Модель метода неразрушающего контроля керамического материала на основе гидроксиапатита с добавками углеродных нанотрубок | Технологии безопасности жизнедеятельности. 2024. № 8. DOI: 10.17223/29491665/8/8

Модель метода неразрушающего контроля керамического материала на основе гидроксиапатита с добавками углеродных нанотрубок

Керамические композиты, способные эффективно функционировать в условиях экстремальных нагрузок, должны обеспечивать их безопасную эксплуатацию. Определение оптических характеристик материалов методом неразрушающего контроля позволяет оценить их пористую структуру без механического разрушения. Построены структурные модели для представительного объема пористого керамического материала на основе гидроксиапатита с добавками 0,1 и 0,5 мас.% углеродных нанотрубок. С помощью метода конечных элементов смоделировано прохождение терагерцового излучения в частотном диапазоне от 0,2 до 1,1 ТГц, и проведена оценка влияния нанотрубок на структуру и оптические свойства модельных образцов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Скачать электронную версию публикации

Загружен, раз: 4

Ключевые слова

гидроксиапатит, углеродные нанотрубки, метод конечных элементов, пористость, показатель преломления, коэффициент поглощения, терагерцовая спектроскопия

Авторы

ФИО	Организация	Дополнительно	E-mail
Резванова Анастасия Евгеньевна	Институт физики прочности и материаловедения СО РАН	младший научный сотрудник лаборатории молекулярного имиджинга и фотоакустики	ranast@ispms.ru
Кудряшов Борис Сергеевич	Институт физики прочности и материаловедения СО РАН	инженер-исследователь лаборатории молекулярного имиджинга и фотоакустики
Пономарёв Александр Николаевич	Институт физики прочности и материаловедения СО РАН; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники	кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лаборатории молекулярного имиджинга и фотоакустики

Всего: 3

Ссылки

Moussy F. Biomaterials for the developing world // Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2010. Vol. 94, № 4. P. 10011003. doi: 10.1002/jbm.a.32866.

Lahiri D., Ghosh S., Agarwal A. Carbon nanotube reinforced hydroxyapatite composite for orthopedic application: a review // Materials Science and Engineering: C. 2012. Vol. 32, № 7. P. 1727-1758. doi: 10.1016/j.msec.2012.05.010.

Han Y., Wei Q., Chang P., Hu K., Okoro O.V., Shavandi A., Nie L. Three-dimensional printing of hydroxyapatite composites for biomedical application // Crystals. 2021. Vol. 11, № 4. P. 353. doi: 10.3390/cryst11040353.

Díaz M., Barba F., Miranda M., Guitian F., Torrecillas R., Moya J.S. Synthesis and Antimicrobial Activity of a Silver-Hydroxyapatite Nanocomposite // Journal of Nanomaterials. 2009. № 2009. P. 1-6. doi: 10.1155/2009/498505.

Zhang T., Cai W., Chu F., Zhou F., Liang S., Ma C., Hu Y. Hydroxyapatite/polyurea nanocomposite: Preparation and multiple performance enhancements // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020. № 128. P. 105681. doi: 10.1016/j.compositesa.2019.105681.

Fiume E., Magnaterra G., Rahdar A., Verne E., Baino F. Hydroxyapatite for biomedical applications: A short overview // Ceramics. 2021. Vol. 4, № 4. P. 542-563. doi: 10.3390/ceramics4040039.

Zhao X., Zheng J., Zhang, W., Chen X., Gui Z. Preparation of silicon coated-carbon fiber reinforced HA bio-ceramics for application of load-bearing bone // Ceramics International. 2020. Vol. 46, № 6. P. 7903-7911. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.12.010.

Khalid P., Suman V.B. Carbon nanotube-hydroxyapatite composite for bone tissue engineering and their interaction with mouse fibroblast L929 In Vitro // Journal of Bionanoscience. 2017. Vol. 11, № 3. P. 233-240. doi: 10.1166/jbns.2017.1431.

