1

تابستان

1391

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

سنتز پودرها با استفاده از محلولهايحاوي كلسيم و فسفر با نسبتهاي مختلفCa بهP صـورت پـذيرفت. pH محـيطواكنش با استفاده از نيتريك اسيد و سديم هيدروكسيد تنظيم شد. رسوبهاي حاصل به مدتيك سـاعت در دمـاي 1100 درجه سلس يوس حرارت داده شدند. تركيب شيميايي پودرهاي سنتزشده و نسبت Ca/P در نمونههـا بـا اسـتفاده از دسـتگاهپلاسماي جفتشده القايي تعيين شد. فازها و گروههاي عاملي موجود در نمونهها به ترتيب با اسـتفاده از روش پـراش پرتـوايكس و روش انتقال فوريه فروسرخ مشخص شدند.
چهار شبكه سهلايه با الگوريتم يادگيري پسانتشار خطا با ده نورون در لايـه مخفـي و تـابع تحريـك سـيگموئيد خطـي والگوريتم يادگيري لونبرگ-ماركوارت با استفاده از دادههاي بهدستآمده از آزمايش در چهـار شـكل متفـاوت طراحـي شـد. بهترين نتيجه مربوط به شبكه اي با80 درصد از دادهها براي مرحله يادگيري،15 درصـد بـراي مرحلـه اعتبارسـنجي و5 درصد براي مرحله آزمون بود. براي اطمينان از عملكرد مطلوب شبكهها، هر كدام از چهار شـبكه بـا اسـتفاده از چهـار دادهجديد مورد بررسي قرار گرفت و مشخص شد كه نتايج تخمين زده شده توسط شبكه با نتـايج بـه دسـت آمـده از آزمـايشمطابقت دارد.
كليد واژه: كلسيم فسفات دوفازي، سنتز شيميايي، شبكه عصبي مصنوعي.
1- مقدمه
1-1- كلسيم فسفات هاي دوفازي
بيش از سي سا ل است كه سراميك هاي كلسيمفسفاتي به طور موفقيتآميزي براي جايگزيني بافت سخت استخوان به كار رفتهاند؛ زيرا اين مواد داراي تركيب شيميايي نزديك به استخوان طبيعي، و داراي ويژگيهاي همچون سبكي وزن، پايداري شيميايي، عـدمتحريك سيستم ايمني بدن براي توليد پادتن، و تشويق هدايت سلول هاي استخواني هستند [1 و 2]. با توجه بـه ميـزان دمـا، فـشارجزيي آب و ناخالصيهاي حاضر، فازهاي گوناگون كلسيم فسفاتي تشكيل ميشوند و بر اساس نسبت مولي Ca/P و شرايط محيطي، داراي مشتقات گوناگوني هستند. در جدول (1) تركيبا ت كلسيم فسفاتي داراي كاربرد زيستي [3] آورده شده است.
-9140952183

