SUPERVISOR
فرحناز نجاتی دانش (استاد راهنما) محمدحسین فتحی (استاد راهنما) بتول هاشمی بنی (استاد مشاور)
STUDENT
Moluk Aivazi
ملوک عیوضی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Development and optimization of surface modified zirconia nano-composite to replacement of metallic endosseous dental implants.
laserProper mechanical properties and resistance to corrosion of zirconia is introduced as a good candidate to replace metallic endosseous dental implants especially for weight-bearing osition. But zirconia is prone to degradation proce at low temperatures and decreasing of mechanical properties,when it used in oral environment. The aim of this study was to design,fabrication and optimization of ew nanocomposite to fix the shortcomings mentioned. For this perpose zirconia stabilized with yttria(3% molar) - alumina with a volume percentage of 10,20 and 30 of alumina nano composite was prepared as a substrate and surface modification was done with hydroxiapatite-zirconia nanocomposite coate and femtosecond laser method. At first, the required samples were prepared from zirconia and zirconia stabilized with yttria(3% molar) - alumina anocomposites(90-10,80-20 and70-30). After evaluating the mechanical properties (elastic modulus, hardness, fracture toughness and biaxial strength) of studied samples: pure zirconia and nano-composites 90-10,80-20and70-30, the 80-20 nanocomposite sample was selected for modifying surface with femtosecond laser. The surface modification of zirconia stabilized with yttria (3% molar) - alumina nanocomposite (with a volume percentage of 20) was done y hydroxiapatite-zirconia nanocomposite coate , femtosecond laser and a combination of both methods. Mouse fibroblast cell culture was done o nanocomposite substrate (80-20) at three groups with different surfaces(first group: no surface modification, second group: laser surface modification, third group: combined laser surface modification and HA– Zr nanocomposite coat together). The tests of porosity measurements, densiometry, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, measurement of mechanical properties (flexural strength, coefficient of elasticity, hardness and fracture toughness) was performed on nano-composite samples (90-10,80-20and70-30) and hydroxiapatite-zirconia nanocomposite coat. The evaluation of degradation at low temperature was done in an autoclave, under a temperature of 134 ° C and pressure of 2 atm on nano-composites (90-10, 80-20and70-30) samples. Also,the evaluation of morphology and microstructure of microgroove pattern and measuring the light levels of tetrazulyn turns yellow to purple formazan in living cells(MTT) was performed. The results showed that using anocomposites using zirconia - alumina nanocomposite(with a volume percentage of 20) while achieving desirable mechanical properties, low-temperature degradation process control has been achieved. In addition to more control of low temperature process is achived by uccessful appling of hydroxiapatite-zirconia nanocomposite coat. As a result, the low temperature degradation proce will be better controlled with the use of zirconia - alumina nano-composite (with 20 volume percent) and hydroxyapatite zirconia nanocomposite coating with minimal cracks. The results of studie and cell culture showed that the zirconia - alumina nanocomposite(with a volume percentage of 20) sample and using a combination of laser surface modification with hydroxyapatite-zirconia anocomposite coat was desired product while be provided the better control of the low temperature degradation process ( with hydroxiapatite-zirconia nano composite coat) also the favorable conditions would be provided to encourage and increased the osseointegration of bone tissue in contact with the modified implant surface to combined method ( laser surface modification and nanocomposite coat) .
خواص مکانیکی مناسب و مقاومت به خوردگی مطلوب زیرکونیا، آن را کاندید ای مناسبی جهت جایگزینی ایمپلنت های دندانی فلزی بویژه درموقعیت های تحمل وزن معرفی نموده است. اما زیرکونیا هنگامی که در محیط دهان مورد استفاده قرار می گیرد مستعد به فرایند تخریب در دمای پایین و کاهش خواص مکانیکی می باشد،. هدف ازاجرای این پژوهش طراحی و ساخت و بهینه سازی نانو کامپوزیت جدیدی بود تا کاستی های مذکور را رفع نماید. به همین منظورزیرکونیای پایدار شده با ایتریا 3% مولی حاوی 10،20 و30 درصد حجمی از آلومینا به عنوان زیر لایه تهیه شد واصلاح سازی سطح آن با استفاده ازپوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت – زیر کونیا و نیز اصلاح سازی سطح با لیزر(ایجاد ریز ساختار ناودانی شکل بر روی سطح نانو کامپوزیت ) به عمل آمد. در آغاز، نمونه های لازم از زیرکونیای خالص ونیز نانو کامپوزیت های زیر کونیای پایدار شده - آلومینا90-10،80-20و70-30 تهیه شد.پس از سنجش خواص مکانیکی(شامل ضریب کشسانی،سختی،چقرمگی شکست واستحکام خمشی)، نمونه نانوکامپوزیت80-20 به لحاظ دارا بودن خواص مکانیکی مناسب، جهت اجرای مرحله بعدی پژوهش و عملیات اصلاح سازی سطح با لیزر انتخاب شد.اصلاح سازی سطح با پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت – زیرکونیا ونیز با لیزر بر روی نانو کامپوزیت 80- 20 هر کدام به صورت جداگا نه و نیز تلفیقی انجام شد. جهت مطالعه کشت سلولی با استفاده از سلول های فیبروبلاست موشی بر روی نانو کامپوزیت 80-20 ، سه گروه دارای سطح متفاوت، گروه اول: فاقد اصلاح سازی سطح، گروه دوم : اصلاح سازی سطح با لیزر و گروه سوم : ا صلاح سازی سطح با لیزر و پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت – زیرکونیای پایدار شده با ایتریا توام با هم، انتخاب شد. آزمون های:تخلخل سنجی،تراکم سنجی،طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس،ارزیابی و مطالعه با پراش پرتو ایکس،میکروسکوپ الکترونی روبشی،میکروسکوپ الکترونی عبوری، سنجش خواص مکانیکی(استحکام خمشی، ضریب کشسانی،سختی و چقرمگی شکست)بر روی نمو نه های نانو کامپوزیتی(90-10،80-20و70-30) و پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت - زیرکونیا، ارزیابی تخریب در دمای پایین در دستگاه اتوکلاو، تحت دمای134 درجه سانتی گراد و فشار 2 اتمسفر بر روی نانو کامپوزیت ها(90-10 ،80-20 و70-30)، ارزیابی مرفولوژی ریز ساختار ناودانی شکل و آزمون اندازه گیری غلظت نور ناشی از تبدیل تترازولین زرد رنگ به فورمازان بنفش در سلول های زنده(ام تی تی)انجام شد.نتایج نشان داد که با استفاده از نانو کامپوزیت زیر کونیا - آلومینا(با درصد حجمی 20) ضمن دستیابی به خواص مکانیکی مناسب و مطلوب، کنترل فرایند تخریب در دمای پایین نیز حاصل شده است. علاوه برآن در راستای کنترل بیشتر این فرایند ، پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت – زیر کونیا نیز بر روی زیر لایه نانو کامپوزیت 80- 20 با موفقیت اعمال شد. که در نتیجه آن ، فرایند تخریب در دمای پایین با بکار گیری نانو کامپوزیت زیرکونیا - آلومینا(با درصد حجمی 20)و اعمال پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت – زیر کونیا با حداقل ترک، به شکل بهتری کنترل خواهد شد. نتیجه مطالعات و همچنین کشت سلول نشان داد که نمونه نانو کامپوزیت زیر کونیا-آلومینا(با درصد حجمی 20) و اصلاح سازی سطحی شده به روش تلفیقی از لیزر توام با اعمال پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت زیر کونیا محصول مطلوبی بود تا ضمن کنترل بهتر فرایند تخریب در دمای پایین (با اعمال پوشش نانو کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت – زیر کونیا) شرایط مطلوب جهت ترغیب و افزایش متحد شدن بافت استخوان در تماس با سطح ایمپلنت( با اصلاح سازی سطح با لیزر توام با اعمال پوشش نانو کامپوزیتی) فراهم شود. کلید واژه ها : نانو کامپوزیت، زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، سل-ژل، ایمپلنت دندانی داخل استخوان، لیزر فمتو سکند