مقاله ساخت بایو کامپوزیت پلی کاپرولاکتون ، پلی لاکتیک اسید ، هیدروکسی آپاتیت و بررسی خواص مکانیکی آن به منظور ساخت داربست استخوان مصنوعی

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه امراض استخوان با توجه به بالا رفتن متوسط سن افراد از معضلات مهم به شمار میرود. با توجه به مشکلات موجود، محققین به تازگی استفاده از مواد مصنوعی کامپوزیتی را جایگزین مواد پیوند سنتی مورد استفاده در پیوند استخوان کردهاند. پلیمرهای پلی-کاپرولاکتون - PCL - و پلی لاکتیک اسید - PLA - ، هر دو با خاصیت زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری بالا از ویژگیهای مناسبی جهت استفاده به عنوان مواد مصنوعی استخوان برخوردارند. هیدروکسی آپاتیت - HA - نیز که یکی از مواد اصلی تشکیل دهنده استخوان میباشد خاصیت زیست فعالی در بدن داشته که به رشد استخوان کمک میکند. در این تحقیق کامپوزیت زیست سازگار، متشکل از PCL، PLAو HA در درصدهای مختلف ساخته و عملکرد مکانیکی آن مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که بایو کامپوزیت PCL-PLA/HA گزینهای مناسب به منظور به کارگیری به عنوان استخوان مصنوعی میباشد.

کلمات کلیدی: بایو کامپوزیت HA/PCL/PLA، استخوان مصنوعی، زیست سازگار، زیست تخریب پذیر، زیست فعال

.1 مقدمه

در میان انواع موادی که در ساخت ایمپلنت ها و داربست های استخوان مصنوعی میتوان از آنها استفاده نمود، کامپوزیتهای پلیمر-سرامیک از جایگاه ویژهای برخوردار هستند. لذا بخش قابل توجهی از پژوهشها در مهندسی بافت استخوان بر روی مواد کامپوزیتی با زمینه پلیمری تمرکز یافته است. تحقیقات نشان داده که با بکارگیری سرامیکها، به-خصوص سرامیکهای کلسیم فسفاتی همچون هیدروکسی آپاتیت، در کنار مواد پلیمری، علاوه بر امکان حصول خواص مکانیکی بهتر، درجه زیست سازگاری و قابلیت استخوانسازی داربست نیز به میزان چشمگیری افزایش خواهد یافت. سرامیک های زیست فعال و پلیمرهای مختلفی در ساخت داربست های مهندسی بافت استخوان به کار می روند. سرامیکهای زیست فعال ترکیب شیمیایی مشابه استخوان دارند لیکن ذاتا ترد و شکننده هستند؛ به همین دلیل، به منظور غلبه بر تردی سرامیک ها از کامپوزیت آن با پلیمرها استفاده می شود، در این راستا از پلیمرهای مصنوعی همچون پلیکاپرولاکتون - PCL - ، پلیلاکتیک اسید - PLA - و پودر سرامیکی هیدروکسی آپاتیت - HA - در این پژوهش استفاده شده است 1]،.[2

پلی لاکتیک اسید - PLA - یکی از پلیمرهای مصنوعی است که به طور گسترده ای در محصولات زیست پزشکی استفاده می شود، برای مثال به عنوان حامل دارو، غشاء، ارتوپدی، استنت ها و داربست برای مهندسی بافت استفاده می شود. پلی لاکتیک اسید مولکولی کروی است که به چهار پلیمر با مورفولوژی های مختلف تقسیم می شود: پلی دی لاکتیک اسید، پلی ال لاکتیک اسید، پلی دی ال لاکتیک اسید و پلی مزو لاکتیک اسید. با تنظیم نسبت این پلیمرها، وزن مولکولی و کسری از بلورینگی می توان خواص مکانیکی را تنظیم کرد، به طور خاص، پلی ال لاکتیک اسید پلیمری است که بیشترین استفاده را دارد زیرا تخریب آن یک فرایند هیدرولیتیکی است 3]،.[4 پلی ال لاکتیک اسید - PLLA - نیمه بلورین است و دمای انتقال شیشه ای - Tg - در محدوده 50-65 درجه سانتیگراد دارد و دمای ذوب - Tm - آن حدود170-190 درجه سانتیگراد است.

از طرف دیگر، پلی دی لاکتیک اسید - PDLA - پلیمری آمورف با دمای انتقال شیشه ای - Tg - در محدوده 50- 60 درجه سانتیگراد است. تخریب PLA بصورت شکست غیر آنزیمی باندهای استری است. واکنش اتوکاتالیستی با حذف CO2 و H2O پایان می یابد .[3] یکی از آسیب های اصلی تخریب PLA، انتشار اسید لاکتیک است - به علت شکست باندهای استری - که باعث اسیدی شدن محیط اطراف می شود 6]و .[5 پلی کاپرولاکتون یک پلی استر نیمه بلورین است و در طیف وسیعی از حلالهای آلی قابلیت انحلال دارد، نقطه ذوب بین 55 تا 60 درجه سانتی گراد و دمای انتقال شیشه ای آن -60 درجه سانتی گراد می باشد. این پلیمر با تخریب هیدرولیتیکی به علت وجود اتصالات مستعد تخریب خطی استری فرسوده می شود. اگرچه نرخ تخریب در آن آهسته و 2 تا 3 سال است.

پلی کاپرولاکتون مقاومت کششی پایین در حدود 23MP دارد ولی کرنش نهایی آن بسیار بالا است. به علت زیست سازگاری بسیار عالی، پلی کاپرولاکتون برای کاربردهای داربستی در مهندسی بافت در حال استفاده است8]و .[7یکی از پرمصرف ترین کلسیم فسفات در ساخت و تولید کاشتنی، هیدروکسی آپاتیت - - HA با فرمول شیمیایی [Ca10 - PO4 - 6 - OH - 2] است. این ماده خواص خوبی به عنوان بیو ماده از خود نشان می دهد که شامل سازگاری زیستی، خنثی بودن شیمیایی، فعالیت زیستی، همبندی با استخوان و پیوند مستقیم با استخوان است.[9] در این پژوهش ابتدا بایوکامپوزیت PLA/PCL/HA در ترکیب درصدهای مختلف توسط دستگاه مخلوط کن داخلی ساخته شد و در ادامه کار خواص مکانیکی نمونه ها اندازه گیری و با خواص مکانیکی استخوان مقایسه شد.

.2 فعالیت های تجربی

.1-2 مواد اولیه
در این پژوهش از PCL - M w= 50000 g/mol - و PLA - M w= 50000 g/mol - خریداری شده به ترتیب از شرکت بسپار تجهیز یاران و شرکت ایرانیان ایستا پلیمر شریف، استفاده شده است.پودر هیدروکسی آپاتیت از استخوان فمور گاو تهیه شد. اندازه ذرات پودر HA حدود 300-500 نانومتر میباشد.

.2-2 ساخت کامپوزیت
در این پژوهش برای ساخت کامپوزیت PLA/PCL/HA، از دستگاه مخلوط کن داخلی شرکت برابندر 1 آلمان مدل W50 با روتور غلتکی در پژوهشگاه پلیمر ایران، استفاده شد. قبل از اختلاط، برای حذف رطوبت، مواد به مدت 24 ساعت تحت خلاء در دمای 50 درجه سانتیگراد در آون قرار داده شدند. مواد درون مخلوط کن داخلی با دمای ثابت 150 درجه سانتیگراد و سرعت روتور 60 دور بر دقیقه ریخته شد. مواد - PLA,PCL,HA - به مدت 10 دقیقه مخلوط شدند. پس از خارج کردن مواد از دستگاه مخلوط کن داخلی، مواد در دمای اتاق و تحت فشار اتمسفر سرد شدند. در جدول شماره 1، درصد وزنی نمونه های کامپوزیت PLA/PCL/HA مشخص شده است.        

.3-2 ساخت نمونه های آزمون فشار
برای ساخت نمونههای آزمون فشار از دستگاه پرس گرم2 شرکت تویوسیکی 3 ژاپن مدل WCH استفاده شد. نمونهها تحت دمای ثابت 150 درجه سانتیگراد و فشار 2 MPa به مدت 10 دقیقه ذوب و سپس تحت همان فشار تا دمای محیط سرد شدند.

-3 خواص مکانیکی

در این پژوهش برای بررسی خواص مکانیکی نمونه های کامپوزیتی، از آزمون فشار استفاده شد.

.1-3 آزمون فشار

نمونههای آزمون فشار براساس استاندارد ISO 604 آماده شد. طول و قطر نمونههای آزمون فشار به ترتیب 15 و 10 میلیمتر بود. آزمون فشار با دستگاه شرکت سنتام ایران مدل STM-150 با سرعت 3 میلیمتر بر دقیقه انجام شد.

.4 نتایج و بحث

.1-4 آزمون فشار و بررسی خواص مکانیکی

نتایج حاصل از آزمون فشار برای نمونه های کامپوزت PLA/PCL/HA با ترکیب درصدهای مختلف درجدول شماره 2 آورده شده است. این نتایج شامل مدول و استحکام فشاری هر نمونه با ترکیب درصدهای مختلف است. همچنین مدول و استحکام فشاری حاصل از آزمون فشار به ترتیب در نمودارهای شکل 2 و 3 نیز نشان داده شده است.