45
جدول 1- كلسيمفسفاتهاي داراي كاربردهاي زيستي [3]
نسبت مولي Ca/P نشانه اختصاري فرمول شيميايي نام كلسيم فسفات
0/5 MCPM Ca(H2PO4)2·(H2O) مونوكلسيم فسفات مونوهيدرات
1 DCPD CaHPO4·2H2O ديكلسيمفسفات ديهيدرات
1 DCPA CaHPO4 ديكلسيمفسفات بيآب
1/13 CPP Ca2P2O7 كلسيمفسفات پيروفسفات
1/5 α/β TCP Ca3(PO4)2 آلفا/بتا تريكلسيمفسفات
2 TTCP Ca4(PO4)2O تتراكلسيمفسفات
1/67 HAp Ca10(PO4)6(OH)2 هيدروكسيآپاتيت
هيدروكسي آپاتيت با فرمول شيميايي 2Ca10(PO4)6(OH)، تركيبي شناخته شده در استخوانها و دندان ها است كه در پزشـكي ودندانپزشكي بسيار مورد توجه قرار دارد. اين ماده داراي تركيب شيميايي مشابه بافت سخت بـدن اسـت و از زيـست سـازگاري و زيستفعالي بسيار مطلوبي برخوردار است [3-12]. يكي ديگر از انواع كلسيمفسفاتها، تـري كلـسيم فـ سفات (TCP) بـا فرمـولشيميايي 2(4Ca3(PO است . نام ديگر آن تريكلسيمارتوفسفات و نام معدني آن ويتلوكيت است. محدوديت اصلي بـراي اسـتفادهاز اين ماده، سرعت بسيار زياد جذب آن است كه استفاده از آن را دشوار مي كند. هيدروكسيآپاتيت توانايي بيشتري براي تـشكيلپيوند شيميايي با بافت زنده استخوان دارد؛ ولي گسترش چنين پيوندي با توجـه بـه زيـستتخريـب پـذير نبـودنHA ، فراينـديطولاني و زمانبر است . از طرفي ، α/β-TCP زيستتخريب پذيري قابلتوجهي از خود نشان ميدهد. از اين رو، مـيتـوان انتظـارداشت كه با مخلوطي دوفازي متشكل از بتاتري كلسيم فسفات و هيدروكسيآپاتيت، بتوان مادهاي زيستي با توانايي مطلوب بـرايتسريع تشكيل استخوان بر اسـاس آزادسـازي كنتـرلشـده كلـسيم و فـسفر در اختيـار داشـت [3، 13-15]. بـه عبـارت ديگـر،كلسيم فسفاتهاي دوفازي (BCP) شامل دو فاز هيدروكسيآپاتيت و تريكلسيمفسفات هستند كه با كم يا زياد كردن درصد هـركدام از اين فازها، مي توان ميزان تخريبپذيري كاشتني را كنترل كرد.
تهيه كلسيمفسفاتها از جمله هيدروكسيآپاتيت و بتاتري كلسيمفسفات به روشهاي گوناگوني امكانپذير اسـت كـه هـر كـداممزايا و محدوديتهاي خاص خود را دارد. اما به طور كلي سه روش اصلي براي سنتز آنهـا وجـود دارد كـه عبارتنـد از: رسـوب ازمحلول (شيمي تر )، خشك (حالت جامد )، و هيدروترمال [3، 16]. در اين پژوهش به دليل قابليت كنترل شرايط و عوامل واكـنشبراي تهيه پودري با مشخصات مورد نظر، از روش رسوب از محلول استفاده شده است.
1-2- شبكه هاي عصبي مصنوعي
شبكههاي عصبي مصنوعي نوعي مدلسازي با الهام از سيستمهاي عصبي موجودات زنده هستند كه كاربردهاي فراواني در حـلمسائل مختلف مهندسي دارند. يكي از روشهاي حل مسائل پيچيده، تقسيم آن بـه مجموعـهاي از مـسائل سـادهتـر اسـت كـهآسانتر قابل درك و توصيف باشند. در ح قيقت يك شـبكه، مجموعـهاي از مـسائل سـاده اسـت كـه در كنـار يكـديگر سيـستمپيچيدهاي را توضيح ميدهند. شبكههاي عصبي مـصنوعي انـواع مختلفـي دارنـد امـا همگـي داراي دو بخـش اصـلي هـستند: مجموعهاي از گرهها (نورونها) و اتصالات بين گرهها. هر نورون در حقيقت يك واحد محاسباتي شـبكه اسـت كـه وروديهـا رادريافت كرده و با پردازش آنها، خروجي مورد نظر را توليد ميكند. اتصالات بين گرههـا نحـوه گـذر اطلاعـات در شـبكه از گـرهورودي به خروجي را مشخص ميكند. هر شبكه از يك لايه ورودي، يك يا چند لايه پنهان و يك لايه خروجي تشكيل ميشود.
هر سيناپس1 (خروجي هر نورون به نورون بعدي) داراي وزن است كه وزنها در مرحله آموزش تنظيم ميشوند.
به طور كلي شبكههاي عصبي مصنوعي از لحاظ يادگيري به دو دسته كلي تقسيم ميشوند: شبكه هاي داراي وزنهـاي ثابـت وشبكههاي داراي وزنهاي متغير (شبكههاي يادگيرنده ). شبكه هاي يا دگيرنده، خود به دو دسته يادگيرنده بـا نـاظر و بـدون نـاظرتقسيم مي شوند. در شبكه هاي با ناظر كه در كار حاضر استفاده شده است، از دادههايي كه خروجي آرمـاني آنهـا مـشخص اسـتاستفاده مي شود. براي مرحله آموزش با ناظر، بايد تعداد زيادي داده به دفعات به شبكه ارائه شود تا شبكه بتواند با تغيير وزنهـايخود خروجي مورد نظر را با كمترين خطا توليد كند [17].
يكي از تفاوتهاي مهم شبكههاي عصبي مصنوعي با يكديگر نوع الگوريتم يادگيري آنهـا اسـت. يكـي از انـواع الگـوريتمهـاييادگيري، الگوريتم پسانتشارِ خطا است كه در شبكههاي عصبي پيشسو مورد استفاده قرار ميگيـرد . در ايـن الگـوريتم، تـابعتحريك هر عصب به صورت جمع وزن هاي وروديهاي مربوط به آن عصب در نظر گرفته ميشود [17، 18].
حال بايد به بر رسي ارتباط خطا با وروديها، وزنها و خروجيها پرداخت . براي اين كار روشهـاي گونـاگوني وجـود دارد كـه درپژوهش حاضر، از روش Levenberg-Marquardt استفاده شده است. با استفاده از اين روش ميتوان سرعت محاسبات رسيدنبه حداقل گراديان خطا را افزايش و در عين حال حجم محاسبات را كاهش داد [19، 20].
به طور كلي يكي از كاربردهاي شبكه عصبي، تخمين نتـايج آزمـايشهـا در علـوم مختلـف از جملـه مهندسـي پزشـكي اسـت.
