ساخت و مشخصه‌یابی آلیاژ وایتالیوم متخلخل با پوشش زیست‌فعال هیدروکسی‌آپاتیت نانوساختار

STUDENT

DEGREE

YEAR

Bio-metals and especially Co-based alloys such as vitallium (CoCrMo) have attracted a lot of attentions among the typical biomaterials for bone and joint replacements. The reason of this attentions are their particular properties such as good biocompatibility and appropriate corrosion resistance, mechanical and surface characteristics. However, the main defects of vitallium alloys are their bio inactivity and higher mechanical properties compared with compact bone for under loading implants applications. In fact this defects leads to clinical failure because of non-fixing and loosening of implants induced stress shielding mechanism. The proper approaches for improving of this defects are fabrication of porous implants to decrease the mechanical properties and coating of implant by bioactive materials such as hydroxyapatite (HA)for better fixation. The aim of this research was to fabricate and characterize of porous vitallium alloy with nano hydroxyapatite coating. To preparation and characterization of samples, lathing of vitallium ingots was performed at first, and then to reduce the particles size the milling operation in a planetary ball mill was applied for 12 hours under argon atmosphere. Phase analysis of milled powders were investigated by X-ray diffraction (XRD) technique and also scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to analysis of morphology and particles size. For cold pressing process, the milled powders was mixed with wt%30 of ammonium hydrogen carbonate and wt%2 of polyvinyl alcohol (PVA) solution as space-holder and binder, respectively. The cold compacted samples were heated to removal of space-holders and then were heated to sinter under argon atmosphere. Sol-gel method was carried out in order to coating of samples by hydroxyapatite. nHa coating was observed and characterized by SEM, EDS and Monshi-Scherrer equation. Stress-strain curves were used to determining of mechanical properties including compressive strength and elastic modulus. Bioactivity behavior was evaluated in simulated body fluid (SBF). Apatite formation on the surface of coated samples was proved by pH, calcium and phosphorus ions variations analysis in SBF. Metal ions release from surface of the coated samples were calculated by ICP-OES method to evaluate of in vitro biocompatibility. The milled powders results showed that the HCP was the dominant phase and the laminar particles with average size of 3mm were observed. The sintered samples were FCC wich affected the final mechanical properties. So that, the compressive strength and elastic modulus of samples was similar to amounts of compact bone. The nHA coating was observed on the samples by EDS analysis and the crystallite size of 41 nm. Bioactivity tests revealed that the apatite crystals were formed on the samples after soaking in SBF. The porous coated samples displayed most bioactive behavior. Also the metal ions release from the samples was in the allowed ranges for humans body health. Keywords : porous vitallium, hydroxyapatite coating, bioactivity, compressive strength, elastic modulus.

