كشفت مجموعة بحثية عن مادة حيوية قائمة على الكوبالت والكروم تحاكي مرونة العظام البشرية، وتمتلك مقاومة ممتازة للتآكل. يمكن استخدام هذه المادة الحيوية الجديدة في عمليات زرع الأعضاء، مثل استبدال مفصل الورك أو الركبة وألواح العظام، مما يقلل من المشكلات المرتبطة بمواد الزرع التقليدية.

وقد نُشرت تفاصيل أبحاثهم في مجلة Advanced Materials في 9 مايو 2022.

مع زيادة عدد السكان المسنين في جميع أنحاء العالم، زادت الحاجة إلى تحسين المواد الحيوية التي يمكن أن تحل محل العظام التالفة  أو تدعمها. ولتحقيق هذا الهدف، فقد اُستخدمت المعادن على نطاق واسع بسبب قوتها وليونتها، إلا أن قوة المعادن العالية تؤدي إلى تقليل مرونتها.

حتى الآن، تعد معظم المواد الحيوية المعدنية أكثر صلابة من عظام الإنسان، واستخدامها في عملية زراعة الأعضاء يؤدي إلى ضمور العظام، وهي حالة تنخفض فيها كثافة العظام بسبب انهيار مادة وهيكل العظام. وفي الوقت نفسه، فإن المواد الحيوية ذات المرونة المرتفعة تفقد خاصية مقاومتها للتآكل.

على الرغم من أن المواد فائقة المرونة المصنوعة من سبائك النيكل والتيتانيوم (Ni-Ti)، والتي تُستخدم بشكل شائع في الدعامات وأسلاك تقويم الأسنان، تحافظ على مرونة عالية وقدرة على التعافي من الإجهاد، فإن النيكل يعتبر عنصر تحسسي. لكن في المقابل فإن السبائك الخالية من النيكل لا تحتوي على نفس درجة المرونة الفائقة التي تمتلكها سبائك Ni-Ti، مما يجعلها غير عملية.

إن مجموعة البحث التي تضم باحثين من كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة توهوكو ومعهد أبحاث المواد (IMR)، ومركز J-PARC، ووكالة الطاقة الذرية اليابانية، والأكاديمية التشيكية للعلوم، ركزت على تقليل فجوة معامل يونغ بين الغرسات المعدنية والعظام البشرية. فعندما تكون المادة مرنة، فإن معامل يونغ يكون منخفضًا، وعندما تكون المادة قاسية فإن معامل يونغ لها يكون مرتفعًا.

قال شياو شو، الأستاذ المساعد في كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة توهوكو: “نظرًا لأن معامل يونغ يتوقف على الاتجاه البلوري، فقد قمنا بتحضير بلورات مفردة ذات اتجاه بلوري محدد”.

باستخدام تقنية المعالجة الحرارية الدورية، نجح شو وزملاؤه في تحضير بلورات مفردة كبيرة بحجم عدة سنتيمترات. أظهرت سبيكة Co-Cr-Al-Si المطورة (CCAS) معدل استرداد بنسبة 17٪ – ضعف معدل سبائك الذاكرة ذات الشكل Ti-Ni التجارية. علاوةً على ذلك، كان معامل يونج الخاص بسبيكة CCAS منخفضًا للغاية، ومشابهًا لمرونة العظام البشرية.

وأضاف شو: “لقد علمنا أن الكروم يمتلك مقاومة قوية للتآكل، لكن خصائص المرونة الفائقة المقاومة للتآكل للمواد المصنعة من الكوبالت والكروم فاجأتنا”.

بعد هذا الإنجاز الذي حققته المجموعة البحثية فإنها تأمل في السعي لاكتشاف السبب الذي جعل CCAS تحقق هذه الخصائص الفائقة، لأن هذا يعني القدرة على تطوير مواد من الجيل التالي تحمل خصائص أفضل.

المصدر: https://phys.org

ترجمة: عائشة جلال الأصفر

تويتر: @Aisha36550897  

مراجعة وتدقيق: زينب محمد