30866

بررسي خواص مكانيكي و زيست‌سازگاري كامپوزيت زيركونيا/هيدروكسي‌آپاتيت

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد-سراميك

1399

1402/12/12

دكتر حميدرضا رضايي - دكتر جعفر جوادپور

ندارم

مهندسي مواد

اكسيد زيركونيوم (ZrO2) يك ماده سراميكي با خواص مكانيكي و زيبايي‌شناختي مطلوب است اما چالش اصلي در كاربرد اكسيد زيركونيوم در تماس با بافت استخوان، علاوه بر زيست‌خنثي بودن، مدول الاستيك بالاتر آن نسبت به استخوان است كه منجر به تمركز تنش و شكستگي در بافت استخوان مي‌شود. هدف از پژوهش حاضر بهبود خواص مكانيكي و زيست‌سازگاري كاشتني‌هاي سراميكي اكسيدزيركونيوم با استفاده از كامپوزيت‌سازي سراميك مذكور به كمك ماده زيست‌فعال هيدروكسي‌آپاتيت حاوي افزودني نقره بود. از افزودني نقره در ساختار هيدروكسي‌آپاتيت نيز براي بهبود خواص آنتي‌باكتريال كامپوزيت استفاده شد. در اين پژوهش هيدروكسي‌آپاتيت حاوي افزودني نقره به روش هم‌رسوبي در دماي كلسينه C650º به دست آمد. در مرحله بعد پودر زيركونيا به كمك اكسيدايتريم (Y2O3) به مقدار 3 درصد مولي در دماي C1350º پايدار شد و سپس كامپوزيت‌هاي زيركونيا – هيدروكسي‌آپاتيت به ترتيب با نسبت وزني 5/95، 10/90، 15/85 و 20/80 در دماي C1450º ساخته شدند. نمونه‌ها توسط آناليزهاي پراش پرتو ايكس (XRD)، روش ارشميدس، طيف‌سنجي مادون‌قرمز تبديل فوريه به شيوه بازتاب كل تضعيف‌شده (FTIR-ATR)، خمش سه‌نقطه‌اي، ميكروسختي ويكرز و ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FE-SEM) مورد بررسي قرار گرفته‌اند. الگوهاي پراش پرتو ايكس كامپوزيت‌ها شدت عمده فاز زيركونيا و شدت پايين‌تر فاز هيدروكسي‌آپاتيت را نشان داد و وجود فاز هيدروكسي‌آپاتيت با تجزيه و تحليل نتايج حاصل از آناليز FTIR-ATR تأييد شد. بررسي چگالي نمونه‌هاي كامپوزيت با استفاده از روش ارشميدس انجام شد، كه نمونه كامپوزيت با نسبت زيركونيا به هيدروكسي‌آپاتيت 5/95 داراي تخلخل ظاهري كمتر (86/3%) و در نتيجه جذب آب كمتري (74/0%) بود. آناليز ميكروسختي ويكرز نشان داد كه سختي مواد كامپوزيت با افزايش درصد هيدروكسي‌آپاتيت كاهش يافت و از HV 60/1286 – 66/698 متغير بود. نتايج حاصل از آناليز خمش سه‌نقطه‌اي بهبود چقرمگي شكست با افزايش درصد هيدروكسي‌آپاتيت را نشان داد كه مقادير حاصله از MPa.m1/2 4/8 – 6/3 متغير بود. در ميان كامپوزيت‌هاي مورد مطالعه، نمونه‌هاي با نسبت زيركونيا به هيدروكسي‌آپاتيت 15/85 و 20/80 تركيباتي بودند كه به ترتيب رفتار مكانيكي بهتري را با چقرمگي شكست MPa.m1.2 1/8 و 4/8 نشان دادند. از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميدان براي بررسي مورفولوژي و ريزساختار نمونه‌ها استفاده شد. و تصاوير نشان‌دهنده توزيع فاز خوب در نمونه‌ها بود. براي سنجش زيست‌فعالي، نمونه‌ها به مدت 3، 7 و 21 روز در محلول SBF غوطه‌ور شدند. تركيب‌هاي فسفات‌كلسيمي تشكيل‌شده توسط تصاوير تهيه‌شده با ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميدان (FE-SEM) بررسي شد كه مي‌توان گفت تمامي نمونه‌هاي كامپوزيت اين خاصيت را از خود نشان دادند. خواص آنتي‌باكتريال نمونه كامپوزيت 15/85 با آناليز كمي شمارش تعداد سلول زنده با استفاده از باكتري‌هاي اشريشيا‌كلي (E.coli) و استافيلوكوكوس‌اورئوس (S.aureus) ارزيابي شد. نتايج حاصله، وجود خواص مورد نظر را در نمونه كامپوزيت داراي ‌ هيدروكسي‌آپاتيت حاوي افزودني نقره تأييد كرد. براي بررسي خواص زيست‌سازگاري نمونه‌ها نيز از ‌آناليز MTT با كشت در سلول‌هاي استخواني (MG-63) استفاده شد.

1403/02/26

Study of mechanical properties and biocompatibility of Zirconia/Hydroxyapatite composite

3/2/2025 12:00:00 AM

In the present study, silver-doped hydroxyapatite was obtained by the co-precipitation method, and the YSZ part was accomplished the same way using yttrium nitrate as a stabilizer. Zirconia/Hydroxyapatite composites (YSZ/ HAp) were produced with weight proportions of 95/5, 90/10, 85/15, and 80/20, respectively. The samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), Archimedes’ principle, Fourier-transform infrared spectroscopy- attenuated total reflectance (FTIR-ATR), Vickers microhardness, scanning electron microscopy (SEM) and field emission scanning electron microscopy (FESEM). The bioactivity of the samples was examined by immersing them in simulated body fluid (SBF). The samples were tested for their antibacterial activities against E.coli (ATCC 25922) and S.aureus (ATCC 25923). Biological properties were examined by Viable cell count antibacterial and MTT tests. The XRD patterns of composites showed the major intensity of the zirconia phase and lower intensity of the hydroxyapatite phase, but the FTIR-ATR analysis confirmed the presence of hydroxyapatite. Dense composite materials were verified by way of Archimedes’ principle, where the YSZ/HAp 95/15 sample had lower apparent porosity (3.86%) and water absorption (0.74%). Vickers microhardness showed that composite material hardness decreased with the increase of hydroxyapatite, varying from 1286.6 to 698.6 HV. SEM images were possible to quantify the crack sizes in the indentations and to identify the elements present by EDS, while FESEM was applied to analyze the morphology of the powders and microstructure of the composites and the apatite formation on them. Among the composite studied, YSZ/HAp 85/ 15 and YSZ/HAp 80/20 samples were the compositions that demonstrated the best mechanical behavior with a fracture toughness of 8.1 and 8.4 MPa.m1/2, respectively. Antibacterial activity was observed for the samples as well.

بايو سراميك , زيركونياي پايدارشده با ايتريا , زيست‌سازگاري , هيدروكسي‌آپاتيت

Bioceramic , Yttria stabilized zirconia , Biocompatibility , Hydroxyapatite

faezeh esmaeilzadeh

hamidreza rezaie - jafar javadpour