مشكلات ناشي از كار در آزمايشگاه مانند هزينه زياد، خطرات موجود آزمايشگاهي و خطاي اپراتور، منجر به استفاده روزافـزون ازشبكههاي عصبي براي تخمين نتايج آزمايش شده است. در اين پژوهش، كوشش شده تا از شبكه عصبي به عنوان ابزاري بـرايپيشبيني شرايط سنتز كلسيمفسفات دوفازي با توجه به عوامل تاثيرگذار بر شرايط سنتز استفاده شود.
2- روش كار
2-1- سنتز و مشخصه يابي
براي سنتز پودرهاي مورد نظر، ابتدا محلولهاي حاوي كلسيم و فسفر به طور جداگانه و با استفاده از كلـسيمنيتـرات چهارآبـه بـافرمول شيمياييCa(NO3)2.4H2O و ديآمونيومهيدروژنفسفات با فرمول شيميايي 4(NH4)2HPO تهيه شدند. مقدار كلـسيمو فسفر در محلولهاي ابتدايي به نحوي انتخاب شدند كه نسبت موليCa/P اوليه بر اساس مطالعات انجام شده برابر با 1، 5/1، 67/1 و 2 باشد . سنتز پودرها بر حسب مورد درpH هاي اسيدي و بازي به انجام رسيد. محلول حاوي كلسيم به بشر منتقل شـدهو محلول حاوي فسفر به صورت قطرهقطره به آن اضافه شد. در تمام مدت انجام آزمايش، دما وpH محلول ها اندازهگيـري شـد.
1
Synaps
براي تنظيمpH در محدودههاي اسيدي و بازي به ترتيب از اسيد نيتريك و هيدروكسيد سديم استفاده شد. شرايط سنتز براي هرنمونه در جدول (2) آورده شده است. با توجه به اهميت تغيير تركيبات در كلسيم فسفاتها بر اثر حرارت ديـدن و بـراي شـناختبهتر ماهيت آنها، كليه رسوبها به مدت يك ساعت در دماي 1100 درجه سلسيوس حرارت داده شدند.
براي تعيين تركيب شيميايي نمونهها و نسبتCa/P در پودرهاي به دست آمده، از روش پلاسماي جفت شده القـاييICP-AES (0143 −(ICP − AES ARL استفاده شد. فازها و گروههاي عاملي موجود در نمونهها به ترتيب با استفاده از روش پراش پرتـوايكس Siemens D500 diffractometer) XRD) و روش انتقال فوريـه فروسـرخVector 33) FTIR ) مـورد بررسـي قـرارگرفتند. همچنين براي بررسي ميزان اطمينان از عملكرد مطلوب شبكهها و آزمـودن آن، چهـار نمونـه كلـسيمفـسفاتي بـه طـورجداگانه سنتز و مشخصهيابي شدند كه شرايط سنتز آنها در جدول (3) آمده است.
جدول 2- شرايط سنتز پودرهاي كلسيم فسفاتي در دماي 20 درجه سلسيوس
محصول واكنش Ca/P pH واكنشگرها
Ca/P=2 Ca/P=1/67 Ca/P=1/5 Ca/P=1 Ca/P اوليه واكنشگرها 0/99 0/96 0/97 0/98 4
1 0/98 0/98 0/98 5
0/99 0/97 1 0/98 6
1/02 1 1 0/99 7
1/01 0/99 0/98 0/99 7/5
1/02 0/98 1/1 1 8
1/12 1/01 1/1 1/05 8/6
1/21 1/13 1/17 1/15 9
1/35 1/24 1/22 1/18 9/5
1/49 1/45 1/35 – 10
1/59 1/53 1/36 1/19 10/5
1/61 – 1/38 – 11
1/63 1/57 1/37 1/25 11/5
1/7 – 1/41 1/27 12
جدول 3- شرايط سنتز چهار نمونه پودر براي آزمودن شبكه هاي طراحي شده
Ca/P pH نام نمونه
1 10 βTCP بتا تري كلسيم فسفات خالص BCP1
1 11 βTCP-HA كلسيمفسفات دوفازي غني از بتا تري كلسيم فسفات BCP2
1/67 11 HA-βTCP كلسيمفسفات دوفازي غني از هيدروكسيآپاتيت BCP3
1/67 12 HA هيدروكسيآپاتيت خالص BCP3
2-2- طراحي شبكه عصبي مصنوعي
در اين تحقيق از جعبه ابزار شبكه عصبي متلب، نسخه 585، 0، 11، 7، براي ايجاد و آموزش شبكه عـصبي اسـتفاده شـد. بـرايبررسي كارايي، روش مجموع مربعات خطا و رگرسيون1 به كار برده شد. از آنجا كه يك شبكه پيشرو سهلايه با الگوريتم يادگيريپسانتشارِ خطا قادر به يادگيري و تخمين هر تابع خطي است [18]، در اين پژوهش از چهار شبكه با 10 نورون در لايه مخفي وتابع تحريك سيگموئيد خطي و الگوريتم يادگيريLevenberg-Marquardt استفاده شد كه درصد دادههاي اختصاصداده شدهبراي سه مرحله يادگيري، اعتبارسنجي ، و آزمون4 از مجمـوع 52 د اده بـه دسـت آمـده از آزمـايشهـا در آنهـا، متفـاوت اسـت (جدول2). در شبكه اول، 80 درصد كل دادهها براي مرحله يادگيري، 15 درصد براي مرحله اعتبارسنجي، و 5 درصد براي مرحلهآزمون در نظر گرفته شد. اين شبكه را به اختصار 5-15-80 ميناميم. درصد دادههاي اختصاص دادهشده به هر مرحله در شـبكهنوع دوم 5-20-75، در شبكه نوع سوم 25-10-65 و در شبكه چهارم 15-20-65 بود.
3- نتايج و بحث
3- 1- تركيب و ساختار نمونه ها
در شكل هاي (1) و (2)، الگوهايXRD وFTIR چهار نمونه از پودرهاي سنتز شـده بـراي آزمـودن شـبكه مقايـسه شـده اسـت.
همان طور كه ديده ميشود، حضور پيك سهگانه مربوط بـه هيدروكـسيآپاتيـت و مطابقـت تمـامي پيـكهـا بـا كـارت اسـتاندارد JCPDS 09-0432، در نمونه هيدروكسيآپاتيت خالص كاملاً مشخص است. با افزايش فاز دوم (بتاتري كلسيم فـسفات )، از شـدتمجموعه پيكهاي هيدروكسي آپاتيت و به خصوص پيك 100 آن، كاسته شده و بر شدت مجموعه پيك هاي بتا تريكليسم فـسفات(به عنوان مثال پيك 100 آن )، افزوده ميشود. سرانجام در نمونه آخر، بتاتريكلسيمفسفات خالص (به عنوان يك كلـسيمفـسفاتدوفازي كه درصد فاز هيدروكسيآپاتيت آن صفر است) به وجود ميآيد (كارت استاندارد JCPDS 09-0169).

شكل 1- مقايسه الگوهاي پراش پرتو ايكس كلسيمفسفاتهاي دوفازي سنتز شده به روش نمك محلول
1
Regression
(2) نيز الگويFTIR پودرهاي سنتز شده به روش نمك محلول با هم مقايسه شده است. پيكهاي مربـوط بـه 1-OH مشخصه حضور فاز هيدروكسيآپاتيت است. از طرفي پيك -4HPO نيز نشان از حضور بتاتري كلسيمفسفات دارد . با افزايش فـازبتـاتريكلـسيمفـسفات، از شـدت پيـك هيدروكـسيل در محـدوده 1-cm 3550 و 1-cm 630 كاسـته شـده تـا اينكـه در نمونـه بتاتري كلسيمفسفات ايـن پيـك كـاملاً ناپديـد مـيشـود . همچنـين پيـك مربـوط بـه 2-4HPO كـه از مشخـصههـاي حـضوربتاتري كلسيم فسفات است، در نمونه هيدروكسيآپاتيت خالص ديده نميشود و با افزايش مقدار فاز بتاتريكلسيمفسفات بر شـدتآن افـزوده مـيشـود كـه ايـن خـود گـواهي بـر تـشكيل فازهـاي كلـسيمفـسفات دوفـازي متـشكل از هيدروكـسيآپاتيـت و بتاتريكلسيمفسفات است . بدين گونه، استفاده از روش نمك محلول بر اساس شرايط ذكر شده در جدول (3) را مي تـوان روشـيمناسب و آسان براي توليد كلسيمفسفاتدوفازي به شمار آورد.

