Skip to main content
SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Sheyda Labbaf
فتح اله کريم زاده (استاد راهنما) شيدا لباف (استاد راهنما)
 
STUDENT
Zahra Bonakdar afarani
زهرا بنک دارآفاراني

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 دنيا جايگزيني بافت­هاي آسيب ديده استخوان يکي از چالش­هاي بزرگ محسوب مي­شود. درميان گزينه­هاي موجود به عنوان کاشتني، آلياژ تيتانيوم Ti6Al4V به دليل خواصي نظير زيست­ سازگاري عالي، مقاومت به خوردگي و استحکام بالا، مدول يانگ نسبتا کم و تافنس شکست بالا، انتخاب مناسبي به نظر مي­رسد. اما در کنار اين مزيت­ها آلياژ Ti6Al4V داراي نواقصي از جمله رهايش يون واناديوم درفضاي بيولوژيکي بدن و مقاومت به سايش پايين مي­باشد. در چند سال اخير براي بهبود خواص اين کاشتني­ها، برطرف کردن محدوديت­ها و تسريع فرايند تثبيت بافت به کاشتني، استفاده از انواع پوشش­هاي پليمري، سراميکي و کامپوزيتي به روش­هاي مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. در اين بين پوشش­هاي سراميکي مانند انواع شيشه­هاي زيست­فعال به دليل توانايي هم­بندي با بافت استخوان کاربرد گسترده­­تري دارند. به اين منظور در اين تحقيق نانوذرات شيشه زيست­فعال مزومتخلخل (MBG) با ساختار کروي شکل و ميانگين اندازه ذرات 225±25 نانومتر، به روش سل­ژل ساخته شد. اندازه تخلخل و سطح ويژه اين نانوذرات به ترتيب 6/58 ± 0/05 و 274/26 ± 10/01نانومتر گزارش شد. با توجه به مزومتخلخل بودن اين ذرات بارگذاري و رهايش داروي آنتي­باکتريال جنتامايسين با موفقيت انجام شد. به منظور افزايش بارگذاري داروي آنتي­باکتريال و اعمال پوشش بهتر، نانوذرات با گروه­هاي عاملي آمين اصلاح سطح شد و بار سطحي آن از منفي به مثبت تغيير کرد.پس از آن نانوذرات شيشه­ زيست­فعال مزومتخلخل با غلظت­هاي 5، 15، 25 و 50 درصد(w/w) با پليمر کاپاکاراگنان (KAC) کامپوزيت شد. جهت افزايش استحکام چسبان پوشش به زيرلايه کاشتني، لايه مياني ايجاد شد. لايه مياني به دست آمده نانولوله­هاي تيتانيومي بودند که به روش اکسيداسيون آندي روي سطح زيرلايه Ti6Al4V به دست­آمد. ضخامت نانولوله­هاي تيتانيومي 1/1ميکرون و اندازه قطر ميانگين اين نانولوله­هاي121 نانومتر مي­باشد. پس از آن پوشش کامپوزيتي با روش غوطه­وري به دو صورت با حضور لايه مياني و بدون حضور لايه مياني روي زيرلايه Ti6Al4V اعمال شد. حداقل ضخامت پوشش اعمالي 867/3 ميکرون گزارش شد. نتايج آزمون استحکام چسبان نشان داد با حضور لايه مياني استحکام چسبندگي پوشش به زيرلايه تا دوبرابر افزايش پيدا مي­کند. بيشترين ميزان استحکام چسبان در دو کامپوزيت KAC-25MBG و KAC-50MBG مشاهده شد. در ادامه با بررسي ميزان آبدوستي پوشش­ها، افزايش ميزان آبدوستي با افزايش ميزان MBG در پوشش کامپوزيتي اعمالي ثابت شد. به علاوه زيست­فعالي پوشش­ها در دو دوره­ي 14 و 21 روز مورد بررسي قرار گرفت. بررسي تصاوير ميکروسکوپي الکتروني روبشي و EDS اين آزمون نشان داد که در هر دو بازه زماني هيدروکسي آپاتيت روي سطح پوشش تشکيل شده و با افزايش ميزان غلظت نانوذرات شيشه زيست­فعال مزومتخلخل در پوشش، تشکيل آپاتيت افزايش داشته است. براين اساس به نظر مي­رشد تلفيقي از پوشش کامپوزيتي کاپاکاراگنان-نانوذرات شيشه زيست­فعال در حضور لايه مياني به­دست آمده از طريق اکسيداسيون آندي، مي­تواند گزينه­ي مناسبتري براي کاربرد­هاي اتوپدي باشد. کلمات کليدي: نانوذرات شيشه­ زيست فعال، آلياژ تيتانيوم، پوشش آنتي­باکتريال، چسبندگي.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی