جلسه دفاع سمینار جامع پژوهشی 2 دکتری مهندسی مکانیک- گرایش طراحی کاربردی ( خانم الهه علی بیگی)

بررسی تحلیلی و تجربی نانو/ میکرو ساختار استخوان فک انسان با به ­کارگیری تئوری ­های اصلاح شده ­ی مکانیک محیط پیوسته و شبیه ­سازی اجزای محدود

ارائه دهنده:  الهه علی بیگی بنی

اساتید راهنما: دکتر علیرضا شهیدی - دکتر بهناز عبادیان

اساتید داور: دکتر رامین مشرف - دکتر مهدی کاروان - دکتر محمد سیلانی

چکیده

استخوان فک یکی از مهم­ترین و پرکاربردترین استخوان بدن انسان به شمار می­آید. با وجود بررسی­های متعدد به ویژه در مقیاس ماکرو، بر روی ساختار استخوان فک و محاسبه­ی خواص مکانیکی آن در حوزه­­های دندان­پزشکی و مهندسی، به دلیل وجود برخی کاستی­ها در تحلیل سلسله مراتب ساختاری استخوان، ضرورت انجام بررسی­های گسترده­تر در دیگر مقیاس­ها بیش از پیش احساس می­شود. بنا بر آنچه ذکر گردید، در این پژوهش، نانو، ریز ساختار و میکرو ساختار استخوان فک انسان، مندیبل و ماگزیلا، بررسی شده­است. آزمون­های مقدماتی بسیاری بر روی ساختار بیش از 70 نمونه­ی استخوان فک انسان، برداشت شده از طریق جراحی­های متداول فک و صورت انجام شده­است. اما به دلیل محدودیت در حجم، ابعاد و ناحیه­ی برداشت استخوان از طریق جراحی­های فک و صورت، نتایج مورد نظر حاصل نشده­است. به همین منظور، مراحل پیچیده جهت اخذ مجوزهای حقوقی و شرعی جهت برداشت استخوان از جسد انسان طی شده­است. به طور کلی، بازه­ی زمانی، از ارائه­ی نخستین درخواست جهت اخذ مجوزهای قانونی تا دریافت اولین نمونه­ی استخوان فک جسد انسان، 25 ماه بوده­است. در همین راستا، بخش­هایی از استخوان فک جسد اهداکنندگان مرد 21 سال و 37 سال به ترتیب 12 و 20 ساعت پس از مرگ در شرایط مرطوب برداشت شده­است. در وهله­ی اول، جهت بررسی نانو ساختار استخوان، پس از اسیدگذاری و زدودن مواد معدنی نمونه­ها، کلاژن­ها استخراج شده­است. سپس با انجام آزمون توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، مدول الاستیک کلاژن در استخوان کورتیکال و ناحیه­ی میانی کورتیکال و ترابکولار در مندیبل و ماگزیلا محاسبه شده­است. مطابق با نتایج بدست آمده، قطر کلاژن­ها به طور میانگین 150 نانومتر و میانگین مدول الاستیک 2/59-3/39 مگاپاسگال می­باشد. در بخشی دیگر در مقیاس نانو، جهت زدودن مواد آلی و کلاژن­ها، پودر استخوان فک تهیه و با انجام آزمون توزین حرارتی جهت نمایان­سازی دمای تغییر فاز، پودر استخوان در دمای 730 درجه­ی سانتی­گراد سنتز و بلورهای هیدروکسی آپاتیت تشکیل شده­است. سپس پراش اشعه­ی ایکس به منظور دست­یابی به ابعاد ساختار شبکه­ در بلور هیدروکسی آپاتیت انجام شده­است. در راستای بررسی سلسله مراتب ساختار استخوان فک، آزمون نانوسختی سنجی جهت محاسبه­ی مدول الاستیک ریز ساختار استخوان کورتیکال، متشکل از لاملا در ابعاد 1-10 میکرومتر، در سه راستای اصلی استخوان فک، شامل سوپریور-اینفریور، باکال-لینگوال و مزیال-دیستال انجام شده­است. همچنین در گام بعدی، جهت بررسی مدول الاستیک میکرو ساختار استخوان کورتیکال در هر دو فک، نمونه­هایی با  ضخامت حداکثر 250 میکرومتر جهت دست­یابی به استئون­ها استخراج گردیده و در سه راستای اصلی استخوان فک، آزمون میکرو فشار انجام شده­است. با توجه به ضعف تئوری کلاسیک محیط پیوسته در تحلیل میکرو و نانو ساختار، تئوری الاستیسیته­ی غیرمحلی جهت تحلیل کلاژن در مقیاس نانو به­کار گرفته شده­است. با در نظر گرفتن مدول الاستیک محاسبه شده با استفاده از آزمون تجربی و همچنین به­کارگیری روابط بوسینسک برای یک فرورونده­ی مخروطی شکل و صلب، جهت محاسبه­ی توزیع تنش و کرنش، معادلات متشکله­ی غیر محلی کلاژن فک انسان با فرض ساختار همگن و همسان­گرد، حاصل و پارامتر الاستیسیته­ی غیر محلی محاسبه شده­است. میانگین میزان پارامتر الاستیسیته­ی غیر محلی برای استخوان کورتیکال مندیبل و ماگزیلا به ترتیب برابر با 0/4484 و 0/4622 نانومتر و در ناحیه­ی میانی کورتیکال و ترابکولار به ترتیب 0/4454 و 0/4721 نانومتر بدست آمده­است. در ادامه میکروتصاویر وضوح بالا با میزان وضوح 5 میکرومتر از ساختار استخوان فک تهیه و با پردازش تصاویر دیجیتال، ساختار اصلی و سه بعدی فراهم و با استفاده از میزان مدول الاستیک حاصل از نتایج آزمون­های تجربی بر روی ریز ساختار و میکرو ساختار استخوان، به عنوان داده­های ورودی، شبیه­سازی اجزای محدود با به­کارگیری تئوری تنش­کوپل انجام خواهد شد.

کلمات کلیدی: استخوان مندیبل، استخوان ماگزیلا، تئوری الاستیسیته­ی غیر محلی، تئوری تنش­کوپل، شبیه­سازی اجزای محدود