Skip to main content
SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,Hamidreza Salimi jazi
مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد راهنما) حمیدرضا سلیمی جزی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Fazel
محمد فاضل

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
Aseptic loosening and bacterial infection are the two leading causes of implants’ failure. The recently developed additively manufacturing techniques have enabled fabrication of porous biomaterials to mimic native bone characteristics. In this research, we aimed to biofunctionalize the surface of additively manufactured Ti6Al4V implants using plasma electrolytic oxidation (PEO), which is capable of embedding bioactive elements in the oxide matrix. We also applied a subsequent hydrothermal treatment to synthesize hydroxyapatite nanocrystals throughout the oxide layer. The formation of HA nanocrystals was found to be interpreted according to the supersaturation of Ca 2+ and PO 4 3- during the hydrothermal process. At the beginning, the high local supersaturation resulted in a homogenous nucleation of spindle-like nanocrystals all over the surface. By continuing the process, depletion of reactant ions in the outermost surface layer lead to a remarkable decrease in supersaturation values and therefore, high aspect-ratio nanorods and hexagonal nanopillars were generated. Owing to the not ideal structure and dimensions, however, the implants’ surfaces coated with HA nanopillars had a negative impact on proliferation and osteogenic differentiation of pre-osteoblastic MC3T3-E1 cells. By contrast, the unique hierarchical structure of micro-porous PEO layer ( 3 µm) and spindle-like nanocrystals ( 150 nm) on the surface of macro-porous additively manufactured implants provided a favorable anchorage substrate for cytoplasmic extensions to easily attach and move on the surface.
اختلاف مدول الاستیک استخوان و ایمپلنت‌های فلزی،‌ در بسیاری از موارد باعث ایجاد پدیده حفاظت تنشی و به دنبال آن، شل شدن ایمپلنت در اثر جابه‌جایی‌های میکرونی در محل کاشت می‌گردد. در این راستا، معرفی روش‌های نوین ساخت افزایشی فلزات، امکان طراحی و تولید ساختارهای فلزی متخلخل با مدول الاستیک نزدیک به بافت استخوان را فراهم نموده است. با این حال عملکرد مطلوب یک بیومتریال، به ویژه در کاربردهای ارتوپدی، نیازمند اصلاح همزمان خواص فیزیکی و شیمیایی سطح می‌باشد. در تحقیق حاضر فرایند اکسیداسیون میکروقوس به منظور اصلاح سطح آلیاژ Ti6Al4V مورد استفاده قرار گرفت. بهینه‌سازی شرایط الکترولیت و پارامترهای الکتریکی فرایند، به منظور دستیابی به لایه‌های اکسیدی با خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب، برای استفاده در کاربردهای زیستی انجام شد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از موفولوژی سطح و سطح مقطع لایه‌های اکسیدی، توزیع همگن میکروحفرات با قطر کمتر از پنج میکرومتر را در پوشش‌های نهایی نشان داد. همچنین آنالیز عنصری از سطح پوشش‌ها، حضور عناصر کلسیم و فسفر را در ترکیب لایه اکسیدی تأیید کرد. با این حال، بر اساس نتایج آزمون‌های پراش پرتوی ایکس و طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز، این حضور تنها به ترکیبات آمورف و یا یون‌های محلول در ساختار پوشش محدود بود. انجام فرایند ثانویه هیدروترمال بر روی لایه‌های اکسیداسیون میکروقوس، باعث تبلور مجدد ترکیبات آمورف کلسیم- فسفات و یون‌های محلول در ساختار و در نتیجه، تشکیل نانوکریستال‌های هیدروکسی‌آپاتیت شد. مکانیزم تشکیل و رشد فازهای کریستالی هیدروکسی‌آپاتیت به طور دقیق مورد ارزیابی قرار گرفت و نشان داد با آغاز فرایند هیدروترمال، عناصر محلول کلسیم و فسفر به سمت سطح نفوذ کرده‌ و با ایجاد ناحیه فوق اشباع غلظتی در سطح، باعث تشکیل یکنواخت نانوکریستال‌های دوکی‌شکل در سرتاسر لایه اکسیدی می‌شوند. با ادامه فرایند هیدروترمال، نانوکریستال‌های سوزنی‌شکل هیدروکسی‌آپاتیت در داخل حفرات شروع به رشد کرده و در زمان‌های طولانی‌تر فرایند، ساختار آن‌ها به صورت نانومیله‌های شش‌وجهی با درصد بلورینگی بیش از 80 درصد تکمیل می‌گردد. در ادامه، با توجه به پیشرفت‌های نوین صورت گرفته در حوزه پرینت‌ سه‌بعدی فلزات و خلأ‌های موجود در اصلاح سطح این ساختارهای پیچیده، ترکیب فرایندهای اکسیداسیون میکروقوس و هیدروترمال، برای نخستین بار، بر روی ایمپلنت‌های ماکرومتخلخل تولید شده به روش ساخت افزایشی فلزات- ذوب گزینشی به کمک لیزر اعمال شد. ساختارهای هایبریدی به‌دست آمده، شامل ماکروتخلخل‌های 330 تا 430 میکرومتری موجود در طراحی ایمپلنت، میکروتخلخل‌های حاصل از فرایند اکسیداسیون میکروقوس با اندازه کمتر از 5 میکرومتر و نانوکریستال‌های هیدروکسی‌آپاتیت در بستر لایه اکسید تیتانیوم بود. نتایج بررسی فعالیت متابولیکی و تمایز سلولی بر روی ایمپلنت‌های پوشش‌ داده شده، نشان داد حضور نانوکریستال‌های دوکی‌شکل با ابعاد کمتر از 100 نانومتر بر روی سطح، بیشترین تأثیر را بر خواص زیستی و پاسخ سلولی به ایمپلنت‌های ماکرومتخلخل داشته است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی