SUPERVISOR
محمدحسین فتحی (استاد مشاور) علی دوست محمدی (استاد مشاور) رحمت اله عمادی (استاد راهنما) احمد منشی (استاد راهنما)
STUDENT
Sadat soheila Rahavi
سهیلاسادات راهوی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Preparation of "Nanocrystalline Hydroxyapatite" by Different Natural and Synthetic Sources and Studying and Comparison of their Physico- Chemical, Bioactivity and Biocompatibility Properties
In this study, nanocrystalline hydroxyapatite (HA) powders were prepared using different natural and synthetic sources. Nanocrystalline HA powders were synthesized successfully via sol- gel method using phosphoric pentoxide (P 2 O 5 ) and calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO 3 ) 2 .4H 2 O) raw materils and also, by sintering of some natural sources including human, bovine, horse and camel bones. X-ray diffraction (XRD) technique was utilized to confirm presence of the desired phases in the structure and also, to determine the crystallite size and crystallinity of the prepared HA powders. The crystallite sizes were calculated by scherrer equation and a new method called modified scherrer and the results were compared. To evaluate the shape and size of the particles and crystallites, a transmission electron microscopy (TEM) was applied. The functional groups of the prepared HA powders were analyzed by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Chemical and elemental analysis of the prepared HA powders were also carried out by X-ray fluorescence (XRF) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Bioactivity of different HA powders was investigated by soaking them in simulated body fluid (SBF) for various periods (14 and 28 days). The concentration of calcium ions in SBF and the content of pH of SBF were determined for various periods by ICP method and pH meter, respectively. Also, surface morphologies of prepared HA samples before and after soaking in SBF were studied using scanning electron microscopy (SEM). In order to verify the biocompatibility of these HA powders, MTT assay was applied. Obtained results showed that in the sintering temperature of 700 ?C, dominant phase in the prepared products is hydroxyapatie and the crystallinity degrees of powders prepared from natural sources were much more than synthetic powder. Determination of crystallite size of powders by scherre, modified scherrer and TEM methods confirmed that powders have the crystallite size of less than 100 µm. Moreover, spectra of FTIR analysis revealed that the most characterized functional groups in prepared HA powders were PO 4 3- , OH - and CO 3 2- , showing all characteristic absorption peaks of pure or stoichiometric HA. Elemental analysis showed that the major element components were phosphorus (P) and calcium (Ca), which in natural samples were with some other trace elements. Also, based on this study the Ca/P molar ratio of sol- gel sample was calculated to be about 1.75, while the Ca/P molar ratios of natural HA samples were considerably higher than 1.67. The SEM images of samples before soaking in SBF exhibited the formation of HA powders containing aggregates rough and granular to dense surfaces, whereas the SEM studies of HA samples after soaking in SBF depicted the tiny agglomerated bone-like apatite particles. Also, Biocompatibility evaluations by MTT method showd that HA particles derived from human and horse bones could stimulate cell proliferation at all concentration ranges and they did not have any cytotoxicity, as compared to other samples. Keywords : synthetic hydroxyapatite, natural hydroxyapatite, sol- gel, sintering, crystallite size, Physico- Chemical characterization, biocompatibility.
در این پژوهش پودر هیدروکسی آپاتیت نانوکریستالی به روشهای مختلف طبیعی و مصنوعی تهیه شد. پودرهای هیدروکسی آپاتیت نانوکریستالی به طور موفقیتآمیزی توسط فرایند سینتر کردن استخوانهای طبیعی ران انسان، گاو، شتر و اسب و همچنین با استفاده از مواد اولیه پنتا اکسید فسفر (P 2 O 5 ) و نیترات کلسیم تترا هیدارت (Ca(NO 3 ) 2 .4H 2 O به روش سل- ژل ، تهیه گردیدند. تکنیک پراش پرتو ایکس (XRD) به منظور تأیید حضور فازهای مطلوب در ترکیب و نیز تعیین اندازه دانه و میزان بلورینگی پودرهای نهایی مورد استفاده قرار گرفت. اندازهی دانهها با استفاده از روابط شرر و نیز یک روش جدید با نام شرر اصلاح شده محاسبه گردید و نتایج حاصل با یکدیگر مقایسه شد. به منظور بررسی شکل و اندازهی ذرات و دانههای پودرهای هیدروکسی آپاتیت نانومتری، از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بهره گرفته شد. آنالیز بنیانهای موجود در پودرهای حاصل نیز توسط طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه (FTIR) صورت گرفت. ترکیب عنصری پودرهای هیدروکسی آپاتیت تولید شده توسط آنالیز طیفسنجی فلورسانس پرتو ایکس (XRF) و همچنین به روش توزیع انرژی پرتو ایکس (EDS) انجام شد. خواص زیستفعالی انواع پودرهای هیدروکسی آپاتیت در محلول شبیه سازی شدهی بدن (SBF)، با مدت زمانهای غوطهوری چهارده و نیز بیستوهشت روز ارزیابی گردید. میزان رهایش یون کلسیم از پودرهای هیدروکسی آپاتیت و مقادیر pH محلول در زمانهای مختلف غوطهوری در محلول شبیهسازی شده بدن به ترتیب با استفاده از طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی (ICP) و pH متر تعیین گردید. همچنین، مورفولوژی سطحی پودرهای هیدروکسی آپاتیت تهیه شده پیش و پس از غوطهوری در محلول شبیهسازی شده بدن به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد. ارزیابیهای سمَیت پودرهای حاصل نیز با استفاده از آزمون MTT انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان داد که در دمای کلسینه کردن C? 700، فاز غالب در محصولات تولیدی، هیدروکسی آپاتیت است و میزان بلورینگی پودرهای طبیعی بسیار بیشتر از نمونههای مصنوعی میباشد. تعیین اندازه دانهها با کمک روشهای شرر، شرر اصلاح شده و همچنین تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی عبوری، حصول پودرهای با اندازهی دانههای کمتر از nm 100 را تأیید کرد. طیفهای حاصل از آنالیز FTIR بیان کرد که مشخصترین گروههای عاملی موجود در پودرهای تولید شده گروههای PO 4 3- ، OH - و CO 3 2- میباشند. آنالیز عنصری پودرها نشان داد که میزان نسبت مولی Ca/P در نمونهی سل- ژل برابر 75 / 1 و برای نمونههای طبیعی بسیار بالاتر از نسبت استوکیومتری است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی پودرها قبل از غوطهوری در محلول شبیهسازی شده بدن نشاندهندهی ذرات هیدروکسی آپاتیت به صورت تودهای، زبر، دانهای و متراکم و بعد از آن حاکی از تشکیل آگلومرههای آپاتیت روی سطوح بود. ارزیابیهای زیستسازگاری توسط آزمون MTT نشان داد که نمونههای انسان و اسب در تماس با سلولهای مغز استخوان انسان دارای کمترین میزان سمّیت بوده و رشد و تکثیر سلولها را افزایش میدهند. کلمات کلیدی: هیدروکسی آپاتیت مصنوعی، هیدروکسی آپاتیت طبیعی، سل-ژل، سینتر کردن، اندازه دانه، مشخصهیابی فیزیکی-شیمیایی، سمَیت.