ساخت و مشخصه‌يابي آلياژ وايتاليوم متخلخل با پوشش زيست‌فعال هيدروکسي‌آپاتيت نانوساختار

STUDENT

DEGREE

YEAR

Bio-metals and especially Co-based alloys such as vitallium (CoCrMo) have attracted a lot of attentions among the typical biomaterials for bone and joint replacements. The reason of this attentions are their particular properties such as good biocompatibility and appropriate corrosion resistance, mechanical and surface characteristics. However, the main defects of vitallium alloys are their bio inactivity and higher mechanical properties compared with compact bone for under loading implants applications. In fact this defects leads to clinical failure because of non-fixing and loosening of implants induced stress shielding mechanism. The proper approaches for improving of this defects are fabrication of porous implants to decrease the mechanical properties and coating of implant by bioactive materials such as hydroxyapatite (HA)for better fixation. The aim of this research was to fabricate and characterize of porous vitallium alloy with nano hydroxyapatite coating. To preparation and characterization of samples, lathing of vitallium ingots was performed at first, and then to reduce the particles size the milling operation in a planetary ball mill was applied for 12 hours under argon atmosphere. Phase analysis of milled powders were investigated by X-ray diffraction (XRD) technique and also scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to analysis of morphology and particles size. For cold pressing process, the milled powders was mixed with wt%30 of ammonium hydrogen carbonate and wt%2 of polyvinyl alcohol (PVA) solution as space-holder and binder, respectively. The cold compacted samples were heated to removal of space-holders and then were heated to sinter under argon atmosphere. Sol-gel method was carried out in order to coating of samples by hydroxyapatite. nHa coating was observed and characterized by SEM, EDS and Monshi-Scherrer equation. Stress-strain curves were used to determining of mechanical properties including compressive strength and elastic modulus. Bioactivity behavior was evaluated in simulated body fluid (SBF). Apatite formation on the surface of coated samples was proved by pH, calcium and phosphorus ions variations analysis in SBF. Metal ions release from surface of the coated samples were calculated by ICP-OES method to evaluate of in vitro biocompatibility. The milled powders results showed that the HCP was the dominant phase and the laminar particles with average size of 3mm were observed. The sintered samples were FCC wich affected the final mechanical properties. So that, the compressive strength and elastic modulus of samples was similar to amounts of compact bone. The nHA coating was observed on the samples by EDS analysis and the crystallite size of 41 nm. Bioactivity tests revealed that the apatite crystals were formed on the samples after soaking in SBF. The porous coated samples displayed most bioactive behavior. Also the metal ions release from the samples was in the allowed ranges for humans body health. Keywords : porous vitallium, hydroxyapatite coating, bioactivity, compressive strength, elastic modulus.

