SUPERVISOR
Mehdi Karevan,Mahshid Kharaziha-esfahani,Rahmatollah Emadi
مهدی کاروان (استاد راهنما) مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد مشاور) رحمت اله عمادی (استاد مشاور)
STUDENT
HOSSEIN EMADI
حسین عمادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Fabrication and Characterization of Baghdadtite-Polycaprolactone bio nanocomposite
Metal bone plates have been increasingly used as a protection against fracture developed in natural bones in orthopedic surgical treatment for years. The stiffness difference existing between the metal plates and natural bone leads to osteoporosis, and, thus the second risk of fracture in the areas surrounded by the plate. In addition, the wear and corrosion of metal plates are accompanied with the release of undesirable corrosion debris within the body. To address the said issues, ceramic polymer degradable composites can be designed and utilized. This research aimed at fabricating degradable bone plates of Polycaprolactone (PCL)/ Baghdadite (Ca 3 ZrSi 2 O 9 ) to stabilize and restore the bone tissue damages. PCL is a semi-crystalline polymer exhibiting a high level of biocompatibility when used in the body. However, PCL has proved to have a lower rate of degradation compared to other biocompatible polymers whilst showing higher fracture energy required. Baghdadite is a bioceramic with high bioactivity properties, and therefore, the additions of baghdadite nanoparticles to PCL results in increased bioactivity of PCL, and, consequently, improved degradation rate of composites. In this study, baghdadite powder was prepared by the sol-gel method and ball miling process. XRD pattern of powder verified the synthesis of pure baghdadite powder with a nano-scale size of 25 nm. Bio- nanocomposite films were fabricated by the addition of 0, 5, 10, 15, 20, 25 and 30 wt% of nano-powder into PCL dissolved in chloroform followed by the casting method. The results of the thermal analysis showed that the addition of 20% wt baghdadite nanoparticles has increased the melting point of films from 59 °C for pure polycaprolactone to 63 °C, due to the proper interaction and compatibility of baghdadite with the polymer phase. Mechanical properties were improved by the addition of baghdadite nanoparticles. By addition 20 wt% baghdadite in PCL film, ultimate tensile strength enhanced from 16 ± 0.5 MPa to 21 ± 0.4 MPa, strain at break varied from 382 ± 15 % to 375 ± 4.0 % and tensile modulus enhanced from 300 ± 15 MPa to 420 ± 20 MPa that PCL- 20 wt% baghdadite selected as optimized film. The immersion test in a simulated body fluid (SBF) was carried out to evaluate the bioactivity of samples. The SEM images of films exposed to the simulated solution of the body showed and confirmed the formation of apatite layer on the composite surfaces and that the growth rate of Baghdadis on the specimens increases with addition of fillers. In order to assess biodegradability, samples placed in phosphate buffered saline () solution. The results indicated that addition of baghdadite increases the degradation rate of the samples. Furthermore, empirical models were proposed to predict the modulus of polymer-particle composites. In order to compare the results obtained from theoretical models and experimental tests