SUPERVISOR
Mahshid Kharaziha-esfahani,Mehdi Salehi
مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد راهنما) مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Shadi Salehi
شادی صالحی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
fabrication and characterization of fluorapatite-zinc oxide-graphene oxide nanocomposite coating on titanium by plasma spray process for dental implant
Nowadays, the use of dental implants has increased with the increase of the elderly population, lower efficiency of dental prostheses and loss of teeth due to various factors. Challenges in dental implants have led to the production of implants that are both biologically and tribologically appropriate. Ti6Al4V alloy is one of the biomaterials that is of great importance for the construction of dental implants due to the Young's modulus close to normal bone and excellent biocompatibility. The purpose of the present study was to fabricate and characterize fluorapatite(FA)-zinc oxide(ZnO)-graphene oxide(GO) nanocomposite coating on titanium by plasma spray process for dental implants. In this regard, FA-ZnO nanocomposite powder with different concentrations of ZnO (0, 4, 8, 11 and 15 wt.%) Was first synthesized by mechanical alloying. X-ray diffraction pattern, energy dispersive X-ray spectroscopy and fourier-transform infrared spectroscopy test confirmed the FA-ZnO synthesis. With increasing ZnO concentration, crystallite size (from 32 to 19 nm), crystallinity (from 34 to 29%), lattice parameter c (from 0.693 to 0.681 nm) and particle size (from 51±8 to 38±3 nm) decreased. The morphology of the particles was investigated by field emission scanning electron microscopy and it was observed that ZnO had no effect on the FA morphology. Also, the bioactivity results of nanopowders by immersion in simulated body solution showed that by increasing the concentration of ZnO to 11 wt%, the rate of apatite deposition increased. In addition, the effect of ZnO on the behavior of MG63 cells was investigated. The results of MTT assay showed that all samples support cell growth. And the presence of ZnO has a direct role in osteoblast growth and proliferation. Also, the presence of 8 wt% ZnO (135± 4 % control) showed higher biocompatibility than pure FA (59±2 % control) at day 3. Antibacterial results showed that FA did not show any antibacterial activity, whereas the presence of ZnO caused a significant increase in this property. The presence of 11 wt% ZnO produced the highest inhibitory area against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Since the purpose of the presence of ZnO was to enhance the antibacterial property of the nanocomposite, the FA-11 wt% ZnO sample was selected as the optimum sample. Subsequently, FA-ZnO-GO nanocomposite was prepared by mechanical alloying and subjected to a spray drying process in order to obtain spherical morphology and particle size suitable for plasma spraying. Then, the nanocomposite were sprayed on Ti6Al4V substrates under various parameters of current (650, 700 and 750 am), voltage (35 and 42 volts) and time (2, 2.5, 3, 3.5 min). Scanning electron microscopy images of the coating morphology and thickness showed that the current of 700 amp, voltage of 42V and 2 minutes time are the optimal parameters for the coating process. In order to investigate the effect of GO on coating properties, FA-ZnO coating with optimum parameters was sprayed on Ti6Al4V substrate. The results showed that the presence of GO increased the hardness (from 449.7±16 to 761.2±41 Hv), decreased the roughness (from 6.4±0.46 to 4.1±0.28 ?m) and decreased the Contact angle (from 81±3.3° to 58±5°). Tribological studies of coatings also showed that the presence of GO decreased the coefficient of friction (from 0.6 to 0.4) and reduced wear (from 58.02 to 24.10 mg). The wear mechanism did not change in the two types of coatings and only the wear intensity decreased. The results of culture of MG63 cells after 5 days showed that the FA-ZnO-GO coating had higher viability (158.7±14 % control) than titanium (92±7.5% control). Also, the results of the bioactivity test showed that after 14 days immersion in the simulated body solution, a dense hydroxyapatite layer was formed which confirmed the bioactivity of the FA-ZnO-GO coating. In general, coating of FA-ZnO-GO on Ti6Al4V substrate improves its biological and biological behavior which may be favorable for dental implants.