چکيده از بين زيست مواد معمول در جايگزيني مفاصل و استخوان‌ها، فلزات زيستي و در راس آن‌ها آلياژهاي پايه کبالت نظير وايتاليوم با ترکيب Co-Cr-Mo بيشترين توجهات را به خود جلب کرده‌اند. دليل آن نيز زيست سازگاري خوب، مقاومت به خوردگي و همچنين خواص سطحي و مکانيکي مناسب( مقاومت سايشي بالا و اصطکاک کم) در اين آلياژها مي‌باشد. البته نقص بزرگ آلياژ وايتاليوم زيست خنثي بودن و خواص مکانيکي به‌مراتب بالاتر آن نسبت به استخوان متراکم در کاربردهاي مربوط به کاشتني‌هاي تحت بار بوده که منجر به بروز مشکلاتي نظير لق شدگي و شل شدن کاشتني در اثر پديده سپر تنشي و لذا شکست کلينيکي مي‌گردد. راهکار مناسب جهت بهبود اين نواقص، ساخت کاشتني‌هاي متخلخل جهت بهبود خواص مکانيکي در کاربردهاي زيستي و نيز پوشش‌دهي آن‌ها توسط مواد زيست‌فعال نظير هيدروکسي‌آپاتيت(HA) با زيست‌فعالي بالا جهت تثبيت بهتر مي‌باشد. هدف از پژوهش حاضر، ساخت و مشخصه‌يابي آلياژ وايتاليوم متخلخل با پوشش هيدروکسي‌آپاتيت نانوساختار بود. به‌منظور آماده‌سازي و مشخصه‌يابي نمونه‌ها، ابتدا از سطح شمش‌هاي وايتاليومي براده‌برداري شده و سپس جهت کاهش اندازه ذرات تا حد مناسب، عمليات آسياکاري به‌مدت 12 ساعت تحت اتمسفر آرگون انجام گرفت. بررسي مشخصات فازي پودر آلياژي حاصل از براده‌برداري توسط آزمون پراش پرتو ايکس(XRD) و همچنين مورفولوژي و اندازه و محدوده اندازه ذرات توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي(SEM) صورت گرفت. سپس پودرهاي آسياکاري شده با %30 وزني عامل تخلخل‌ساز آمونيوم‌هيدروژن‌کربنات(NH 4 HCO 3 ) و نيز 2% وزني چسب آلي پلي‌وينيل‌الکل(PVA) مخلوط گشته و تحت عمليات پرس سرد در دماي محيط قرار گرفتند. نمونه‌هاي حاصل ابتدا به مدت 3 ساعت تحت دماي °C 175 جهت حدف مواد تخلخل‌ساز حرارت داده شده و سپس به مدت 5/1 ساعت در دماي °C1250 تحت عمليات تفجوشي در اتمسفر آرگون قرار گرفتند. به‌منظور پوشش دهي نمونه‌ها نيز از روش سل-ژل استفاده شد. در اين روش پوشش نانوهيدروکسي‌آپاتيت زيست‌فعال با استفاده از پيش‌سازهاي کلسيم نيترات تتراهيدرات(Ca(NO 3 ) 2 .4H 2 O) و نيز فسفر پنتااکسيد(P 2 O 5 ) بر نمونه‌ها اعمال و سپس به مدت 5/1 ساعت در دماي °C600 تحت عمليات حرارتي قرار گرفت. به‌منظور اثبات و مشاهده پوشش نانوساختار HA اعمالي بر نمونه‌ها از تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي مجهز به تفکيک انرژي پرتو ايکس(EDS) و نيز روش شرر بر اساس الگوهاي به‌دست آمده از پراش پرتو ايکس استفاده شد. ميزان تخلخل حقيقي و ظاهري نمونه‌ها توسط روش ارشميدس محاسبه گرديد. جهت بررسي استحکام فشاري و ضريب کشساني نمونه‌ها نيز از نمودارهاي تنش-کرنش حاصل از آزمون استحکام فشاري استفاده شد. ضمن اينکه براي تعيين زيست‌فعالي نمونه‌ها آزمون غوطه‌وري در محلول شيبه‌سازي شده بدن(SBF) ساخته شده به روش بوهنر به مدت 28 روز انجام گرفته و براي مشاهده هيدروکسي‌کربنات آپاتيت(HCA) تشکيل شده بر سطح نمونه‌ها از تصاوير SEM در زمان‌هاي مختلف استفاده شد. همچنين براي اثبات تشکيل HCA به‌عنوان معيار زيست‌فعالي، تغييرات pH به‌کمک pHمترو نيز تغييرات غلظت يون‌هاي کلسيم و فسفر در زمان‌هاي مختلف به‌کمک آزمون يون‌سنجي با استفاده از روش طيف‌سنجي نشري نوري زوج پلاسماي القايي(ICP-OES) بر روي محلول SBF بررسي شد. زيست‌سازگاري نمونه‌هاي ساخته شده نيز با اندازه‌گيري ميزان رهايش يون‌هاي فلزي کبالت، کروم و موليبدن در محلول SBF پس از گذشت 28 روز براي نمونه‌هاي متخلخل با پوشش توسط آزمون (ICP-OES) انجام شد. بررسي‌هاي انجام شده براي پودرهاي آسياکاري شده نهايي نشان‌دهنده وجود ساختار منشور شش وجهي متراکم (HCP)، ميانگين اندازه ذرات 3 ميکرومتر و مورفولوژي ورقه‌اي بود. نمونه‌هاي تف‌جوشي شده نيز داراي ساختار مکعبي با وجوه مرکزدار(FCC) بودند. برسي تشکيل پوشش HA بر سطح نمونه‌ها نيز با نتايج EDS و نانوساختار بودن آن با تعيين اندازه دانه برابر با 37 نانومتر با استفاده از روش شرر انجام گرفت. نتايج آزمون استحکام فشاري حاکي از مقادير ضريب کشساني و استحکام فشاري بسيار شبيه به استخوان متراکم در تمامي نمونه‌هاي با و بدون ماکروتخلخل پوشش داده شده و نيز بدون پوشش بود. از اين ميان نمونه بدون تخلخل با پوشش داراي بالاترين مقادير ضريب کشساني و استحکام فشاري بود. نتايج حاصل از آزمون زيست‌فعالي نيز نشان‌دهنده تشکيل HCA بر سطح نمونه و نيز افزايش ميزان آن‌ها با افزايش زمان بود. ضمن اينکه بالاترين ميزان زيست‌فعالي مربوط به نمونه متخلخل با پوشش بود. مقادير رهايش يوني فلزات کبالت، کروم و موليبدن نيز پايين بوده و نمونه‌ها زيست‌سازگاري مناسبي از خود نشان دادند. کلمات کليدي: آلياژ وايتاليوم متخلخل، پوشش هيدروکسي آپاتيت، زيست‌فعالي، استحکام فشاري، ضريب کشساني