SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Mahshid Kharaziha-esfahani,Kaivan Raissi
رحمت اله عمادي (استاد راهنما) مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد مشاور) کيوان رئيسي (استاد راهنما)
STUDENT
Marjane Eilbeigi
مرجانه ايل بگي بهرام آبادي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Synthesis, characterization and evaluation of mechanical and biological properties of hydroxyapatite –bredigite nanocomposite scaffold
In recent years a major challenge in biomaterials is to produce porous materials with similar composition to bone tissue. Hydroxyapatite (HA) is characterized by its high biocompatibility and close chemical similarity to biological apatite and has been used as an artificial bone graft material in many clinical trials. Porous HA is more degradable and osteoconductive than bulk Hydroxyapatite. However, the mechanical properties of porous HA are too weak for load bearing applications. Results confirmed that the mechanical, Physical and biological properties of HA porous scaffolds could be modified using the addition of suitable secondary components. CaO-SiO 2- MgO bioceramics demonstrated high bioactivity and good mechanical properties. Bredigite is a Ca, Si and Mg-containing bioceramic. Results showed that Ca-Si-Mg containing bioceramics not only possessed an improved mechanical strength when compared with hydroxyapatite and ceramics, but also were degradable. The aim of this study is to develop three-dimensional HA-bredigite porous scaffolds using space holder technique. HA and bredigite nanopowders were synthesized via sol-gel and combustion sol-gel respectively, and then various ratios of HA and bredigite nanoparticles (5, 10 and 15 wt. % bredigite) were mechanically combined. Then, after addition of poly vinyl alcohol (PVA) and sodium chloride as space holder, they compacted using compression. In order to sinter the compacted powders, remove sodium chloride and PVA powders and develop porous structure, samples were heat treated at 1350 ?cfor 2h. 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 scaffolds. The crystallite sizes were calculated by Scherrer and modified Scherrer equation and the results were compared. To evaluate the shape and size of the particles and crystallites, A transmission electron microscopy (TEM) was applied and the size of HA nanopowder particles was calculated around 30 nm. Scanning electron microscopy (SEM) was applied in order to study morphology and surface of nanopowders and scaffolds before and after soaking in simulated body fluid (SBF). Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was utilized to evaluate the chemical composition and distribution of elements in scaffolds. Furthermore, axial compression test was applied to study the mechanical properties of scaffolds. Bioactivity of different scaffolds was investigated by soaking them in SBF for various periods. The concentration of calcium and phosphorus ions in SBF and the content of pH of SBF were determined for various periods by ICP-OES method and pH meter, respectively. In order to verify the biocompatibility of scaffolds, MTT assay was applied. Results showed that composite scaffolds with pore sizes in the range of 220-310 ?m , appearance porosity of 63-75 (%) and compressive strength of 1-1.7 (MPa) were developed. SEM images of scaffolds after soaking in SBF depicted the tiny agglomerated bone-like apatite particles. Also, biocompatibility evaluations by MTT method showed that scaffolds could stimulate cell proliferation of Osteoblast-like cells and they did not have any cytotoxicity, as compared to control sample. Considering the results obtained, it seems that, manufactured scaffolds could be a good candidate for bone tissue engineering. Keywords : Porous materials, Hydroxyapatite, Bredigite, Mechanical properties, Biocompatibility.
چکيده در سال هاي اخير چالشي اساسي براي ساخت مواد متخلخل، با ترکيب مشابه بافت استخواني به وجود آمده است. هيدروکسي آپاتيت به دليل نزديک بودن ترکيب شيميايي به بخش معدني استخوان و در نتيجه زيست سازگاري عالي، براي سال هاي زيادي براي کاربردهاي کلينيکي و جايگزين استخوان مورد استفاده قرار گرفته است. هيدروکسي آپاتيت متخلخل نسبت به هيدروکسي آپاتيت چگال، زيست تخريب پذيرتر بوده و ويژگي هدايت استخواني بهتري نشان مي دهد. با وجود آن، خواص مکانيکي هيدروکسي آپاتيت متخلخل ضعيف است. نتايج نشان مي دهد که با افزودن مواد مناسب به هيدروکسي آپاتيت مي توان خواص مکانيکي، فيزيکي و زيستي آن را کنترل کرد.سراميک هاي حاويCaO-SiO 2 -MgO قابليت زيست فعالي بالايي دارند و خواص مکانيکي آن ها متوسط است. برديجيت يکي از بيو سراميک هاي حاوي کلسيم، سيليسيم و منيزيم است. يکي از ويژگي هاي منحصر بفرد بيو سراميک هاي کلسيم- منيزيم- سيليکاتي زيست تخريبپ پذيري بسيار خوب آن هاست. تحقيقات نشان مي دهد که اين دسته از بيوسراميک ها نه تنها نسبت به هيدروکسي آپاتيت خواص مکانيکي بهتري دارند، بلکه زيست تخريب پذير بوده و توانايي تشکيل آپاتيت روي سطح خود را دارند. هدف از پژوهش حاضر، ساخت داربست سه بعدي هيدروکسي آپاتيت-برديجيت با استفاده از روش نگهدارنده براي پر کردن عيوب استخواني است. به اين منظور، نانوذرات هيدورکسي آپاتيت و برديجيت با روش سل-ژل و سل-ژل احتراقي ساخته شده و با نسبت هاي مختلف (5، 10 و 15 درصد وزني برديجيت) با هم مخلوط شدند. بعد از اضافه کردن پلي وينيل الکل و کلريد سديم (عامل نگه دارنده) با نسبت وزني مشخص، مخلوط وزني تحت فشار تک محوره پرس شد. به منظور تف جوشي پودرها، خروج نمک و ايجاد تخلخل مورد نظر، نمونه هاي بدست آمده تحت عمليات تف جوشي در دماي 1350 درجه سانتي گراد به مدت 2 ساعت قرار گرفتند. تکنيک پراش پرتو ايکس (XRD) به منظور تأييد حضور فازهاي مطلوب در ترکيب و نيز تعيين اندازه کريستال و ميزان بلورينگي داربست هاي نهايي مورد استفاده قرار گرفت. اندازه کريستال ها با استفاده از روابط شرر و شرر اصلاح شده محاسبه گرديد و نتايج حاصل با يکديگر مقايسه شد. به منظور بررسي شکل و اندازه ذرات و دانههاي پودرهاي هيدروکسي آپاتيت نانومتري، از ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) بهره گرفته شد واندازه ذرات کمتر از 30 نانومتر محاسبه شد. ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) به منظور مطالعه مورفولوژي و سطح نمونه ها قبل بعد از قرارگيري در محلول شبيه سازي شده بدن مورد استفاده قرار گرفت. آناليز عنصري با تفکيک انرژي پرتو ايکس(EDX) براي مشخص کردن ترکيب شيميايي و بررسي يکنواختي توزيع دو پودر در ساختار استفاده شد. علاوه بر اين، خواص مکانيکي داربست هاي سه بعدي ساخته شده با استفاده از آزمون فشار تک محوره ارزيابي شد. آزمون غوطه وري در محلول شبيه سازي شده بدن(SBF) به منظور زيست فعالي نمونه ها انجام گرفت و سپس از تکنيک طيف سنجي نشري نوري زوج پلاسماي القايي(ICP-OES) و دستگاه pH متر به منظور بررسي ميزان رهايش يون کلسيم و فسفر از نمونه ها و تغييرات pH استفاده شد. ارزيابيهاي سمَيت داربست هاي حاصل نيز با استفاده از آزمون MTT انجام گرفت. نتايج نشان داد که داربست متخلخل سه بعدي با قطر متوسط حفرات310-250 ميکرومتر، درصد تخلخل ظاهري 75-63 درصد و استحکام فشاري 7/1-1 مگاپاسکال بدست آمد. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي داربست ها بعد از قرارگيري در محلول شبيه سازي شده بدن حاکي از تشکيل لايه آپاتيت شبه استخواني روي سطوح بود. ارزيابيهاي زيستسازگاري توسط آزمون MTT نشان داد که داربست هاي کامپوزيتي در تماس با سلولهاي شبه استخواني هيچ گونه سميتي از خود نشان نداده و رشد و تکثير سلولها را افزايش ميدهند. براساس اين نتايج، به نظر مي رسد داربست هاي توليدي مي توانند گزينه مناسبي براي کاربردهاي مهندسي بافت استخوان باشند کلمات کليدي : مواد متخلخل، هيدروکسي آپاتيت، برديجيت، خواص مکانيکي، زيست سازگاري.