SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Mahshid Kharaziha-esfahani,Kaivan Raissi
رحمت اله عمادی (استاد راهنما) مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد مشاور) کیوان رئیسی (استاد راهنما)
STUDENT
Marjane Eilbeigi
مرجانه ایل بگی بهرام آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Synthesis, characterization and evaluation of mechanical and biological properties of hydroxyapatite –bredigite nanocomposite scaffold
In recent years a major challenge in biomaterials is to produce porous materials with similar composition to bone tissue. Hydroxyapatite (HA) is characterized by its high biocompatibility and close chemical similarity to biological apatite and has been used as an artificial bone graft material in many clinical trials. Porous HA is more degradable and osteoconductive than bulk Hydroxyapatite. However, the mechanical properties of porous HA are too weak for load bearing applications. Results confirmed that the mechanical, Physical and biological properties of HA porous scaffolds could be modified using the addition of suitable secondary components. CaO-SiO 2- MgO bioceramics demonstrated high bioactivity and good mechanical properties. Bredigite is a Ca, Si and Mg-containing bioceramic. Results showed that Ca-Si-Mg containing bioceramics not only possessed an improved mechanical strength when compared with hydroxyapatite and ceramics, but also were degradable. The aim of this study is to develop three-dimensional HA-bredigite porous scaffolds using space holder technique. HA and bredigite nanopowders were synthesized via sol-gel and combustion sol-gel respectively, and then various ratios of HA and bredigite nanoparticles (5, 10 and 15 wt. % bredigite) were mechanically combined. Then, after addition of poly vinyl alcohol (PVA) and sodium chloride as space holder, they compacted using compression. In order to sinter the compacted powders, remove sodium chloride and PVA powders and develop porous structure, samples were heat treated at 1350 ?cfor 2h. X-ray diffraction (XRD) technique was utilized to confirm presence of the desired phases in the structure and also, to determine the crystallite size and crystallinity of the prepared scaffolds. The crystallite sizes were calculated by Scherrer and modified Scherrer equation and the results were compared. To evaluate the shape and size of the particles and crystallites, A transmission electron microscopy (TEM) was applied and the size of HA nanopowder particles was calculated around 30 nm. Scanning electron microscopy (SEM) was applied in order to study morphology and surface of nanopowders and scaffolds before and after soaking in simulated body fluid (SBF). Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was utilized to evaluate the chemical composition and distribution of elements in scaffolds. Furthermore, axial compression test was applied to study the mechanical properties of scaffolds. Bioactivity of different scaffolds was investigated by soaking them in SBF for various periods. The concentration of calcium and phosphorus ions in SBF and the content of pH of SBF were determined for various periods by ICP-OES method and pH meter, respectively. In order to verify the biocompatibility of scaffolds, MTT assay was applied. Results showed that composite scaffolds with pore sizes in the range of 220-310 ?m , appearance porosity of 63-75 (%) and compressive strength of 1-1.7 (MPa) were developed. SEM images of scaffolds after soaking in SBF depicted the tiny agglomerated bone-like apatite particles. Also, biocompatibility evaluations by MTT method showed that scaffolds could stimulate cell proliferation of Osteoblast-like cells and they did not have any cytotoxicity, as compared to control sample. Considering the results obtained, it seems that, manufactured scaffolds could be a good candidate for bone tissue engineering. Keywords : Porous materials, Hydroxyapatite, Bredigite, Mechanical properties, Biocompatibility.
