SUPERVISOR
Mohmmad ali Golozar,Mahshid Kharaziha-esfahani
محمدعلي گلعذار (استاد مشاور) مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
Atefeh Golshirazi
عاطفه گل شيرازي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Fabrication and Characterization of Hemocompatible Nanocomposite Coating of Chitosan-kappa Carrageenan for Cardiovascular Stent Applications
Recently, heart disease such as blockage of blood arteries is a major cause of mortality in the world. In the meantime, a lot of research focused on the development of biodegradable metal stents, such as magnesium and its alloys. Despite the favorable clinical results, low corrosion resistance and high degradation rate of magnesium alloys limit its application for medical applications. The aim of the present study was to prepare and characterize the layer by layer self-assembled coating of Kappa Carrageenan-Chitosan: Heparin on AZ91 magnesium alloy to control the corrosion rate and improve its blood compatibility. In this regard, firstly, the micro arc oxidation (MAO) was performed on the Mg alloy and the process parameters consisting of the electrolyte type, time and voltage were optimized based on X-ray diffraction (XRD), roughness measurement, scanning electron microscopy (SEM) and electrochemical tests. In the fallowing, MAO treated samples were coated with polyethylene imide-Kappa Carrageenan to evaluate the effect of simultaneous two types of surface modification approaches containing MAO process and polymer coating. Afterward, the samples prepared under optimal MAO and coated with polyethylene imide were subsequently coated with 10, 20 and 30 layers of Kappa Carrageenan-Chitosan: heparin. In order to control drug release rates of heparin from coating, the Heparin was loaded in chitosan nanoparticles and applied during the process of layer by layer self-assembled approach. Results showed that 60 V, 30 min and fluorine-contained electrolyte was the optimized voltage, time and electrolyte type for MAO process. As prepared samples consisted of the average pores size 3.32±1.97 ?m, 37% surface porosity and 19.276±1.951?m surface roughness. Moreover, the corrosion current density was measured 0.37 ?A/cm 2 which was significantly less than other samples. Moreover, the formation of bilayer polymer coating on the surface of the sample was confirmed by using Fourier transform Infrared spectroscopy (FTIR). Furthermore, the results indicated that the roughness of surface decreased compared to without polymer coating samples and SEM images showed that the polymer coating covered most of pores fabricated during MAO process leading to to enhance in corrosion resistance. In this regard, the electrochemical tests confirmed the improved corrosion behavior of polymer coated samples due to the filling of the pores and porosity. In this condition, the corrosion current density was about 0.042 ?A/cm 2 indicating 9 times less corrosion compared to MAO-coated sample. Moreover, DLS results and FTIR spectroscopy confirmed the formation of chitosan: Heparin nanoparticles with particle size of 55±10nm. Moreover, FTIR spectra confirmed the formation of Kappa Carrageenan-Chitosan: Heparin coating. Depending on the number of layers (10, 20 and 30 layers), the thickness of polymer coatings were estimated about 2±0.02 ?m leading to enhanced corrosion resistance of Mg alloy. In addition, blood compatibility of coated samples enhanced with increasing coating layers consisting of heparin. Results confirmed that as prepared layer by layer coating had great potential for cardiovascular stent applications. Key words: Magnesium; Kappa Carrageenan; Chitosan; Heparin; Micro arc oxidation; Layer by layer self-assembled coating.
چکيده امروزه بيماري هاي قلبي مانند انسداد شريان خون رسان قلب يکي از دلايل عمده مرگ و مير در جهان مي باشد. در اين ميان، تحقيقات زيادي برتوسعه استنت هاي تخريب پذير فلزي مانند منيزيم و آلياژهاي آن متمرکز شده است. با وجود نتايج کلينيکي مطلوب، مقاومت به خوردگي کم و نرخ تخريب بالاي آلياژهاي منيزيم، کاربرد آن را براي کاربردهاي پزشکي محدود مي کند. هدف از پژوهش حاضر ساخت و مشخصه يابي پوشش لايه لايه خودآراي کاپاکاراگينان-کيتوسان:هپارين بر آلياژ پايه منيزيم AZ91 به منظور کنترل نرخ خوردگي و بهبود خون سازگاري آن است. در اين راستا، در ابتدا فرايند اکسيداسيون ميکروجرقه بر سطح آلياژ انجام شد و پارامترهاي فرايند شامل نوع الکتروليت، زمان و ولتاژ فرايند از طريق آزمون هاي پراش پرتو ايکس، بررسي ميکروساختار به کمک زبري سنجي و ميکروسکوپ الکتروني روبشي و آزمون هاي الکتروشيميايي، بهينه سازي شد. در ادامه، نمونه هاي حاصل از اکسيداسيون ميکروجرقه، تحت فرايند پوشش دهي دولايه با استفاده از پلي اتيلن ايميد-کاپاکاراگينان به منظور ارزيابي تاثير همزمان دو نوع فرايند اصلاح سطحي اکسيداسيون ميکروجرقه و پوشش دهي پليمري،قرار گرفته و مشخصه يابي شدند. در پايان، نمونه تهيه شده در شرايط اکسيداسيون ميکرو جرقه بهينه و پوشش داده شده با پلي اتيلن ايميد، تحت پوشش دهي 10، 20 و 30 لايه از کاپاکاراگينان-کيتوسان:هپارين قرار گرفتند. به منظور کنترل بيشتر نرخ رهايش داروي هپارين از پوشش، داروي هپارين در نانوذرات کيتوسان بارگذاري و در طي فرايند لايه لايه خودآرا در تهيه پوشش استفاده شد. نتايج نشان داد که ولتاژ 60 ولت و زمان 30 دقيقه و الکتروليت حاوي پيش ساز فلوئور، شرايط بهينه براي تهيه پوشش مناسب حاصل از فرايند اکسيداسيون ميکروجرقه بود. نمونه حاصل داراي تخلخل هايي با اندازه 97/1? 32/3 ميکرومتر، درصد تخلخل سطحي 37درصد و زبري سطح 951/1? 276/19 ميکرومتر بود. همچنين، ميزان چگالي جريان خوردگي براي آن 37/0 ميکرو آمپر بر سانتي متر مربع اندازه گيري شد که نسبت به ساير نمونه ها بيشترين مقاومت به خوردگي را نشان داد. علاوه بر اين، تشکيل پوشش دولايه پلي اتيلن ايميد-کاپاکاراگينان بر سطح نمونه به کمک آزمون طيف سنجي فروسرخ با بديل فوريه، تاييد شد. نتايج حاصل از زبري سنجي بيانگر کاهش زبري سطح در مقايسه با نمونه هاي بدون پوشش پليمري مي باشد و تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي کاهش تعداد و مقدار تخلخل هاي ناشي از ميکروجرقه که منجر به کاهش مقاومت به خوردگي مي شوندرا تاييد کرد. همچنين، نتايج آزمون الکتروشيميايي بهبود رفتار خوردگي را در نمونه هاي داراي پوشش پليمري در مقايسه با نمونه هاي بدون پوشش پليمري تاييد کردن که مي تواند ناشي از بسته شدن منافذ و تخلخل ها با پوشش پليمري باشد. تحت شرايط پوشش دولايه حاصل از اکسيداسيون ميکرو جرقه و پوشش پليمري، چگالي جريان خوردگي 042/0 ميکروآمپر بر سانتي متر مربع به دست آمد که نشان دهنده کاهش حدود 9 برابري در مقايسه با نمونه بدون پوشش پليمري بود. نتايج حاصل از پراکندگي ديناميکي نور و طيف سنجي فروسرخ با تبديل فوريه تشکيل نانو ذرات کيتوسان:هپارين با اندازه ذرات 10?55 نانومتر را تاييد کرد. همچنين، تشکيل پوشش کاپاکاراگينان-کيتوسان:هپارين توسط آزمون طيف سنجي فروسرخ با تبديل فوريه تاييد شد. بر اساس تعداد لايه هاي پوشش (10، 20 و 30 لايه)، ضخامت پوشش پليمري در محدوده 2/0± 2 ميکرومتر دست آمد که سبب بهبود چشميگر مقاومت در برابر خوردگي شد. علاوه بر اين، نتايج خون سازگاري نشان دهنده بهبود قابل توجه خون سازگاري پوشش تهيه شده با افزايش تعداد لايه هاي حامل داروي هپارين، بود.با توجه به نتايج بدست آمده، پوشش لايه لايه تهيه شده مي تواند پتانسيل بالايي براي کاربرد در استنت هاي قلبي را داشته باشد. کليد واژه: منيزيم، کاپاکاراگينان، کيتوسان، هپارين، اکسيداسيون ميکروجرقه، پوشش لايه لايه خودآرا