SUPERVISOR
Mahshid Kharaziha-esfahani,Mehdi Salehi
مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد راهنما) مهدي صالحي (استاد راهنما)
STUDENT
Shadi Salehi
شادي صالحي
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 افزايش جمعيت افراد مسن، کارايي کمتر پروتز هاي دنداني و از دست دادن دندانها در اثر عوامل مختلف، استفاده از کاشتنيهاي دنداني افزايش يافته است. چالشهاي موجود در کاشتنيهاي دنداني منجر به توليد کاشتنيهايي که هم از لحاظ بيولوژيکي و هم از لحاظ تريبولوژيکي رفتار مناسب داشته باشند، شده است. آلياژ تيتانيم Ti6Al4V از جمله مواد زيستي است که به واسطه مدول يانگ نزديک به استخوان طبيعي و زيست سازگاري عالي از اهميت بالايي براي ساخت کاشتنيهاي دنداني برخوردار است. هدف از پژوهش حاضر، ساخت و مشخصهيابي پوشش نانوکامپوزيتي فلوئورآپاتيت-اکسيد روي-اکسيد گرافن بر تيتانيم توسط فرآيند پلاسما اسپري براي کاشتنيهاي دنداني است. در اين راستا، ابتدا پودر نانوکامپوزيتي فلوئورآپاتيت-اکسيد روي با مقادير مختلف اکسيد روي (0، 4، 8، 11 و 15 درصد وزني) توسط آلياژسازي مکانيکي سنتز شد. با استفاده از الگوي پراش پرتو ايکس، طيف سنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس و آزمون طيف سنجي مادون قرمز با تبديل فوريه سنتز فلوئورآپاتيت-اکسيد روي تاييد شد. با افزايش درصد اکسيد روي، اندازه بلورک (از 32 به 19 نانومتر)، درجه بلورينگي (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 يافت. مورفولوژي ذرات با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي نشر ميداني بررسي شد و مشاهده شد که اکسيد روي بر مورفولوژي فلوئورآپاتيت بي تاثير است. همچنين زيست فعالي نانوپودر ها از طريق غوطهوري در محلول شبيه سازي شده بدن نتايج نشان داد که با افزايش ميزان اکسيد روي تا 11 درصد وزني ميزان رسوب آپاتيت افزايش مييابد. علاوه بر اين تاثير اکسيد روي بر رفتار سلولهاي MG63 بررسي شد. نتايج حاصل از آزمون MTT نشان داد که تمام نمونهها از رشد سلول پشتيباني ميکنند. روي نقش مستقيمي در رشد بافت استخوان و تکثير استئوبلاست دارد. حضور 8 درصد وزني اکسيد روي (4±135 درصد کنترل) بيشترين زيست سازگاري را نسبت به فلوئورآپاتيت خالص (2±59 درصد کنترل) در روز سوم نشان داد. نتايج ضد باکتري نشان داد که فلوئورآپاتيت هيچگونه خاصيت آنتي باکتريال از خود نشان نداد در حالي که حضور اکسيد روي باعث افزايش قابل توجه اين خاصيت شد. اکسيد روي بر هر دو نوع باکتري گرم مثبت و گرم منفي اثر مثبت نشان داد و حضور 11 درصد وزني اکسيد روي بيشترين منطقه مهاري را ايجاد کرد. از آنجايي که هدف از حضور اکسيد روي، افزايش خاصيت آنتي باکتريال نانوکامپوزيت است، بنابراين نمونه فلوئورآپاتيت-11 درصد وزني اکسيد روي که داراي بالاترين خاصيت آنتي باکتريال است، به عنوان نمونه بهينه انتخاب شد. در ادامه نانوکامپوزيت فلوئورآپاتيت-اکسيد روي-اکسيد گرافن توسط آلياژسازي مکانيکي آماده شد و به منظور رسيدن به مورفولوژي کروي و اندازه ذرات مناسب جهت پاشش پلاسمايي تحت فرآيند خشک کن پاششي قرار گرفت. تحت اين فرآيند ذراتي به اندازه 10±83 ميکرومتر حاصل شد. پس از آن ذرات نانوکامپوزيت فلوئورآپاتيت-اکسيد روي-اکسيد گرافن تحت پارامترهاي مختلف جريان (650، 700 و 750 آمپر)، ولتاژ (35 و 42 ولت) و زمان (2، 5/2، 3، 5/3 دقيقه) بر زيرلايه تيتانيم پوشش داده شد. با افزايش زمان پاشش، مقدار بيشتري از ماده پوشش، سطح را پوشانده و در نتيجه ضخامت پوشش افزايش مييابد. از آن جا که پوششهاي ضخيمتر خواص مکانيکي ضعيفتري دارند، بنابراين زمان 2 دقيقه براي پاشش انتخاب شد. پوشش ايجاد شده با جريان 700 آمپر و ولتاژ 35 ولت، داراي کسر زيادي از ذرات ذوب نشده بود. با افزايش جريان به 750 آمپر و ولتاژ به 42 ولت ذرات بهتر ذوب شده ولي همچنان تخلخل پوشش به دليل دماي بالاي شعله پلاسما و تبخير ذرات بالاست. در جريان 700 آمپر و ولتاژ 42 ولت، ذرات پوشش به خوبي ذوب شده و اسپلتها تشکيل شدند. همچنين پوشش در جريان 650 آمپر و ولتاژ 42 ولت نيز از ذرات ذوب شده و اسپلتها تشکيل شدند ولي داراي تخلخل بيشتري نسبت به پارامتر قبلي بود. از اين رو، جريان 700 آمپر، ولتاژ 42 ولت و زمان 2 دقيقه به عنوان پارامترهاي بهينه انتخاب شدند. جهت بررسي تاثير اکسيد گرافن بر خواص پوشش، پوشش فلوئورآپاتيت-اکسيد روي با پارامترهاي بهينه بر زيرلايه تيتانيم پوشش داده شد و خواص چسبندگي، زبري، ريزسختي و ترشوندگي آنها بررسي شد. نتايج نشان داد که حضور اکسيد گرافن باعث افزايش ريزسختي (از 16±7/449 به 41±2/761 ويکرز)، کاهش زبري (از 46/0±4/6 به 28/0±1/4 ميکرومتر) و کاهش زاويه تماس با آب (از 3/3±81 به 5±58 درجه) شد. همچنين بررسيهاي تريبولوژيکي پوششها نشان داد که حضور اکسيد گرافن باعث کاهش ضريب اصطکاک (ازµ6/0 به µ4/0) و کاهش سايش (از 02/58 به 10/24 ميليگرم) پوشش شد. مکانيزم سايش در دو نوع پوشش تغييري نکرد و تنها شدت سايش کاهش يافت. سايش با مکانيزم ورقهاي شروع شد و در ادامه به علت وجود ذرات سايشي، سايش خراشان نيز حادث شد. نتايج کشت سلولهاي MG63 پس از پنج روز نشان داد که پوشش فلوئورآپاتيت-اکسيد روي-اکسيد گرافن داراي درصد زيست پذيري (14±7/158 درصد کنترل) بالاتري نسبت به تيتانيم (5/7±92 درصد کنترل) بود. هچنين نتايج آزمون زيست فعالي نشان داد که بعد از 14 روز غوطهوري در محلول شبيه سازي شده بدن، يک لايه متراکم هيدروکسيآپاتيت تشکيل شد که تاييد کننده قابليت زيست فعالي پوشش فلوئورآپاتيت-اکسيد روي –اکسيد گرافن بود. به طور کل، پوشش فلوئورآپاتيت-اکسيد روي-اکسيد گرافن بر زيرلايه تيتانيم باعث بهبود رفتار تريبولوژيکي و بيولوژيکي آن ميشود که ميتواند براي کاشتنيهاي دنداني مطلوب باشد.