امروزه با افزایش جمعیت افراد مسن، کارایی کمتر پروتز های دندانی و از دست دادن دندانها در اثر عوامل مختلف، استفاده از کاشتنیهای دندانی افزایش یافته است. چالشهای موجود در کاشتنیهای دندانی منجر به تولید کاشتنیهایی که هم از لحاظ بیولوژیکی و هم از لحاظ تریبولوژیکی رفتار مناسب داشته باشند، شده است. آلیاژ تیتانیم Ti6Al4V از جمله مواد زیستی است که به واسطه مدول یانگ نزدیک به استخوان طبیعی و زیست سازگاری عالی از اهمیت بالایی برای ساخت کاشتنیهای دندانی برخوردار است. هدف از پژوهش حاضر، ساخت و مشخصهیابی پوشش نانوکامپوزیتی فلوئورآپاتیت-اکسید روی-اکسید گرافن بر تیتانیم توسط فرآیند پلاسما اسپری برای کاشتنیهای دندانی است. در این راستا، ابتدا پودر نانوکامپوزیتی فلوئورآپاتیت-اکسید روی با مقادیر مختلف اکسید روی (0، 4، 8، 11 و 15 درصد وزنی) توسط آلیاژسازی مکانیکی سنتز شد. با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس، طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس و آزمون طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه سنتز فلوئورآپاتیت-اکسید روی تایید شد. با افزایش درصد اکسید روی، اندازه بلورک (از 32 به 19 نانومتر)، درجه بلورینگی (از 34% به 29%)، پارامتر شبکه c (از 693/0 به 681/0 نانومتر) و اندازه ذرات (از 2/8±61/51 به 1/3±44/38 نانومتر) کاهش یافت. مورفولوژی ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی بررسی شد و مشاهده شد که اکسید روی بر مورفولوژی فلوئورآپاتیت بی تاثیر است. همچنین زیست فعالی نانوپودر ها از طریق غوطهوری در محلول شبیه سازی شده بدن نتایج نشان داد که با افزایش میزان اکسید روی تا 11 درصد وزنی میزان رسوب آپاتیت افزایش مییابد. علاوه بر این تاثیر اکسید روی بر رفتار سلولهای MG63 بررسی شد. نتایج حاصل از آزمون MTT نشان داد که تمام نمونهها از رشد سلول پشتیبانی میکنند. روی نقش مستقیمی در رشد بافت استخوان و تکثیر استئوبلاست دارد. حضور 8 درصد وزنی اکسید روی (4±135 درصد کنترل) بیشترین زیست سازگاری را نسبت به فلوئورآپاتیت خالص (2±59 درصد کنترل) در روز سوم نشان داد. نتایج ضد باکتری نشان داد که فلوئورآپاتیت هیچگونه خاصیت آنتی باکتریال از خود نشان نداد در حالی که حضور اکسید روی باعث افزایش قابل توجه این خاصیت شد. اکسید روی بر هر دو نوع باکتری گرم مثبت و گرم منفی اثر مثبت نشان داد و حضور 11 درصد وزنی اکسید روی بیشترین منطقه مهاری را ایجاد کرد. از آنجایی که هدف از حضور اکسید روی، افزایش خاصیت آنتی باکتریال نانوکامپوزیت است، بنابراین نمونه فلوئورآپاتیت-11 درصد وزنی اکسید روی که دارای بالاترین خاصیت آنتی باکتریال است، به عنوان نمونه بهینه انتخاب شد. در ادامه نانوکامپوزیت فلوئورآپاتیت-اکسید روی-اکسید