بخشی از مقاله
چکیده
هدف از تحقیق حاضر تهیه ی شیشه ی بایواکتیو در سیستم SiO -CaO-P O به روش سل ژل و بررسی تأثیر روش ساخت بر خواص محصول نهایی است. در روش اول برای تهیه نمونه به صورت همزمان و در جا - in-situ - ، تترااتیل اورتوسیلیکات در حضور اسید نیتریک در اتانول هیدرولیز شد. سپس تری اتیل فسفات و در انتها کلسیم نیترات حل شده در اتانول به آن اضافه شد. pH محلول به مقدار مناسب رسانده شد. در روش دوم به منظور تهیه نمونه به صورت مجزا - ex-situ - ، هیدرولیز تترااتیل اورتوسیلیکات و تری اتیل فسفات به صورت جداگانه صورت گرفت و کلسیم نیترات به تری اتیل فسفات اضافه شد. پس از آن دو محلول به یکدیگر اضافه شدند. سل های به دست آمده از هر دو روش ابتدا ژل شدند و سپس با فرآیند مناسب خشک گردیدند. براساس نتایج آنالیز حرارتی افتراقی - DTA - ، نمونه های حاصل در دماهای متفاوت با نرخ 5 œC/min تحت عملیات حرارتی قرار گرفت. برای ارزیابی نمونه ها از آنالیزهای پراش پرتو ایکس - XRD - ، طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه - FTIR - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - استفاده شد. نتایج به دست آمده از آنالیزهای XRD و FTIR حاکی از مؤثر بودن فرآیند تهیه بر ترتیب و نوع فازهای متبلور شده ی نهایی می باشد و در نمونه های in-situ باندهایی که در عددهای موج پایین تر بودند به سمت چپ تغییر مکان داشتند که دلالت بر ایجاد پیوندهای شیمیایی بین سیلیس و ترکیبات کلسیم فسفات است. طبق نتایج XRD عملیات حرارتی در دماهای بالاتر و مدت زمان بیشتر منجر به تجزیه هیدروکسی آپاتیت به کلسیم فسفات و سیلیکات کلسیم می شود. نتایج SEM، نشان دهنده ی یکسان بودن مورفولوژی فازها در همه ی نمونه های سنتز شده بود. اما ابعاد فازهای کریستالین و مقدار فازهای بلورین به صورت ویژه ای در نمونه ها با یکدیگر تفاوت داشت.
کلمات کلیدی: شیشه های زیست فعال، سل ژل، in-situ، ex-situ
مقدمه
مواد زیستی، موادی با کاربرد های پزشکی هستند که به منظور تعامل با سیستم های بیولوژیکی استفاده می شوند. مواد بایواکتیو، دسته ای از مواد زیستی هستند که توانایی چسبندگی شیمیایی به بافت ها را دارند.[1] تشکیل استخوان و کنترل رشد معدنی و باکتریایی آن، از موضوعات چالش برانگیز از زمان ساخت مواد پزشکی است.[2] شیشه های بایواکتیو به دلیل دارا بودن خواصی از جمله بایواکتیویته، قابلیت جذب مجدد، تولید و هدایت استخوان، محدوده ی وسیعی از کاربردها را از قبیل ایمپلنت ها برای نقایص استخوانی، ترمیم و جایگزینی بافت های آسیب دیده، آماده سازی داربست جهت پیوند استخوان و نیز به عنوان مواد پوشش روی ایمپلنت ها دارند.[2 ,1] شیشه های کلسیم سیلیکات و سیستم های سه تایی SiO -CaO-P O با مقدار کم P O ، توجه زیادی را به عنوان مواد بایواکتیو به خود جلب کرده اند. این مواد قادر به تشکیل پیوندی محکم با استخوان های زنده هستند زیرا محصولات حاصل از تجزیه ی آن ها - یون های سیلیکا و کلسیم قابل حل - توانایی شبیه سازی استخوان سازی در محل ایمپلنت و ترویج رشد بافت استخوان دارند.[3] سنتز شیشه های بایواکتیو به دو روش عمده صورت می گیرد: روش ذوب و ریخته گری و فرآیند سل ژل. شیشه های بایواکتیو تهیه شده به روش سل ژل خاصیت بایواکتیو بودن بیشتری را نسبت به روش ذوب و ریخته گری در یک ترکیب مشابه نشان می دهند. شیشه های بایواکتیو تهیه شده به روش ذوب، از طریق مخلوط کردن مواد معدنی به دست می آیند و این مخلوط به یک مایع ذوب شده ی همگن تبدیل می شود.این روش معایبی دارد از جمله دسترسی به خلوص بالا که مربوط به درجه حرارت بالا به منظور ذوب و اختلاط است.[4] شیشه هایی که به روش سل ژل تهیه می شوند نسبت به روش متداول ترکیبات ساده تری دارند و هم بندی با استخوان در این شیشه ها به علت ساختار متخلخل آن ها بیشتر است.[5] قابلیت واکنش های سطحی شیشه های بایواکتیو با یون های حاضر در مایعات بیولوژیکی، منجر به شکل گیری یک لایه از کربنات آپاتیت که از نظر شیمیایی و ساختاری معادل با فاز معدنی استخوان است، می شود که فصل مشترکی مناسب جهت اتصال با استخوان را فراهم می کند. اگر چه این لایه ی آپاتیت می تواند در حین ساخت شیشه متبلور شود.