شكل 2- مقايسه الگوهاي FTIR كلسيمفسفاتها دوفازي سنتز شده به روش نمك محلول
3- 2- عملكرد شبكه ها
در نمودارهاي شكل (3)، محور عمودي، خروجي1 تخمينزده شده توسط شبكه عصبي و محور افقي، خروجي بـه دسـت آمـده ازآزمايش2 است. اين نمودارها اختلاف بين خروجي توليد شده توسط شبكه و خروجي به دست آمده از آزمايش را نشان مـيدهنـدكه آن را خطاي شبكه مينامند. حالت مطلوب ، برابري مقادير مربوط به محورهاي عمودي و افقي است؛ به اين مفهوم كه نقاطبر روي خط y=t قرار بگيرند.
در شكل (3- الف )، شبكه 5-15-80، خط مربوط به مرحله يـادگيري داراي شـيب 99/0 اسـت . شـيب خـط مربـوط بـه مرحلـهاعتبارسنجي برابر 94/0 است . اين بدان معني است كه خروجي اين شبكه به مقادير به دست آمده از آزمايش بسيار نزديك است .
شيب خط در مرحله آزمون برابر با 51/0 است كه فاصله زيادي با حالت مطلوب دارد.
1
Output
(3- ب )، شبكه 5-20-75، در مرحله يادگيري، دادههاي تخمين زده شده توسـط شـبكه بـا داده هـاي حاصـل از آزمـايش بـاميانگين خطاي 0077/0 مطابقت دارد. در مرحله اعتبارسنجي نيز همين شرايط وجود دارد. اما در مرحله آزمون اين مقدار به 2/1 ميرسد.
با در نظر گرفتن مجموع دادههاي مراحل سهگانه، خطي با شيب 1 به دست ميآيـد كـه بيـانگر صـحت عملكـرد شـبكه اسـت.
پراكندگي نقاط در اطراف خط y=t اندك است كه نشانه اي از مناسب بودن توپولوژي شبكه به شمار ميرود.
در شكل (3- ج)، شبكه 25-10-65، شيب خط مرحله يادگيري 95/، مرحله اعتبارسنجي 91/0، و سرانجام در مرحله آزمون برابـر 1 است. در نمودار مربوط به مجموع نقاط، شيب خط برابر با 96/0 ميباشد كه در مقايسه با شبكه 5-20-75 خطاي بيشتري دارد در شكل (3- د)، شبكه 15-20-65، شيب خط در سه مرحله يادگيري ، اعتبارسنجي و آزمـون بـه ترتيـب برابـر بـا 86/0، 1 و 1 است. اين شيب در خط مربوط به مجموع نمونهها به 92/0 مي رسد. با در نظر گرفتن خط مربوط بـه مجمـوع دادههـا مـيتـوان نتيجه گرفت كه توپولوژي انتخابي اين شبكه داراي خطاي بيشتري نسبت به ساير شبكه ها است.

5

15

80
)

الف
(

5

20

75
)

ب
(

5


پاسخی بگذارید