SUPERVISOR
محمدحسين فتحي (استاد مشاور) علي دوست محمدي (استاد مشاور) رحمت اله عمادي (استاد راهنما) احمد منشي (استاد راهنما)
STUDENT
Sadat soheila Rahavi
سهيلاسادات راهوي
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.
چکيده در اين پژوهش پودر هيدروکسي آپاتيت نانوکريستالي به روشهاي مختلف طبيعي و مصنوعي تهيه شد. پودرهاي هيدروکسي آپاتيت نانوکريستالي به طور موفقيتآميزي توسط فرايند سينتر کردن استخوانهاي طبيعي ران انسان، گاو، شتر و اسب و همچنين با استفاده از مواد اوليه پنتا اکسيد فسفر (P 2 O 5 ) و نيترات کلسيم تترا هيدارت (Ca(NO 3 ) 2 .4H 2 O به روش سل- ژل ، تهيه گرديدند. تکنيک پراش پرتو ايکس (XRD) به منظور تأييد حضور فازهاي مطلوب در ترکيب و نيز تعيين اندازه دانه و ميزان بلورينگي پودرهاي نهايي مورد استفاده قرار گرفت. اندازهي دانهها با استفاده از روابط شرر و نيز يک روش جديد با نام شرر اصلاح شده محاسبه گرديد و نتايج حاصل با يکديگر مقايسه شد. به منظور بررسي شکل و اندازهي ذرات و دانههاي پودرهاي هيدروکسي آپاتيت نانومتري، از ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) بهره گرفته شد. آناليز بنيانهاي موجود در پودرهاي حاصل نيز توسط طيف سنجي مادون قرمز با تبديل فوريه (FTIR) صورت گرفت. ترکيب عنصري پودرهاي هيدروکسي آپاتيت توليد شده توسط آناليز طيفسنجي فلورسانس پرتو ايکس (XRF) و همچنين به روش توزيع انرژي پرتو ايکس (EDS) انجام شد. خواص زيستفعالي انواع پودرهاي هيدروکسي آپاتيت در محلول شبيه سازي شدهي بدن (SBF)، با مدت زمانهاي غوطهوري چهارده و نيز بيستوهشت روز ارزيابي گرديد. ميزان رهايش يون کلسيم از پودرهاي هيدروکسي آپاتيت و مقادير pH محلول در زمانهاي مختلف غوطهوري در محلول شبيهسازي شده بدن به ترتيب با استفاده از طيف سنجي پلاسماي جفت شده القايي (ICP) و pH متر تعيين گرديد. همچنين، مورفولوژي سطحي پودرهاي هيدروکسي آپاتيت تهيه شده پيش و پس از غوطهوري در محلول شبيهسازي شده بدن به کمک ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) بررسي شد. ارزيابيهاي سمَيت پودرهاي حاصل نيز با استفاده از آزمون MTT انجام گرفت. نتايج به دست آمده نشان داد که در دماي کلسينه کردن C? 700، فاز غالب در محصولات توليدي، هيدروکسي آپاتيت است و ميزان بلورينگي پودرهاي طبيعي بسيار بيشتر از نمونههاي مصنوعي ميباشد. تعيين اندازه دانهها با کمک روشهاي شرر، شرر اصلاح شده و همچنين تصاوير حاصل از ميکروسکوپ الکتروني عبوري، حصول پودرهاي با اندازهي دانههاي کمتر از nm 100 را تأييد کرد. طيفهاي حاصل از آناليز FTIR بيان کرد که مشخصترين گروههاي عاملي موجود در پودرهاي توليد شده گروههاي PO 4 3- ، OH - و CO 3 2- ميباشند. آناليز عنصري پودرها نشان داد که ميزان نسبت مولي Ca/P در نمونهي سل- ژل برابر 75 / 1 و براي نمونههاي طبيعي بسيار بالاتر از نسبت استوکيومتري است. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي پودرها قبل از غوطهوري در محلول شبيهسازي شده بدن نشاندهندهي ذرات هيدروکسي آپاتيت به صورت تودهاي، زبر، دانهاي و متراکم و بعد از آن حاکي از تشکيل آگلومرههاي آپاتيت روي سطوح بود. ارزيابيهاي زيستسازگاري توسط آزمون MTT نشان داد که نمونههاي انسان و اسب در تماس با سلولهاي مغز استخوان انسان داراي کمترين ميزان سمّيت بوده و رشد و تکثير سلولها را افزايش ميدهند. کلمات کليدي: هيدروکسي آپاتيت مصنوعي، هيدروکسي آپاتيت طبيعي، سل-ژل، سينتر کردن، اندازه دانه، مشخصهيابي فيزيکي-شيميايي، سمَيت.