[6 ,4] هیدروکسی آپاتیت یکی از مهم ترین مواد مطرح در اورتوپدی و دندان پزشکی است و در پزشکی به صورت های مختلفی از جمله پودر، کامپوزیت و حتی پوشش کاربرد دارد.[7] واکنش سل ژل توسط پارامتر های زیادی از جمله ساختار و غلظت واکنش دهنده ها، حلال ها، کاتالیزور و همچنین نرخ حذف حلال تحت تأثیر قرار می گیرد. به عنوان مثال خواص ماده به انتخاب کاتالیست وابسته است.[3] لازم به ذکر است که خاصیت بایواکتیو بودن شیشه ها به اندازه ی ذرات، مورفولوژی، خصوصیات سطح و ریز ساختار ماده بستگی دارد.[8] تحقیقات زیادی بر روی مشخصات خواص بیولوژیکی این دسته از مواد به خصوص ارتباط بین ساختار و این خواص متمرکز شده است. عملیات حرارتی روی ساختار شیشه و خواص بیولوژیکی آن تأثیر می گذارد به طوری که دماهای بالا منجر به تشکیل ولاستونیت، تری کلسیم فسفات و سایر فازهای کلسیم سیلیکات/فسفات می شود.[3] وجود مقادیر زیاد سیلیس در شیشه های بایواکتیو، علاوه بر این که باعث بهبود چسبندگی سلولی می شود، پایداری شیمیایی را افزایش می دهد. علی رغم تحقیقات وسیع صورت گرفته در مورد خواص زیستی و شیمیایی این دسته از شیشه ها، تاکنون تاثیر روش ساخت بر روند تبلور آنها مورد بررسی قرار نگرفته است. به همین علت در این تحقیق 3 ترکیب متفاوت از شیشه های بایو حاوی مقادیر قابل توجه سیلیس انتخاب گردید و تاثیر جزییات روش سل - ژل و دمای عملیات حرارتی بر روند تبلور آنها مطالعه گردید.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از TEOS - تترااتیل اورتو سیلیکات - Merck - - - C H O - Si ، TEP - تری اتیل فسفات - Merck - - C H O P و کلسیم نیترات - Merck - - CaN O *4H O - به ترتیب به عنوان منبع SiO، P O و CaO استفاده شد. برای تهیه نمونه های نهایی مقادیر مختلف تئوس به ازای یک نسبت ثابت کلسیم به فسفر - Ca/P 1 67 - به کار رفت. جدول شماره - 1 - مقدار مصرفی تئوس و کد نمونه های تهیه شده را نشان می دهد. به منظور بررسی تاثیر روش ساخت بر روی خواص و ریز ساختار، نمونه ها به دو صورت in-situ و ex-situ آماده شدند. در ساخت نمونه های in-situ منبع کلسیم به سل حاصل از مخلوط TEOS و TEP اضافه شد سپس برای فراهم کردن شرایط تشکیل هیدروکسی آپاتیت، pH به 11 رسانده شد. اما در نمونه های ex-situ سل های TEOS و TEP به صورت مجزا هیدرولیز و آماده شدند و منبع کلسیم به سل TEP اضافه شد و افزایش pH صورت گرفت و در نهایت سل ها با هم مخلوط شدند. در هر دو نوع نمونه جهت هیدرولیز از اتانول و مقداری آب دیونیزه و اسید نیتریک به عنوان کاتالیزور به منظور سرعت بخشیدن به واکنش استفاده شد. به منظور هیدرولیز TEOS نسبت حجمی اتانول به آن 3 به 1 و در نمونه های ex-situ برای انجام هیدرولیز مجزای TEP، نسبت حجمی اتانول به TEP، 10 به 1 در نظر گرفته شد. در هر دو روش ساخت، سل های حاصل به ژل تبدیل شدند. برای age نمونه ها 12 روز در نظر گرفته شد. سپس نمونه ها یک روز در دمای 70 درجه ی سانتی گراد و یک روز هم در دمای 150 درجه ی سانتی گراد خشک شدند. پودر های حاصل در دماهای 500 و 700 و 1100 درجه ی سانتی گراد عملیات حرارتی شدند. برنامه عملیات حرارتی به صورت دو مرحله ای در نظر گرفته شد و کلیه نمونه با سرعت گرمایش مشخصی تا 600 درجه سانتی گراد حرارت داده شدند و پس از 3 ساعت نگهداری در این دما تا دمای نهایی حرارت داده شده و سپس تا دمای اتاق در کوره سرد شدند. با توجه به نوع دمای عملیات حرارتی زمان نگهداری نمونه در دمای نهایی 3، 6 و 12 ساعت انتخاب گردید. تست های XRD، DTA و FTIR انجام شد. آزمون ;5 جهت آنالیز فازی، توسط دستگاه پرتو پراش - x-ray Tube:Cu LFF - PHILIPS PW1730 - - 1/ 540598 $، آنالیز حرارتی افتراقی - - Selb , Germany - 7$ - NETZSCH Gerätebau به منظور تعیین دمای تحولات و دستیابی به برنامه ی مطلوب عملیات حرارتی
