SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Sheyda Labbaf
فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) شیدا لباف (استاد راهنما)
STUDENT
Zahra Bonakdar afarani
زهرا بنک دارآفارانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Development of Kappa-Carrageenan / Mesoporous bioactive glass composite coating on Ti6Al4V alloy in the presence of titanium nanotube middle layer and evaluation of its biological properties
Replacing damaged bone tissue is one of the biggest challenges in the world today. Among the options available as implants, Ti6Al4V titanium alloy seems to be a good choice due to its properties such as excellent biocompatibility, high corrosion resistance and strength, relatively low Young modulus and high fracture toughness. But in addition to these advantages, Ti6Al4V alloy has disadvantages such as the release of vanadium ions in the body's biological space and low wear resistance. In recent years, to improve the properties of these implants, remove the limitations and accelerate the process of tissue stabilization to implants, the use of polymer, ceramic and composite coatings in various ways has been studied. Meanwhile, ceramic coatings, such as bioactive glass, are more widely used due to their ability to bond with bone tissue. For this purpose, in this study, mesoporous (MBG) bioactive glass nanoparticles with spherical structure and average particle size of 225. 25 nm were made by solgel method. The porosity size and specific surface area of ??these nanoparticles were reported to be 0.05 6 58.6 and 01.10 26 264.227 nm, respectively. Due to the mesoporousity of these particles, loading and release of the antibacterial drug gentamicin was performed successfully. In order to increase the antibacterial drug loading and apply a better coating, the nanoparticles were modified with amine functional groups and their surface charge was changed from negative to positive. After that, mesoporous bioactive glass nanoparticles with concentrations of 5, 15, 25 and 50% (w / w) were composite with capacaragnan polymer (KAC). In order to increase the adhesion of the coating to the implantable substrate, a middle layer was created. The resulting interlayer was titanium nanotubes obtained by anodic oxidation on the surface of Ti6Al4V substrate. The thickness of titanium nanotubes is 1.1 microns and the average diameter of these nanotubes is 121 nm. Then, the composite coating was applied on the Ti6Al4V substrate by immersion method in two ways with the presence of the middle layer and without the presence of the middle layer. The minimum applied coating thickness was reported to be 3.867 microns. The results of adhesive strength test showed that with the presence of the middle layer, the adhesion strength of the coating to the substrate increases up to twice. The highest amount of adhesive strength was observed in KAC-25MBG and KAC-50MBG composites. Then, by examining the hydrophilicity of the coatings, the increase in the hydrophilicity was increased by increasing the amount of MBG in the applied composite coating. In addition, the bioactivity of the coatings was examined in two periods of 14 and 21 days. Scanning electron microscopy and EDS examination of this test showed that in both time periods hydroxyapatite was formed on the coating surface and apatite formation increased with increasing the concentration of mesoporous biopactive glass nanoparticles in the coating. Therefore, it seems that a combination of capacaragnan composite coating-bioactive glass nanoparticles in the presence of an intermediate layer obtained through anodic oxidation could be a more suitable option for orthopedic applications. key words: Bioactive glass nanoparticles, titanium alloy, antibacterial coating, adhesion.
امروزه در دنیا جایگزینی بافتهای آسیب دیده استخوان یکی از چالشهای بزرگ محسوب میشود. درمیان گزینههای موجود به عنوان کاشتنی، آلیاژ تیتانیوم Ti6Al4V به دلیل خواصی نظیر زیست سازگاری عالی، مقاومت به خوردگی و استحکام بالا، مدول یانگ نسبتا کم و تافنس شکست بالا، انتخاب مناسبی به نظر میرسد. اما در کنار این مزیتها آلیاژ Ti6Al4V دارای نواقصی از جمله رهایش یون وانادیوم درفضای بیولوژیکی بدن و مقاومت به سایش پایین میباشد. در چند سال اخیر برای بهبود خواص این کاشتنیها، برطرف کردن محدودیتها و تسریع فرایند تثبیت بافت به کاشتنی، استفاده از انواع پوششهای پلیمری، سرامیکی و کامپوزیتی به روشهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. در این بین پوششهای سرامیکی مانند انواع شیشههای زیستفعال به دلیل توانایی همبندی با بافت استخوان کاربرد گستردهتری دارند. به این منظور در این تحقیق نانوذرات شیشه زیستفعال مزومتخلخل (MBG) با ساختار کروی شکل و میانگین اندازه ذرات 225±25 نانومتر، به روش سلژل ساخته شد. اندازه تخلخل و سطح ویژه این نانوذرات به ترتیب 6/58 ± 0/05 و 274/26 ± 10/01نانومتر گزارش شد. با توجه به مزومتخلخل بودن این ذرات بارگذاری و رهایش داروی آنتیباکتریال جنتامایسین با موفقیت انجام شد. به منظور افزایش بارگذاری داروی آنتیباکتریال و اعمال پوشش بهتر، نانوذرات با گروههای عاملی آمین اصلاح سطح شد و بار سطحی آن از منفی به مثبت تغییر کرد.پس از آن نانوذرات شیشه زیستفعال مزومتخلخل با غلظتهای 5، 15، 25 و 50 درصد(w/w) با پلیمر کاپاکاراگنان (KAC) کامپوزیت شد. جهت افزایش استحکام چسبان پوشش به زیرلایه کاشتنی، لایه میانی ایجاد شد. لایه میانی به دست آمده نانولولههای تیتانیومی بودند که به روش اکسیداسیون آندی روی سطح زیرلایه Ti6Al4V به دستآمد. ضخامت نانولولههای تیتانیومی 1/1میکرون و اندازه قطر میانگین این نانولولههای121 نانومتر میباشد. پس از آن پوشش کامپوزیتی با روش غوطهوری به دو صورت با حضور لایه میانی و بدون حضور لایه میانی روی زیرلایه Ti6Al4V اعمال شد. حداقل ضخامت پوشش اعمالی 867/3 میکرون گزارش شد. نتایج آزمون استحکام چسبان نشان داد با حضور لایه میانی استحکام چسبندگی پوشش به زیرلایه تا دوبرابر افزایش پیدا میکند. بیشترین میزان استحکام چسبان در دو کامپوزیت KAC-25MBG و KAC-50MBG مشاهده شد. در ادامه با بررسی میزان آبدوستی پوششها، افزایش میزان آبدوستی با افزایش میزان MBG در پوشش کامپوزیتی اعمالی ثابت شد. به علاوه زیستفعالی پوششها در دو دورهی 14 و 21 روز مورد بررسی قرار گرفت. بررسی تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی و EDS این آزمون نشان داد که در هر دو بازه زمانی هیدروکسی آپاتیت روی سطح پوشش تشکیل شده و با افزایش میزان غلظت نانوذرات شیشه زیستفعال مزومتخلخل در پوشش، تشکیل آپاتیت افزایش داشته است. براین اساس به نظر میرشد تلفیقی از پوشش کامپوزیتی کاپاکاراگنان-نانوذرات شیشه زیستفعال در حضور لایه میانی بهدست آمده از طریق اکسیداسیون آندی، میتواند گزینهی مناسبتری برای کاربردهای اتوپدی باشد. کلمات کلیدی: نانوذرات شیشه زیست فعال، آلیاژ تیتانیوم، پوشش آنتیباکتریال، چسبندگی.