گرافن توسط آلیاژسازی مکانیکی آماده شد و به منظور رسیدن به مورفولوژی کروی و اندازه ذرات مناسب جهت پاشش پلاسمایی تحت فرآیند خشک کن پاششی قرار گرفت. تحت این فرآیند ذراتی به اندازه 10±83 میکرومتر حاصل شد. پس از آن ذرات نانوکامپوزیت فلوئورآپاتیت-اکسید روی-اکسید گرافن تحت پارامترهای مختلف جریان (650، 700 و 750 آمپر)، ولتاژ (35 و 42 ولت) و زمان (2، 5/2، 3، 5/3 دقیقه) بر زیرلایه تیتانیم پوشش داده شد. با افزایش زمان پاشش، مقدار بیشتری از ماده پوشش، سطح را پوشانده و در نتیجه ضخامت پوشش افزایش مییابد. از آن جا که پوششهای ضخیمتر خواص مکانیکی ضعیفتری دارند، بنابراین زمان 2 دقیقه برای پاشش انتخاب شد. پوشش ایجاد شده با جریان 700 آمپر و ولتاژ 35 ولت، دارای کسر زیادی از ذرات ذوب نشده بود. با افزایش جریان به 750 آمپر و ولتاژ به 42 ولت ذرات بهتر ذوب شده ولی همچنان تخلخل پوشش به دلیل دمای بالای شعله پلاسما و تبخیر ذرات بالاست. در جریان 700 آمپر و ولتاژ 42 ولت، ذرات پوشش به خوبی ذوب شده و اسپلتها تشکیل شدند. همچنین پوشش در جریان 650 آمپر و ولتاژ 42 ولت نیز از ذرات ذوب شده و اسپلتها تشکیل شدند ولی دارای تخلخل بیشتری نسبت به پارامتر قبلی بود. از این رو، جریان 700 آمپر، ولتاژ 42 ولت و زمان 2 دقیقه به عنوان پارامترهای بهینه انتخاب شدند. جهت بررسی تاثیر اکسید گرافن بر خواص پوشش، پوشش فلوئورآپاتیت-اکسید روی با پارامترهای بهینه بر زیرلایه تیتانیم پوشش داده شد و خواص چسبندگی، زبری، ریزسختی و ترشوندگی آنها بررسی شد. نتایج نشان داد که حضور اکسید گرافن باعث افزایش ریزسختی (از 16±7/449 به 41±2/761 ویکرز)، کاهش زبری (از 46/0±4/6 به 28/0±1/4 میکرومتر) و کاهش زاویه تماس با آب (از 3/3±81 به 5±58 درجه) شد. همچنین بررسیهای تریبولوژیکی پوششها نشان داد که حضور اکسید گرافن باعث کاهش ضریب اصطکاک (ازµ6/0 به µ4/0) و کاهش سایش (از 02/58 به 10/24 میلیگرم) پوشش شد. مکانیزم سایش در دو نوع پوشش تغییری نکرد و تنها شدت سایش کاهش یافت. سایش با مکانیزم ورقهای شروع شد و در ادامه به علت وجود ذرات سایشی، سایش خراشان نیز حادث شد. نتایج کشت سلولهای MG63 پس از پنج روز نشان داد که پوشش فلوئورآپاتیت-اکسید روی-اکسید گرافن دارای درصد زیست پذیری (14±7/158 درصد کنترل) بالاتری نسبت به تیتانیم (5/7±92 درصد کنترل) بود. هچنین نتایج آزمون زیست فعالی نشان داد که بعد از 14 روز غوطهوری در محلول شبیه سازی شده بدن، یک لایه متراکم هیدروکسیآپاتیت تشکیل شد که تایید کننده قابلیت زیست فعالی پوشش فلوئورآپاتیت-اکسید روی –اکسید گرافن بود. به طور کل، پوشش فلوئورآپاتیت-اکسید روی-اکسید گرافن بر زیرلایه تیتانیم باعث بهبود رفتار تریبولوژیکی و بیولوژیکی آن میشود که میتواند برای کاشتنیهای دندانی مطلوب باشد.