Ferreira C.R.D., Santiago A.A.G., Vasconcelos R.C., Paiva D.F.F., Pirih F.Q., Araujo A.A., Motta F.V., Bomio M.R.D. Study of microstructural, mechanical, and biomedical properties of zirconia/hydroxyapatite ceramic composites // Ceramics International. 2022. Vol. 48, № 9. P. 12376-12386. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.01.102.

Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. London : Academic Press, 1982.

Cox S.C., Thornby J.A., Gibbons G.J., Williams M.A., Mallick K.K. 3D printing of porous hydroxyapatite scaffolds intended for use in bone tissue engineering applications // Materials Science and Engineering: C. 2015. № 47. P. 237-247. doi: 10.1016/j.msec.2014.11.024.

Akinribide O.J., Mekgwe G.N., Akinwamide S.O., Gamaoun F., Abeykoon C., Johnson O.T., Olubambi P.A. A review on optical properties and application of transparent ceramics // Journal of materials research and technology. 2022. № 21. P. 712-738. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.09.027.

Wagner A., Ratzker B., Kalabukhov S., Sokol M., Frage N. Residual porosity and optical properties of spark plasma sintered transparent polycrystalline cerium-doped YAG // Journal of the European Ceramic Society. 2019. Vol. 39, № 4. P. 1436-1442. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.006.

Shahmiri R., Standard O.C., Hart J.N., Sorrell C.C. Optical properties of zirconia ceramics for esthetic dental restorations: A systematic review // The Journal of prosthetic dentistry. 2018. Vol. 119, № 1. P. 36-46. doi: 10.1016/j.prosdent.2017.07.009.

Faingold A., Cohen S.R., Shahar R., Weiner S., Rapoport L., Wagner H.D. The effect of hydration on mechanical anisotropy, topography and fibril organization of the osteonal lamellae // Journal of Biomechanics. 2014. Vol. 47, № 2. P. 367-372. doi: 10.1016/j.j biomech.2013.11.022.

Veljovic D., Vukovic G.D., Steins I., Palcevskis E., Uskokovic P., Petrovic R., Janackovic D. Improvement of the mechanical properties of spark plasma sintered hap bioceramics by decreasing the grain size and by adding multi-walled carbon nanotubes // Science of Sintering. 2013, Vol. 45, № 2. P. 33-243. doi: 10.2298/SOS1302233V.

Barabashko M.S., Tkachenko M.V., Neiman A.A., Ponomarev A.N., Rezvanova A.E. Variation of Vickers microhardness and compression strength of the bioceramics based on hydroxyapatite by adding the multi-walled carbon nanotubes // Applied Nanoscience. 2019. Vol. 10, № 8. P. 2601-2608. doi: 10.1007/s13204-019-01019-z.

Barabashko M.S., Tkachenko M.V., Rezvanova A.E., Ponomarev A.N. Analysis of temperature gradients in the hydroxyapatite ceramics with the additives of multi-walled carbon nanotubes // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2021. Vol. 95, № 5. P. 10171022. doi: 10.1134/S0036024421050058.

Mukherjee S., Kundu B., Chanda A., Sen S. Effect of functionalisation of CNT in the preparation of HAp-CNT biocomposites // Ceramics international. 2015. Vol. 41, № 3. P. 3766-3774. doi: 10.1016/j.ceramint.2014.11.052.

Lahiri D., Singh V., Keshri A.K., Seal S., Agarwal A. Carbon nanotube toughened hydroxyapatite by spark plasma sintering: Microstructural evolution and multiscale tribological properties // Carbon. 2010. Vol. 48, № 11. P. 3103-3120. doi: 10.1016/j.carbon.2010.04.047.

Nikoghosyan A.S., Ting H., Shen J., Martirosyan R.M., Tunyan M.Y., Papikyan A.V., Papikyan A.A. Optical properties of human jawbone and human bone substitute Cerabone® in the terahertz range // J. Contemp. Phys. 2016. Vol. 51, № 3. P. 256-264. doi: 10.3103/S1068337216030087.

Bawuah P., Ervasti T., Tan N., Zeitler J.A., Ketolainen J., Peiponen K.E. Noninvasive porosity measurement of biconvex tablets using terahertz pulses // International journal of pharmaceutics. 2016. Vol. 509, № 1-2. P. 439-443. doi: 10.1016/j.ijpharm.2016.06.023.

