عامل اصلی سختی مینای دندان و استخوان، وجود کریستال‌های هیدروکسی آپاتیت در ساختار آن‌ها است. این ماده به صورت پودر و با روش‌های شیمیایی قابل تولید است که به دلیل سازگاری با ساختارهای زیستی، کاربردهای دارویی و کلینیکی زیادی دارد. بنابراین آگاهی از خواص مکانیکی و خواص سطحی هیدروکسی آپاتیت، اطلاعات سودمندی را در اختیار ارتوپدها، دندان‌پزشکان و نیز تولیدکنندگان، جهت کاربرد مناسب این ماده قرار می‌دهد.

در این تحقیق تلاش شده است فرآیند تولید نوعی هیدروکسی آپاتایت سازگار با بدن انسان که از خواص مطلوب مکانیکی مانند استحکام بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر سایش و خراش‌های سطحی برخوردار باشد، تدوین شود.

در بررسی خواص مورد نظر، آزمایش‌های دندانه‌گذاری نانو(Nano-indentation) و خراش نانو (Nano-scratch) با موفقیت روی نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت انجام شده است. محققان، به کمک این آزمون‌ها توانستند خواص مکانیکی و خواص سطحی مانند مدول یانگ، سختی نرمال، سختی خراش و مقاومت در برابر خراش نمونه‌های هیدروکسی آپاتیت ساخته شده را تعیین کنند. همچنین تأثیر دمای سینترینگ بر خواص مورد نظر نیز به دست آمده است.

آیت‌اللهی، عضو هیات علمی دانشکده‌ی مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران و محقق طرح در مورد دلیل انتخاب این آزمون‌ها گفت: برای انجام آزمایش‌های دندانه‌گذاری نانو و خراش نانو، نیاز به نمونه‌هایی با اندازه‌ی بزرگ نیست. بنابراین برای مواد زیستی که نسبتاً گران قیمت هستند، بسیار مناسب است. از سوی دیگر، با توجه به غیر مخرب بودن این آزمایش‌ها، می‌توان آن‌ها را بر روی یک نمونه تکرار کرد.

وی ادامه داد: این مساله موجب می‌شود تعداد نمونه‌های مورد نیاز برای انجام آزمایش به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد و به تبع آن هزینه‌ی مربوط به ساخت نمونه نیز کاسته می‌شود. همچنین آزمایش خراش نانو جایگزین مناسبی برای آزمایش‌های سایشی متداول جهت بررسی خواص سطحی مواد است. امکان کنترل دقیق بار، کنترل دقیق میزان نفوذ دندانه گذار و عدم حضور میدان‌های شیمیایی و الکتریکی از دلایل برتری این آزمون‌ است.

محقق طرح تصریح کرد: آزمون‌های دندانه‌گذاری نانو و خراش نانو که در سال‌های اخیر برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی و سطحی مواد مورد توجه قرار گرفته‌ است، از پیچیدگی‌های خاصی برخوردار است. به عنوان مثال تعیین محل مناسب دندانه‌گذاری نانومتری، میزان و الگوی بار اعمالی به دندانه‌گذار، عمق فرورفتگی مناسب، طول مناسب خراش و مدت زمان بارگذاری و باربرداری از جمله پیچیدگی‌هایی است که کاربر هنگام انجام آزمایش باید مورد توجه قرار دهد تا نتایج آزمایش از درستی لازم برخوردار باشد.

آیت‌اللهی در ادامه‌ی انجام این آزمون، مقایسه‌ی مقیاس‌های نانو، میکرو و ماکرو گفت: در آزمایش‌های نانو، علاوه بر اندازه‌ی دندانه‌گذار، پارامترهایی نظیر عمق دندانه‌گذاری، ابعاد حفره، طول ترک‌های ایجاد شده در اطراف حفره و نیروهای اعمالی به قطعه اغلب در مقیاس نانو بوده است و این پارامترها از جمله عواملی هستند که آزمایش‌های مقیاس نانو را از آزمایش‌های ماکرو و میکرو متمایز می‌کند. علاوه‌ بر این، روش‌های دندانه‌گذاری ماکرو و میکرو، در برخی موارد جزو روش‌های مخرب یا نیمه مخرب به حساب می‌آیند.

وی خاطرنشان کرد: نمونه‌ی مورد استفاده در این روش‌ها پس از آزمایش اغلب قابل استفاده نیست. این درحالی است که آزمایش‌های نانو به دلیل مقیاس تغییر فرم و آسیب بسیار جزئی روی سطح نمونه‌ی آزمایشی، غیر مخرب محسوب شده و از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای تعیین خواص مکانیکی قطعات کوچک، مواد گران قیمت، لایه‌های نازک (ضخامت در حد نانومتر) و یا مواد و قطعات زیستی به شمار می‌رود.

محقق طرح گفت: بر اساس نتایج به دست آمده، بیشترین مقدار مدول یانگ هیدروکسی آپاتیت مربوط به دمای سینترینگ 1200 درجه سانتی‌گراد و کمترین مقدار آن مربوط به دمای 1000 درجه است. از طرفی افزایش دمای سینترینگ از 1000 به 1300 درجه سانتی‌گراد، افزایش سختی هیدروکسی آپاتایت را به دنبال دارد. افزایش بیشتر دمای سینترینگ اثر منفی روی سختی آن دارد. برای همه‌ی دماهای سینترینگ، مقادیر سختی بدست آمده از آزمایش خراش نانو بیشتر از مقادیر سختی بدست آمده از آزمایش دندانه‌گذاری نانو است. در نهایت، بیشترین مقاومت در برابر خراش نمونه‌های هیدروکسی آپاتایت مربوط به دمای سینترینگ 1300 درجه سانتی‌گراد گزارش شده است.

هم اکنون این تیم تحقیقاتی در صدد یافتن راهی برای بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی هیدروکسی آپاتیت ساخته شده از استخوان گاو است به طوری که بتوان این ماده را جایگزین پودر تجاری کرد. آیت‌اللهی معتقد است ساختن هیدروکسی آپاتیت با استفاده از استخوان گاو موجب کاهش هزینه‌های تولید این پودر شده و می‌تواند خواص زیست‌سازگار‌تری داشته باشد.

نتایج این تحقیقات که حاصل همکاری عاطفه کریم‌زاده آرانی، دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت و دکتر مجیدرضا آیت‌اللهی و همکارانشان است، در مجله‌ی Ceramics International به چاپ رسیده است.