مطالعه محاسباتي هيدروكسي آپاتيت: تاثير اصلاح ساختاري بر روي مشخصه‌هاي مكانيكي

Theoretical Evaluation of Hydroxyapatite: The Effect of Structural Modification on Mechanical Properties

در اين مطالعه، خواص مكانيكي كلسيم هيدروكسي آپاتيت خالص و تلقيح‌ يافته با استرانسيم با استفاده از محاسبات نظريه تابعي چگالي بررسي گرديد. نتايج مطالعات برون-تني پيشين حاكي از آن است كه تلقيح استرانسيم در ساختار بلوري هيدروكسي آپاتيت مي‌تواند سبب ارتقاي انحلال‌پذيري آپاتيت‌ها و نيز افزايش سطح هورمون پروتئيني استئوكلسين شود. با اين حال، نياز است تا تاثير اين اصلاح ساختاري بر روي خواص مكانيكي پيش از استفاده از آنها به عنوان پركننده‌هاي زيست-سازگار در مواد كامپوزيتي مورد ارزيابي قرار گيرد. در ابتدا، مشخصه‌هاي ساختاري بدست آمده از طريق بهينه‌سازي هندسي تطابق خوبي با مقادير تجربي گزارش شده نشان داد كه اين موضوع مي‌تواند گواهي بر صحت محاسبات باشد. در ادامه، شش ثابت الاستيك مستقل، مدول توده، مدول برشي، مدول يانگ، نسبت پواسون و معيار آنيزوتروپي الاستيك براي هر دو تركيب محاسبه و با يكديگر مقايسه گرديد. بررسي ثوابت الاستيك و نيز ساير مولفه‌هاي مكانيكي، بيانگر وجود آنيزوتروپي بيشتر در تركيب اصلاح يافته مي‌باشد. در نهايت نيز منشاء ايجاد تفاوت در مشخصه‌هاي مكانيكي به كمك نتايج مربوط به توزيع چگالي سطوح الكتروني اين دو تركيب مورد بحث قرار گرفت.

In this study, we explore the mechanical properties of the pure and strontium doped calcium hydroxyapatites by means of density functional theory computations. It has been demonstrated that strontium incorporation into hydroxyapatite can promote the solubility of apatite and osteocalcin levels as well. However, the influence of the structural modification on the mechanical characteristics must be identified before using them as biocompatible fillers in hybrid materials. Initially, the obtained structural parameters by geometry optimization are good consistent with the reported experimental values indicating accuracy of the calculations. Six independent elastic constants, bulk modulus, shear modulus, Young’s modulus, Poisson’s ratio and elastic anisotropy are computed and compared in detail. The analysis of the elastic constants and other moduli discovers higher anisotropy on elasticity for the modified compound. Finally, the origins of these features which appear in various mechanical properties have been comprehensively discussed using density of states for these two materials.