Kistenev Yu.V., Nikolaev V.V., Kurochkina O.S., Borisov A.V., Sandykova E.A., Krivova N.A., Tuchina D.K., Timoshina P.A. Use of terahertz spectroscopy for in vivo studies of lymphedema development dynamics // Optics and Spectroscopy. 2019. № 126. P. 523529. doi: 10.1134/S0030400X19050138.

Bawuah P., Markl D., Farrell D., Evans M., Portieri A., Anderson A., Goodwin D., Lucas R., Zeitler J.A. Terahertz-based porosity measurement of pharmaceutical tablets: A tutorial // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2020. Vol. 41, № 4. P. 450-469. doi: 10.1007/s10762-019-00659-0.

Безмельницин Д.С., Лизункова Д.А., Шишкин И.А. Оптические свойства наноструктурированного кремния // Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2020. Т. 1, № 16. С. 261-266.

COMSOL. URL: https://www.comsol.ru (accessed: 1 July 2024).

Fish J., Belytschko T. A First Course in Finite Elements. John Wiley & Sons, 2017.

Сизин П.Е. Теоретическое и численное моделирование электрической проводимости пористых сред // Горный информационно-аналитический бюллетенью. 2023. Т. 5. С. 43-56. doi: 10.25018/0236_1493_2023_5_0_43.

Fiocchi S., Chiaramello E., Marrella A., Suarato G., Bonato M., Parazzini M., Ravazzani P. Modeling of core-shell magneto-electric nanoparticles for biomedical applications: Effect of composition, dimension, and magnetic field features on magnetoelectric response // PloS one. 2022. Vol. 17, № 9. P. e0274676. doi: 10.1371/journal.pone.0274676.

Rezvanova A.E., Kudryashov B.S., Ponomarev A.N., Knyazkova A.I., Nikolaev V.V., Kistenev Y.V.Composite hydroxyapatite-multiwalled carbon nanotubes: study of porosity by terahertz time domain spectroscopy // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023. Vol. 14, № 5. P. 530-538. doi: 10.1371/journal.pone.0274676.

Barabashko M., Ponomarev A., Rezvanova A., Kuznetsov V., Moseenkov S. Young’s modulus and vickers hardness of the hydroxyapatite bioceramies with a small amount of the multi-walled carbon nanotubes // Materials. 2022. Vol. 15, № 15. P. 5304. doi: 10.3390/ma15155304.

Резванова А.Е. Кудряшов Б.С., Скоробогатов Д.Д., Пономарев А.Н. Модель распространения терагерцового импульса через керамику на основе гидроксиапатита // Журнал технической физики. 2024. Т. 94, № 3. С. 358-365. doi: 10.61011/JTF.2024.03.57372.18-24.

Ray Optics Module User’s Guide. URL: https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.roptics (accessed: 1 July 2024).

Borisenko S.I., Revinskaya O.G., Kravchenko N.S., Chernov A.V. The refractive index of light and methods for its experimental determination. Tomsk : Publishing house of Tomsk Polytechnic University, 2014. P. 142.

Huang P., Zhou B., Zheng Q., Tian Y., Wang M., Wang L., Li J., Jiang W. Nano wave plates structuring and index matching in transparent hydroxyapatite-YAG: Ce composite ceramics for high luminous efficiency white light-emitting diodes // Advanced Materials. 2020. Vol. 32, № 1. P. 905951. doi: 10.1002/adma.201905951.

Plazanet M., Tasseva J., Bartolini P., Taschin A., Torre R., Combes C., Rey C., Michele A.Di., Verezhak M., Gourrier A. Time-domain THz spectroscopy of the characteristics of hydroxyapatite provides a signature of heating in bone tissue // PLoS One. 2018. Vol. 13, № 8. P. e0201745. doi: 10.1371/journal.pone.0201745.

Bessou M., Chassagne B., Caumes J.-P., Pradere C., Maire P., Tondusson M., Abraham E. Three-dimensional terahertz computed tomography of human bones // Applied optics. 2012. Vol. 51, № 28. P. 6738-6744. doi: 10.1364/AO.51.006738.