V 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-6Al-4V به شمار می رود، 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-6Al-4V، 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 به فردی 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 وTiZrNbMoTa 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-6Al-4V مورد مقایسه قرار گرفت.نتایج حاصل از آزمایش‌های انجام شده روی آلیاژ آنتروپی بالای جدید Ti35Nb25Zr15Mo15V10 نشان داد که این آلیاژ مقاومت به خوردگی بسیار بالاتری در محیط های مختلف مخصوصا در محیط شبیه ساز بدن نسبت به ایمپلنت متداول Ti-6Al-4V از خود نشان می‌دهد. همچنین، بررسی تکثیر و زنده‌مانی سلولی نیز نشان داد که آلیاژ آنتروپی بالای TiZrNbMoV وTiZrNbMoTa زیست‌سازگاری بسیار بالاتری را از خود نشان میدهد و قابلیت جایگزینی بسیار خوبی با زیست‌مواد رایج Ti-6Al-4V 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 ایمپلنت 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-6Al-4V از خود نشان داد. بنابراین آلیاژ جدید طراحی شده، می‌تواند جایگزین بسیار مناسبی برای آلیاژ متداول Ti-6Al-4V 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 Ti35 Nb25 Zr15Mo15 V10 و Ti35 Nb25 Zr15Mo15 Ta10برای کاربرد پزشکی و با زیست سازگاری بالا، که تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است که از مهم‌ترین نوآوری‌های این پروژه به شمار می‌آید.

*