چکیده
استخوان فک انسان یکی از پیچیده ترین ساختارهای زیستی بدن است و تحلیل رفتار مکانیکی آن در حوزه های دندان پزشکی، جراحی فک و مهندسی بیومکانیک اهمیت ویژه ای دارد. با وجود پژوهشهای گسترده در مقیاس ماکرو، بررسی سلسله مراتب ساختاری این استخوان در مقیاس های نانو، ریزساختار و میکروساختار همچنان با چالش های جدی همراه است و بسیاری از ویژگی های مکانیکی آن ناشناخته باقی مانده است. در این پژوهش، ساختار استخوان مندیبل و ماگزیلا در سه مقیاس یادشده با بهکارگیری مجموعه ای از آزمون های تجربی و روش های پیشرفته ی مدل سازی مورد بررسی قرار گرفتهاست. آزمونهای مقدماتی بسیاری بر روی ساختار بیش از 170 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، نتایج مورد نظر حاصل نشدهاست. به همین منظور، مراحل پیچیده جهت اخذ مجوزهای حقوقی و شرعی جهت برداشت استخوان جسد انسان طی شدهاست. به طور کلی، بازهی زمانی، از ارایهی نخستین درخواست جهت اخذ مجوزهای قانونی تا دریافت اولین نمونهی استخوان فک جسد انسان، 25 ماه بوده-است. 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 با قطر150 نانومتر استخراج شدهاست. سپس با انجام آزمون توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، مدول الاستیک فیبریلهای کلاژن در استخوان کورتیکال و ناحیهی میانی کورتیکال و ترابکولار در مندیبل و ماگزیلا محاسبه شدهاست. تفاوت در رفتار مکانیکی فیبریل کلاژن در نواحی میانی، نسبت به نواحی کورتیکال مشاهده شدهاست. 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 سنتز و بلور هیدروکسی آپاتیت تشکیل شدهاست. سپس پراش اشعهی ایکس جهت دستیابی به پارامترهای شبکه و همچنین موقعیت اتمهای سلول واحد هیدروکسی آپاتیت به منظور دستیابی به دادههای ورودی شبیهسازی دینامیک مولکولی، انجام شدهاست. در انتها خواص مکانیکی اورتوتروپیک ابر سلول هیدروکسی آپاتیت استخوان فک بدست آمده و ناهمسان گردی مکانیکی صفحات مختلف بلور آشکار شدهاست. آزمون نانوسختی سنجی جهت محاسبهی مدول الاستیک و سختی ریزساختار استخوان کورتیکال، متشکل از لاملا در ابعاد1-10 میکرومتر، در سه راستای اصلی استخوان فک، شامل سوپریور-اینفریور، باکال-لینگوال و مزیال-دیستال انجام شدهاست و رفتار ارتوتروپیک این ساختار در سه راستای اصلی استخوان مشخص شدهاست. در ادامه، با بهکارگیری نتایج بدست آمده از آزمونهای تجربی در مقیاس نانو و همچنین نظریهی موری-تاناکا، تانسور سختی لاملا محاسبه و نتایج حاصل با نتایج تجربی در این مقیاس مقایسه سازی شدهاست. خواص الاستیک به دست آمده، نقش جهت گیری لاملا را در پاسخ مکانیکی استخوان فک آشکار نمودهاست. همچنین در گام بعدی، جهت بررسی مدول الاستیک میکرو ساختار استخوان کورتیکال در هر دو استخوان فک، نمونههایی با ضخامت حداکثر 250 میکرومتر جهت دستیابی به استئونها استخراج گردیده و در سه راستای اصلی فک، آزمون میکرو فشار انجام و تفاوت رفتار مکانیکی در راستاهای مختلف آناتومیک فک نمایان شدهاست. با توجه به ضعف تئوری کلاسیک محیط پیوسته در تحلیل میکرو و نانو ساختار، تئوری الاستیسیتهی غیرمحلی جهت تحلیل فیبریل کلاژن در مقیاس نانو بهکار گرفته شدهاست. با در نظر گرفتن آزمون تجربی و همچنین بهکارگیری روابط بوسینسک برای یک فروروندهی مخروطی صلب، محاسبهی توزیع تنش و کرنش، معادلات متشکلهی غیر محلی کلاژن فک انسان حاصل و پارامتر الاستیسیتهی غیر محلی محاسبه شدهاست. در نهایت میکرو تصاویر سی تی اسکن با وضوح 5 میکرومتر از میکروساختار فک فراهم و سپس با استفاده از کدنویسی پیشرفته، پردازش شدهاست. سپس مدل سازی اجزای محدود انجام و با به کارگیری تئوری تنشکوپل، 9 درایهی تانسور سختی کلاسیک و 12 درایهی تانسور سختی تنشکوپل محاسبه شدهاست. این نتایج بیان نموده است که در مقیاس میکرو، استخوان فک دارای رفتار ناهمسان گرد مرتبه بالا و وابسته به گرادیان تغییرشکل بوده و تحلیل آن تنها با استفاده از مدل های پیشرفتهی مکانیک محیط های پیوسته امکان پذیر شدهاست. این پژوهش با ترکیب نتایج تجربی و مدل سازی عددی، تصویری جامع از رفتار مکانیکی استخوان فک ارایه می دهد و چارچوبی چندمقیاسی برای تحلیل دقیق تر این بافت زیستی فراهم می سازد. همچنین نشانگر آن است که، تحلیل استخوان فک تنها با رویکرد چندمقیاسی امکان پذیر است و نتایج آن می تواند م