از بین زیست مواد معمول در جایگزینی مفاصل و استخوان‌ها، فلزات زیستی و در راس آن‌ها آلیاژهای پایه کبالت نظیر وایتالیوم با ترکیب Co-Cr-Mo بیشترین توجهات را به خود جلب کرده‌اند. دلیل آن نیز زیست سازگاری خوب، مقاومت به خوردگی و همچنین خواص سطحی و مکانیکی مناسب( مقاومت سایشی بالا و اصطکاک کم) در این آلیاژها می‌باشد. البته نقص بزرگ آلیاژ وایتالیوم زیست خنثی بودن و خواص مکانیکی به‌مراتب بالاتر آن نسبت به استخوان متراکم در کاربردهای مربوط به کاشتنی‌های تحت بار بوده که منجر به بروز مشکلاتی نظیر لق شدگی و شل شدن کاشتنی در اثر پدیده سپر تنشی و لذا شکست کلینیکی می‌گردد. راهکار مناسب جهت بهبود این نواقص، ساخت کاشتنی‌های متخلخل جهت بهبود خواص مکانیکی در کاربردهای زیستی و نیز پوشش‌دهی آن‌ها توسط مواد زیست‌فعال نظیر هیدروکسی‌آپاتیت(HA) با زیست‌فعالی بالا جهت تثبیت بهتر می‌باشد. هدف از پژوهش حاضر، ساخت و مشخصه‌یابی آلیاژ وایتالیوم متخلخل با پوشش هیدروکسی‌آپاتیت نانوساختار بود. به‌منظور آماده‌سازی و مشخصه‌یابی نمونه‌ها، ابتدا از سطح شمش‌های وایتالیومی براده‌برداری شده و سپس جهت کاهش اندازه ذرات تا حد مناسب، عملیات آسیاکاری به‌مدت 12 ساعت تحت اتمسفر آرگون انجام گرفت. بررسی مشخصات فازی پودر آلیاژی حاصل از براده‌برداری توسط آزمون پراش پرتو ایکس(XRD) و همچنین مورفولوژی و اندازه و محدوده اندازه ذرات توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) صورت گرفت. سپس پودرهای آسیاکاری شده با %30 وزنی عامل تخلخل‌ساز آمونیوم‌هیدروژن‌کربنات(NH 4 HCO 3 ) و نیز 2% وزنی چسب آلی پلی‌وینیل‌الکل(PVA) مخلوط گشته و تحت عملیات پرس سرد در دمای محیط قرار گرفتند. نمونه‌های حاصل ابتدا به مدت 3 ساعت تحت دمای °C 175 جهت حدف مواد تخلخل‌ساز حرارت داده شده و سپس به مدت 5/1 ساعت در دمای °C1250 تحت عملیات تفجوشی در اتمسفر آرگون قرار گرفتند. به‌منظور پوشش دهی نمونه‌ها نیز از روش سل-ژل استفاده شد. در این روش پوشش نانوهیدروکسی‌آپاتیت زیست‌فعال با استفاده از پیش‌سازهای کلسیم نیترات تتراهیدرات(Ca(NO 3 ) 2 .4H 2 O) و نیز فسفر پنتااکسید(P 2 O 5 ) بر نمونه‌ها اعمال و سپس به مدت 5/1 ساعت در دمای °C600 تحت عملیات حرارتی قرار گرفت. به‌منظور اثبات و مشاهده پوشش نانوساختار HA اعمالی بر نمونه‌ها از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به تفکیک انرژی پرتو ایکس(EDS) و نیز روش شرر بر اساس الگوهای به‌دست آمده از پراش پرتو ایکس استفاده شد. میزان تخلخل حقیقی و ظاهری نمونه‌ها توسط روش ارشمیدس محاسبه گردید. جهت بررسی استحکام فشاری و ضریب کشسانی نمونه‌ها نیز از نمودارهای تنش-کرنش حاصل از آزمون استحکام فشاری استفاده شد. ضمن اینکه برای تعیین زیست‌فعالی نمونه‌ها آزمون غوطه‌وری در محلول شیبه‌سازی شده بدن(SBF) ساخته شده به روش بوهنر به مدت 28 روز انجام گرفته و برای مشاهده هیدروکسی‌کربنات آپاتیت(HCA) تشکیل شده بر سطح نمونه‌ها از تصاویر SEM در زمان‌های مختلف استفاده شد. همچنین برای اثبات تشکیل HCA به‌عنوان معیار زیست‌فعالی، تغییرات pH به‌کمک pHمترو نیز تغییرات غلظت یون‌های کلسیم و فسفر در زمان‌های مختلف به‌کمک آزمون یون‌سنجی با استفاده از روش طیف‌سنجی نشری نوری زوج پلاسمای القایی(ICP-OES) بر روی محلول SBF بررسی شد. زیست‌سازگاری نمونه‌های ساخته شده نیز با اندازه‌گیری میزان رهایش یون‌های فلزی کبالت، کروم و مولیبدن در محلول SBF پس از گذشت 28 روز برای نمونه‌های متخلخل با پوشش توسط آزمون (ICP-OES) انجام شد. بررسی‌های انجام شده برای پودرهای آسیاکاری شده نهایی نشان‌دهنده وجود ساختار منشور شش وجهی متراکم (HCP)، میانگین اندازه ذرات 3 میکرومتر و مورفولوژی ورقه‌ای بود. نمونه‌های تف‌جوشی شده نیز دارای ساختار مکعبی با وجوه مرکزدار(FCC) بودند. برسی تشکیل پوشش HA بر سطح نمونه‌ها نیز با نتایج EDS و نانوساختار بودن آن با تعیین اندازه دانه برابر با 37 نانومتر با استفاده از روش شرر انجام گرفت. نتایج آزمون استحکام فشاری حاکی از مقادیر ضریب کشسانی و استحکام فشاری بسیار شبیه به استخوان متراکم در تمامی نمونه‌های با و بدون ماکروتخلخل پوشش داده شده و نیز بدون پوشش بود. از این میان نمونه بدون تخلخل با پوشش دارای بالاترین مقادیر ضریب کشسانی و استحکام فشاری بود. نتایج حاصل از آزمون زیست‌فعالی نیز نشان‌دهنده تشکیل HCA بر سطح نمونه و نیز افزایش میزان آن‌ها با افزایش زمان بود. ضمن اینکه بالاترین میزان زیست‌فعالی مربوط به نمونه متخلخل با پوشش بود. مقادیر رهایش یونی فلزات کبالت، کروم و مولیبدن نیز پایین بوده و نمونه‌ها زیست‌سازگاری مناسبی از خود نشان دادند. کلمات کلیدی: آلیاژ وایتالیوم متخلخل، پوشش هیدروکسی آپاتیت، زیست‌فعالی، استحکام فشاری، ضریب کشسانی