مطالعه محاسباتی هیدروکسی آپاتیت: تاثیر اصلاح ساختاری بر روی مشخصه‌های مکانیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده رنگ و پلیمر دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشیار پژوهشکده رنگ و پلیمر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در این مطالعه، خواص مکانیکی کلسیم هیدروکسی آپاتیت خالص و تلقیح‌ یافته با استرانسیم با استفاده از محاسبات نظریه تابعی چگالی بررسی گردید. نتایج مطالعات برون-تنی پیشین حاکی از آن است که تلقیح استرانسیم در ساختار بلوری هیدروکسی آپاتیت می‌تواند سبب ارتقای انحلال‌پذیری آپاتیت‌ها و نیز افزایش سطح هورمون پروتئینی استئوکلسین شود. با این حال، نیاز است تا تاثیر این اصلاح ساختاری بر روی خواص مکانیکی پیش از استفاده از آنها به عنوان پرکننده‌های زیست-سازگار در مواد کامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گیرد. در ابتدا، مشخصه‌های ساختاری بدست آمده از طریق بهینه‌سازی هندسی تطابق خوبی با مقادیر تجربی گزارش شده نشان داد که این موضوع می‌تواند گواهی بر صحت محاسبات باشد. در ادامه، شش ثابت الاستیک مستقل، مدول توده، مدول برشی، مدول یانگ، نسبت پواسون و معیار آنیزوتروپی الاستیک برای هر دو ترکیب محاسبه و با یکدیگر مقایسه گردید. بررسی ثوابت الاستیک و نیز سایر مولفه‌های مکانیکی، بیانگر وجود آنیزوتروپی بیشتر در ترکیب اصلاح یافته می‌باشد. در نهایت نیز منشاء ایجاد تفاوت در مشخصه‌های مکانیکی به کمک نتایج مربوط به توزیع چگالی سطوح الکترونی این دو ترکیب مورد بحث قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] A. Haider, S. Haider, S. S. Han, I.K. Kang, Recent advances in the synthesis, functionalization and biomedical applications of hydroxyapatite: a review, RSC Adv. 7 (2017) 7442-7458.

[2] D.Haverty, S.A.M. Tofail, K.T. Stanton, J. B. McMonagle, Structure and stability of hydroxyapatite: Density functional calculation and Rietveld analysis, Phys. Rev. B 71 (2005) 094103.

[3] A. Szczes, L. Hołysz, E. Chibowski, Synthesis of hydroxyapatite for biomedical applications, Adv. Colloid Interface Sci. 249 (2017) 321-330.

[4] S. Mondal, U. Pal, A. Dey, Natural origin hydroxyapatite scaffold as potential bone tissue engineering substitute, Ceram Int. 42 (2016) 18338-18346.

[5] P. Makvandi, C.E. Corcione, F. Paladini, A.L. Gallo, Antimicrobial modified hydroxyapatite composite dental bite by stereolithography, Polym. Adv. Technol. 29 (2017) 364-371.

[6] H. Shao, J. He, T. Lin, Z. Zhang, Y. Zhang, S. Liu, 3D gel-printing of hydroxyapatite scaffold for bone tissue engineering, Ceram Int. 45 (2019) 1163-1170.

[7] I.Y. Grubova, M.A. Surmeneva, S. Huygh, R.A. Surmenev, E.C. Neyts, Density functional theory study of interface interactions in hydroxyapatite/rutile composites for biomedical applications, J. Phys. Chem. C 121 (2017) 15687-15695.

[8] F. Liu, B. Sun, X. Jiang, S.S. Aldeyab, Q. Zhang, M. Zhu, Mechanical properties of dental resin/composite containing urchin-like hydroxyapatite, Dent. Mater. 30 (2014) 1358-1368.

[9] L. Calabrese, F. Fabiano, M. Curro, C. Borsellino, L.M. Bonaccorsi, V. Fabiano, R. Ientile, E. Proverbio, Hydroxyapatite whiskers based resin composite versus commercial dental composites: mechanical and biocompatibility characterization, Adv. Mater. Sci. Eng. 2016 (2016) 1-9.

[10] H. C. Blair, Q.C. Larrouture, Yanan Li, Hang Lin, Donna Beer-Stoltz, Li Liu, Rocky S. Tuan, Lisa J. Robinson, Paul H. Schlesinger, Deborah J. Nelson, Osteoblast differentiation and bone matrix formation in vivo and in vitro, Tissue Eng. Part B Rev. 23 (2017) 268-280.

[11] F. Giustino, Materials modelling using density functional theory: properties and predictions, OUP Oxford, 2014.

[12] K. Hirose, T. Ono, First-principles calculations in real-space formalism: electronic configurations and transport properties of nanostructures, Imperial College Pr, 2005.

[13] W. Kohn, Electronic structure of matter: wave functions and density functionals, Nobel Lecture, January 28, 1999.

[14] N.Y. Mostafa, P.W. Brown, Computer simulation of stoichiometric hydroxyapatite: Structure and substitutions, J. Phys. Chem. Solids 68 (2007) 431-437.

[15] S.S. Bhat, U.V. Waghmare, U. Ramamurty, First-principles study of structure, vibrational, and elastic properties of stoichiometric and calcium-deficient hydroxyapatite, Cryst. Growth Des. 14 (2014) 3131-3141.

[16] Z. Yuan, S. Li, J. Liu, X. Kong, T. Gao, Structural, electronic, dynamical and thermodynamic properties of Ca10(PO4)6(OH)2 and Sr10(PO4)6(OH)2: First-principles study, ‎Int. J. Hydrog. Energy 43 (2018) 13639-13648.

[17] K. Matsunaga, A. Kuwabara, First-principles study of vacancy formation in hydroxyapatite, Phys. Rev. B 75 (2007) 014102.

[18] J.M. Hughes, M. Cameron, K.D. Crowley, Structural variations in natural F, OH, and Cl apatites, Am. Mineral. 74 (1989) 870-876.

[19] M.C. Murad, I. Sopyan, S. Ramesh, Strontium-doped hydroxyapatite nanopowder via sol-gel method: effect of strontium concentration and calcination temperature on phase behavior, Trends Biomater. Artif. Organs. 23 (2009) 105-113.

[20] S.S. Bhat, U.V. Waghmare, U. Ramamurty, First-principles study of structure, vibrational, and elastic properties of stoichiometric and calcium-deficient hydroxyapatite, Cryst. Growth Des. 14 (2014) 3131-3141.

[21] J.L. Katz, K. Ukraincik, On the anisotropic elastic properties of hydroxyapatite, J. Biomech. 4 (1971) 221-227.

[22] W. Voigt, Lehrb. Kristallphys, B.G. Teubner, Ed., The University of Michigan: Ann Arbor, MI, 1928.

[23] A. Reuss, Calculation of the flow limits of mixed crystals on the basis of the plasticity of monocrystals, Z. Angew. Math. Mech. 9 (1929) 49-58.

[24] R. Hill, The elastic behaviour of a crystalline aggregate, Proc. Phys. Soc., Sect. A 65 (1952) 349.

[25] R.S. Gilmore, J. L. Katz, Elastic properties of apatites, J. Mater. Sci. 17 (1982) 1131-1141.

[26] M. Wang, C. Xia, Y. Wu, D. Chen, Z. Chen, N. Ma, H. Wang, Phase stability, elastic and electronic properties of Hf-Rh intermetallic compounds from first principles calculations, RSC Adv. 7 (2017) 20241-20251.

[27] S. Chen, Y. Sun, Y. H. Duan, B. Huang, M.J. Peng, Phase stability, structural and elastic properties of C15-type Laves transition-metal compounds MCo2 from first-principles calculations, J. Alloys Compd. 630 (2015) 202-208.

[28] R.L. Sakaguchi, B.D. Wiltbank, C.F. Murchison, Prediction of composite elastic modulus and polymerization shrinkage by computational micromechanics, Dent. Mater. 20 (2004) 397-401.

[29] E. Kraisler, L. Kronik, Fundamental gaps with approximate density functionals: The derivative discontinuity revealed from ensemble considerations, J. Chem. Phys. 140 (2014) 18A540-18A549.