and also to predict the mechanical properties of the composite, the simulation finite element analysis was utilized using the Abaqus software (6.14). The results showed that the Counto model predictions best match the mechanical properties of the composite. Based on results, baghdadite- polycaprolactone film with controllable process of fabrication, mechanical and biological properties can be a suitable selection for repairing bone defects. Keywords: nanocomposite, film, baghdadite, polycaprolctone, biomaterials, in vitro, echanical properties, Performance evaluation criteria, bone tissue engineering
: پلاکهای استخوانی فلزی سالهاست که جهت تثبیت شکستگی استخوان در درمانهای جراحی ارتوپدی استفاده میشود. خوردگی، سایش و رهایش محصولات خوردگی در بدن، اختلاف سفتی پلاکهای فلزی و استخوان، ایجاد پوکی استخوان در ناحیه پلاک و افزایش احتمال شکستگی مجدد از جمله مشکلات این محصولات می باشد. برای رفع این مشکلات میتوان از کامپوزیتهای پلیمر- سرامیکی تخریبپذیر به جای فلزات استفاده نمود. هدف از این تحقیق ساخت بیونانوکامپوزیت غیرفلزی و تخریبپذیر پلیکاپرولاکتون-بغدادیت (Ca 3 ZrSi 2 O 9 ) جهت تثبیت و ترمیم بافتهای استخوانی آسیبدیده می باشد. پلیکاپرولاکتون پلیمری نیمه بلورین، زیستسازگار با شرایط محیطی بدن با زیست فعالی اندک است که نسبت به سایر پلیمرهای زیستی نرخ تخریب پایین و انرژی شکست بالایی دارد. بغدادیت بیوسرامیکی زیستفعال همراه با استحکام مکانیکی مناسب است، لذا افزودن نانوذرات بغدادیت به پلیکاپرولاکتون ضمن بهبود خواص مکانیکی و افزایش زیستفعالی، سرعت تخریب کامپوزیت فوق را افزایش میدهد. در این تحقیق ابتدا پودر بغدادیت به روش سل- ژل تهیه گردید. تشکیل نانوپودر بغدادیت خالص با اندازه دانه 25 نانومتر توسط آزمون پراش پرتوی ایکس تأیید شد. سپس مقادیر 0، 5، 10، 15، 20، 25 و 30 درصد وزنی از نانوذرات بغدادیت به محلول پلیکاپرولاکتون حلشده در کلروفوم اضافه و پس از ریختهگری در قالب فلزی و تبخیر کلروفوم، فیلمهای کامپوزیتی پایه پلیمری تهیه شد. نتایج آنالیز حرارتی نشان داد افزودن نانوذرات بغدادیت نقطهی ذوب فیلمها را از 59 درجه سانتیگراد برای پلیکاپرولاکتون خالص به 63 درجه سانتیگراد برای کامپوزیت حاوی 20 درصد وزنی بغدادیت افزایش داده که برآمده از برهمکنش مناسب بغدادیت با فاز زمینه است. خواص مکانیکی با افزودن نانوذرات بغدادیت بهبود یافته و ترکیب پلیکاپرولاکتون حاوی 20 درصد وزنی بغدادیت با استحکام( MPa 21)، ضریب کشسانی(MPa440 ) و کرنش(350%) به عنوان درصد بهینه انتخاب گردید. آزمون غوطه وری در محلول شبیه سازی شده بدن(SBF) به منظور بررسی زیست فعالی نمونه ها انجام گرفت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی فیلمها بعد از قرارگیری در محلول شبیه سازی شده بدن حاکی از تشکیل لایه آپاتیت روی سطوح کامپوزیتها بود. با افزودن بغدادیت میزان رشد سلولهای آپاتیت بر روی سطوح فیلم افزایش و میزان تخریب نمونه کاهش یافت. در ادامه معادلات تجربی و یا نیمه تجربی مختلفی برای پیشبینی مدول کامپوزیتهای پلیمر- ذره پیشنهاد گردیدهاست. بهمنظور مقایسهی نتایج بهدستآمده از مدلهای تئوری و آزمونهای عملی، همچنین پیشبینی خواص مکانیکی کامپوزیت از شبیهسازی اجزای محدود به کمک نرمافزار آباکوس استفاده گردید. نتایج مدلسازی نشان داد الگوی کنتو بهترین پیشبینی را از خواص مکانیکی کامپوزیت دارد. بر این اساس، پلاک های پایه پلی کاپرولاکتون-بغدادیت با خواص مکانیکی، فیزیکی و زیستی قابل کنترل می تواند گزینه مناسبی جهت ترمیم عیوب استخوانی باشد. کلمات کلیدی : نانوکامپوزیت، بغدادیت، پلیکاپرولاکتون، بیومواد، فرآوری محلول، زیست سازگاری، بازسازی استخوان، معیارهای ارزیابی عملکرد، مهندسی بافت استخوان، خواص مکانیکی.