جلسه دفاع از رساله دکترای گرایش مکانیک جامدات (خانم الهه علی بیگی)
موضوع: بررسی تجربی نانو/ میکرو ساختار استخوان فک انسان با به کارگیری تئوری های اصلاح شده مکانیک محیط پیوسته و شبیه سازی اجزای محدود
اساتید راهنما: دکتر سید علیرضا شهیدی - دکتر بهناز عبادیان
اساتید داور: دکتر رامین مشرف- دکتر مهدی سلمانی تهرانی- دکتر مهدی کاروان
چکیده
استخوان فک انسان یکی از پیچیده ترین ساختار های زیستی بدن است و تحلیل رفتار مکانیکی آن در حوزه های دندان پزشکی، جراحی فک و صورت و مهندسی بیو مکانیک اهمیت ویژهای دارد. با وجود پژوهش های گسترده در مقیاس ماکرو، بررسی سلسله مراتب ساختاری این استخوان در مقیاس های نانو، ریز ساختار و میکرو ساختار همچنان با چالش های جدی همراه است و بسیاری از ویژگی های مکانیکی آن نا شناخته باقی مانده است. در این پژوهش، ساختار استخوان مندیبل و ماگزیلا در سه مقیاس نانو، ریز و میکرو، با بهره گیری از مجموعه ای از آزمون های تجربی و روش های پیشرفته ی مدل سازی مورد بررسی قرار گرفته است. در مراحل مقدماتی، آزمون های بسیاری بر روی ساختار بیش از 170 نمونه ی استخوان فک انسان، برداشت شده از طریق جراحی های متداول فک و صورت انجام پذیرفته؛ با این حال، به دلیل محدودیت در حجم، ابعاد و ناحیهی برداشت استخوان ها، دست یابی به نتایج مورد نظر در تمامی مقیاس های مورد مطالعه امکانپذیر نبوده است. از این رو، مراحل پیچیده جهت اخذ مجوز های حقوقی و شرعی جهت برداشت استخوان جسد انسان طی شدهاست. به طور کلی، فاصلهی زمانی، از ارایه ی نخستین درخواست جهت اخذ مجوز های قانونی تا دریافت اولین نمونه ی استخوان فک جسد انسان، 25 ماه بوده است. در این راستا، بخش هایی از استخوان فک جسد اهداکنندگان مرد 21 سال و 37 سال به ترتیب 12 و 20 ساعت پس از مرگ در شرایط مرطوب برداشت شده است. در وهله ی اول، جهت بررسی نانو ساختار استخوان، پس از اسید گذاری و زدودن مواد معدنی نمونه ها، فیبریل های کلاژن با قطر حدود 150 نانو متر استخراج، سپس با انجام آزمون توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، مدول الاستیک فیبریل های کلاژن در استخوان کورتیکال و ناحیه ی میانی کورتیکال و ترابکولار در مندیبل و ماگزیلا محاسبه شده است. نتایج، تفاوت معنا داری در خواص مکانیکی فیبریل کلاژن در نواحی میانی، نسبت به نواحی کورتیکال نشان داده است. در بخش دیگری از نانومقیاس، جهت زدودن مواد آلی و کلاژن ها، پودر استخوان فک تهیه و با انجام آزمون توزین حرارتی جهت تعیین دمای تغییر فاز، عملیات حرارتی انجام و بلور هیدروکسی آپاتیت تشکیل شده است. سپس پراش پرتو ایکس به منظور تعیین پارامتر های شبکه و همچنین موقعیت اتم های سلول واحد هیدروکسی آپاتیت جهت فراهمسازی داده های ورودی مورد نیاز شبیه سازی دینامیک مولکولی، انجام شده است. بر اساس این داده ها، خواص مکانیکی ارتوتروپیک ابر سلول هیدروکسی آپاتیت استخوان فک محاسبه و ناهمسان گردی مکانیکی صفحات مختلف بلور آشکار شده است. در مقیاس ریز ساختار، آزمون نانو سختی سنجی به منظور تعیین مدول الاستیک و سختی ساختار لاملای استخوان کورتیکال، با ابعاد تقریبی 1 تا 10 میکرو متر، در سه راستای اصلی استخوان فک، شامل سوپریور-اینفریور، باکال-لینگوال و مزیال-دیستال انجام شده است. نتایج، رفتار ارتوتروپیک این ساختار را در سه راستای اصلی استخوان فک نشان داده است.سپس، با بهره گیری از نتایج به دست آمده از آزمون های تجربی در مقیاس نانو و همچنین نظریه ی موری-تاناکا، تانسور سختی لاملا محاسبه و با نتایج تجربی در این مقیاس مقایسه شده است. نتایج حاصل، نقش تعیین کنندهی جهت گیری لاملا را در پاسخ مکانیکی استخوان فک آشکار کرده است. در ادامه، به منظور بررسی رفتار مکانیکی میکرو ساختار استخوان کورتیکال، نمونه هایی با ضخامت حداکثر 250 میکرومتر، شامل استئون ها تهیه و در سه راستای اصلی استخوان فک، آزمون میکرو فشار انجام شده است. نتایج، تفاوت رفتار مکانیکی میکرو ساختار استخوان را در راستاهای مختلف آناتومیکی فک نشان داده است. همچنین، با توجه به محدودیت های نظریه ی کلاسیک محیط پیوسته در توصیف رفتار مواد در مقیاس های نانو و میکرو، تئوری الاستیسیته ی غیر محلی جهت تحلیل فیبریل کلاژن در مقیاس نانو به کار گرفته شده است. با استفاده از نتایج تجربی، روابط بوسینسک برای فرورونده ی مخروطی صلب و چارچوب الاستیسیته غیرمحلی، توزیع تنش و کرنش تعیین و معادلات متشکله ی غیر محلی کلاژن استخوان فک استخراج و پارامتر الاستیسیته غیر محلی محاسبه شده است. در مقیاس میکرو، تصاویر میکرو سی تی اسکن با وضوح 5 میکرو متر از ساختار استخوان فک تهیه، سپس با استفاده از کدنویسی پیشرفته، پردازش شده است. پس از آن مدل سازی اجزای محدود انجام و با به کارگیری تئوری تنشکوپل، 9 درایه ی تانسور سختی کلاسیک و 12درایه ی تانسور سختی تنش کوپل محاسبه شده است. بر پایهی نتایج، در مقیاس میکرو، استخوان فک دارای رفتار ناهمسان گرد مرتبه بالا و وابسته به گرادیان تغییر شکل بوده و توصیف دقیق رفتار آن نیازمند استفاده از تئوری های پیشرفته ی مکانیک محیط های پیوسته بوده است. این پژوهش با ترکیب نتایج تجربی و مدل سازی عددی، تصویری جامع از رفتار مکانیکی استخوان فک ارایه و چارچوبی چند مقیاسی برای تحلیل دقیق تر این بافت زیستی فراهم کرده است. یافته های این پژوهش نشان داده اند که توصیف دقیق رفتار مکانیکی استخوان فک نیازمند رویکردی چند مقیاسی با در نظر گرفتن اثرات ناهمسان گردی و وابستگی به مقیاس است. نتایج حاصل مبنایی برای توسعه مدل های دقیق تر در مهندسی بافت، طراحی و تحلیل ایمپلنت های دندانی و مطالعات پیشرفته ی بیو مکانیکی فراهم کرده است.