در سال های اخیر چالشی اساسی برای ساخت مواد متخلخل، با ترکیب مشابه بافت استخوانی به وجود آمده است. هیدروکسی آپاتیت به دلیل نزدیک بودن ترکیب شیمیایی به بخش معدنی استخوان و در نتیجه زیست سازگاری عالی، برای سال های زیادی برای کاربردهای کلینیکی و جایگزین استخوان مورد استفاده قرار گرفته است. هیدروکسی آپاتیت متخلخل نسبت به هیدروکسی آپاتیت چگال، زیست تخریب پذیرتر بوده و ویژگی هدایت استخوانی بهتری نشان می دهد. با وجود آن، خواص مکانیکی هیدروکسی آپاتیت متخلخل ضعیف است. نتایج نشان می دهد که با افزودن مواد مناسب به هیدروکسی آپاتیت می توان خواص مکانیکی، فیزیکی و زیستی آن را کنترل کرد.سرامیک های حاویCaO-SiO 2 -MgO قابلیت زیست فعالی بالایی دارند و خواص مکانیکی آن ها متوسط است. بردیجیت یکی از بیو سرامیک های حاوی کلسیم، سیلیسیم و منیزیم است. یکی از ویژگی های منحصر بفرد بیو سرامیک های کلسیم- منیزیم- سیلیکاتی زیست تخریبپ پذیری بسیار خوب آن هاست. تحقیقات نشان می دهد که این دسته از بیوسرامیک ها نه تنها نسبت به هیدروکسی آپاتیت خواص مکانیکی بهتری دارند، بلکه زیست تخریب پذیر بوده و توانایی تشکیل آپاتیت روی سطح خود را دارند. هدف از پژوهش حاضر، ساخت داربست سه بعدی هیدروکسی آپاتیت-بردیجیت با استفاده از روش نگهدارنده برای پر کردن عیوب استخوانی است. به این منظور، نانوذرات هیدورکسی آپاتیت و بردیجیت با روش سل-ژل و سل-ژل احتراقی ساخته شده و با نسبت های مختلف (5، 10 و 15 درصد وزنی بردیجیت) با هم مخلوط شدند. بعد از اضافه کردن پلی وینیل الکل و کلرید سدیم (عامل نگه دارنده) با نسبت وزنی مشخص، مخلوط وزنی تحت فشار تک محوره پرس شد. به منظور تف جوشی پودرها، خروج نمک و ایجاد تخلخل مورد نظر، نمونه های بدست آمده تحت عملیات تف جوشی در دمای 1350 درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت قرار گرفتند. تکنیک پراش پرتو ایکس (XRD) به منظور تأیید حضور فازهای مطلوب در ترکیب و نیز تعیین اندازه کریستال و میزان بلورینگی داربست های نهایی مورد استفاده قرار گرفت. اندازه کریستال ها با استفاده از روابط شرر و شرر اصلاح شده محاسبه گردید و نتایج حاصل با یکدیگر مقایسه شد. به منظور بررسی شکل و اندازه ذرات و دانههای پودرهای هیدروکسی آپاتیت نانومتری، از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بهره گرفته شد واندازه ذرات کمتر از 30 نانومتر محاسبه شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به منظور مطالعه مورفولوژی و سطح نمونه ها قبل بعد از قرارگیری در محلول شبیه سازی شده بدن مورد استفاده قرار گرفت. آنالیز عنصری با تفکیک انرژی پرتو ایکس(EDX) برای مشخص کردن ترکیب شیمیایی و بررسی یکنواختی توزیع دو پودر در ساختار استفاده شد. علاوه بر این، خواص مکانیکی داربست های سه بعدی ساخته شده با استفاده از آزمون فشار تک محوره ارزیابی شد. آزمون غوطه وری در محلول شبیه سازی شده بدن(SBF) به منظور زیست فعالی نمونه ها انجام گرفت و سپس از تکنیک طیف سنجی نشری نوری زوج پلاسمای القایی(ICP-OES) و دستگاه pH متر به منظور بررسی میزان رهایش یون کلسیم و فسفر از نمونه ها و تغییرات pH استفاده شد. ارزیابیهای سمَیت داربست های حاصل نیز با استفاده از آزمون MTT انجام گرفت. نتایج نشان داد که داربست متخلخل سه بعدی با قطر متوسط حفرات310-250 میکرومتر، درصد تخلخل ظاهری 75-63 درصد و استحکام فشاری 7/1-1 مگاپاسکال بدست آمد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی داربست ها بعد از قرارگیری در محلول شبیه سازی شده بدن حاکی از تشکیل لایه آپاتیت شبه استخوانی روی سطوح بود. ارزیابیهای زیستسازگاری توسط آزمون MTT نشان داد که داربست های کامپوزیتی در تماس با سلولهای شبه استخوانی هیچ گونه سمیتی از خود نشان نداده و رشد و تکثیر سلولها را افزایش میدهند. براساس این نتایج، به نظر می رسد داربست های تولیدی می توانند گزینه مناسبی برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان باشند کلمات کلیدی : مواد متخلخل، هیدروکسی آپاتیت، بردیجیت، خواص مکانیکی، زیست سازگاری.