Skip to main content
SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,Hamidreza Salimi jazi
مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما) حميدرضا سليمي جزي (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 الاستيک استخوان و ايمپلنت‌هاي فلزي،‌ در بسياري از موارد باعث ايجاد پديده حفاظت تنشي و به دنبال آن، شل شدن ايمپلنت در اثر جابه‌جايي‌هاي ميکروني در محل کاشت مي‌گردد. در اين راستا، معرفي روش‌هاي نوين ساخت افزايشي فلزات، امکان طراحي و توليد ساختارهاي فلزي متخلخل با مدول الاستيک نزديک به بافت استخوان را فراهم نموده است. با اين حال عملکرد مطلوب يک بيومتريال، به ويژه در کاربردهاي ارتوپدي، نيازمند اصلاح همزمان خواص فيزيکي و شيميايي سطح مي‌باشد. در تحقيق حاضر فرايند اکسيداسيون ميکروقوس به منظور اصلاح سطح آلياژ Ti6Al4V مورد استفاده قرار گرفت. بهينه‌سازي شرايط الکتروليت و پارامترهاي الکتريکي فرايند، به منظور دستيابي به لايه‌هاي اکسيدي با خواص فيزيکي و شيميايي مناسب، براي استفاده در کاربردهاي زيستي انجام شد. تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي از موفولوژي سطح و سطح مقطع لايه‌هاي اکسيدي، توزيع همگن ميکروحفرات با قطر کمتر از پنج ميکرومتر را در پوشش‌هاي نهايي نشان داد. همچنين آناليز عنصري از سطح پوشش‌ها، حضور عناصر کلسيم و فسفر را در ترکيب لايه اکسيدي تأييد کرد. با اين حال، بر اساس نتايج آزمون‌هاي پراش پرتوي ايکس و طيف‌سنجي تبديل فوريه مادون قرمز، اين حضور تنها به ترکيبات آمورف و يا يون‌هاي محلول در ساختار پوشش محدود بود. انجام فرايند ثانويه هيدروترمال بر روي لايه‌هاي اکسيداسيون ميکروقوس، باعث تبلور مجدد ترکيبات آمورف کلسيم- فسفات و يون‌هاي محلول در ساختار و در نتيجه، تشکيل نانوکريستال‌هاي هيدروکسي‌آپاتيت شد. مکانيزم تشکيل و رشد فازهاي کريستالي هيدروکسي‌آپاتيت به طور دقيق مورد ارزيابي قرار گرفت و نشان داد با آغاز فرايند هيدروترمال، عناصر محلول کلسيم و فسفر به سمت سطح نفوذ کرده‌ و با ايجاد ناحيه فوق اشباع غلظتي در سطح، باعث تشکيل يکنواخت نانوکريستال‌هاي دوکي‌شکل در سرتاسر لايه اکسيدي مي‌شوند. با ادامه فرايند هيدروترمال، نانوکريستال‌هاي سوزني‌شکل هيدروکسي‌آپاتيت در داخل حفرات شروع به رشد کرده و در زمان‌هاي طولاني‌تر فرايند، ساختار آن‌ها به صورت نانوميله‌هاي شش‌وجهي با درصد بلورينگي بيش از 80 درصد تکميل مي‌گردد. در ادامه، با توجه به پيشرفت‌هاي نوين صورت گرفته در حوزه پرينت‌ سه‌بعدي فلزات و خلأ‌هاي موجود در اصلاح سطح اين ساختارهاي پيچيده، ترکيب فرايندهاي اکسيداسيون ميکروقوس و هيدروترمال، براي نخستين بار، بر روي ايمپلنت‌هاي ماکرومتخلخل توليد شده به روش ساخت افزايشي فلزات- ذوب گزينشي به کمک ليزر اعمال شد. ساختارهاي هايبريدي به‌دست آمده، شامل ماکروتخلخل‌هاي 330 تا 430 ميکرومتري موجود در طراحي ايمپلنت، ميکروتخلخل‌هاي حاصل از فرايند اکسيداسيون ميکروقوس با اندازه کمتر از 5 ميکرومتر و نانوکريستال‌هاي هيدروکسي‌آپاتيت در بستر لايه اکسيد تيتانيوم بود. نتايج بررسي فعاليت متابوليکي و تمايز سلولي بر روي ايمپلنت‌هاي پوشش‌ داده شده، نشان داد حضور نانوکريستال‌هاي دوکي‌شکل با ابعاد کمتر از 100 نانومتر بر روي سطح، بيشترين تأثير را بر خواص زيستي و پاسخ سلولي به ايمپلنت‌هاي ماکرومتخلخل داشته است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی