SUPERVISOR
فرحناز نجاتي دانش (استاد راهنما) محمدحسين فتحي (استاد راهنما) بتول هاشمي بني (استاد مشاور)
STUDENT
Moluk Aivazi
ملوک عيوضي
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) .
چکيده خواص مکانيکي مناسب و مقاومت به خوردگي مطلوب زيرکونيا، آن را کانديد اي مناسبي جهت جايگزيني ايمپلنت هاي دنداني فلزي بويژه درموقعيت هاي تحمل وزن معرفي نموده است. اما زيرکونيا هنگامي که در محيط دهان مورد استفاده قرار مي گيرد مستعد به فرايند تخريب در دماي پايين و کاهش خواص مکانيکي مي باشد،. هدف ازاجراي اين پژوهش طراحي و ساخت و بهينه سازي نانو کامپوزيت جديدي بود تا کاستي هاي مذکور را رفع نمايد. به همين منظورزيرکونياي پايدار شده با ايتريا 3% مولي حاوي 10،20 و30 درصد حجمي از آلومينا به عنوان زير لايه تهيه شد واصلاح سازي سطح آن با استفاده ازپوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت – زير کونيا و نيز اصلاح سازي سطح با ليزر(ايجاد ريز ساختار ناوداني شکل بر روي سطح نانو کامپوزيت ) به عمل آمد. در آغاز، نمونه هاي لازم از زيرکونياي خالص ونيز نانو کامپوزيت هاي زير کونياي پايدار شده - آلومينا90-10،80-20و70-30 تهيه شد.پس از سنجش خواص مکانيکي(شامل ضريب کشساني،سختي،چقرمگي شکست واستحکام خمشي)، نمونه نانوکامپوزيت80-20 به لحاظ دارا بودن خواص مکانيکي مناسب، جهت اجراي مرحله بعدي پژوهش و عمليات اصلاح سازي سطح با ليزر انتخاب شد.اصلاح سازي سطح با پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت – زيرکونيا ونيز با ليزر بر روي نانو کامپوزيت 80- 20 هر کدام به صورت جداگا نه و نيز تلفيقي انجام شد. جهت مطالعه کشت سلولي با استفاده از سلول هاي فيبروبلاست موشي بر روي نانو کامپوزيت 80-20 ، سه گروه داراي سطح متفاوت، گروه اول: فاقد اصلاح سازي سطح، گروه دوم : اصلاح سازي سطح با ليزر و گروه سوم : ا صلاح سازي سطح با ليزر و پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت – زيرکونياي پايدار شده با ايتريا توام با هم، انتخاب شد. آزمون هاي:تخلخل سنجي،تراکم سنجي،طيف سنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس،ارزيابي و مطالعه با پراش پرتو ايکس،ميکروسکوپ الکتروني روبشي،ميکروسکوپ الکتروني عبوري، سنجش خواص مکانيکي(استحکام خمشي، ضريب کشساني،سختي و چقرمگي شکست)بر روي نمو نه هاي نانو کامپوزيتي(90-10،80-20و70-30) و پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت - زيرکونيا، ارزيابي تخريب در دماي پايين در دستگاه اتوکلاو، تحت دماي134 درجه سانتي گراد و فشار 2 اتمسفر بر روي نانو کامپوزيت ها(90-10 ،80-20 و70-30)، ارزيابي مرفولوژي ريز ساختار ناوداني شکل و آزمون اندازه گيري غلظت نور ناشي از تبديل تترازولين زرد رنگ به فورمازان بنفش در سلول هاي زنده(ام تي تي)انجام شد.نتايج نشان داد که با استفاده از نانو کامپوزيت زير کونيا - آلومينا(با درصد حجمي 20) ضمن دستيابي به خواص مکانيکي مناسب و مطلوب، کنترل فرايند تخريب در دماي پايين نيز حاصل شده است. علاوه برآن در راستاي کنترل بيشتر اين فرايند ، پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت – زير کونيا نيز بر روي زير لايه نانو کامپوزيت 80- 20 با موفقيت اعمال شد. که در نتيجه آن ، فرايند تخريب در دماي پايين با بکار گيري نانو کامپوزيت زيرکونيا - آلومينا(با درصد حجمي 20)و اعمال پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت – زير کونيا با حداقل ترک، به شکل بهتري کنترل خواهد شد. نتيجه مطالعات و همچنين کشت سلول نشان داد که نمونه نانو کامپوزيت زير کونيا-آلومينا(با درصد حجمي 20) و اصلاح سازي سطحي شده به روش تلفيقي از ليزر توام با اعمال پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت زير کونيا محصول مطلوبي بود تا ضمن کنترل بهتر فرايند تخريب در دماي پايين (با اعمال پوشش نانو کامپوزيتي هيدروکسي آپاتيت – زير کونيا) شرايط مطلوب جهت ترغيب و افزايش متحد شدن بافت استخوان در تماس با سطح ايمپلنت( با اصلاح سازي سطح با ليزر توام با اعمال پوشش نانو کامپوزيتي) فراهم شود. کليد واژه ها : نانو کامپوزيت، زيرکونياي پايدار شده با ايتريا، سل-ژل، ايمپلنت دنداني داخل استخوان، ليزر فمتو سکند