بخشی از مقاله
چکیده
ولاستونیت یک بیوسرامیک کلسیم سیلیکاتی است که زیست فعالی و زیست سازگاری بالایی دارد. با این وجود به دلیل سرعت زیست تخریب پذیری بالا و استحکام پایین به تنهایی درون بدن کاربرد ندارد. تحقیقات نشان داده است که با دوپ کردن عناصری مانند روی، سدیم، مس و زیرکونیوم در ولاستونیت میتوان تا حدودی به خواص مکانیکی مناسبتری رسید و همزمان نرخ تخریب- پذیری را نیز کاهش داد. با توجه به اینکه منیزیم در مقادیر کم در بدن اثرات نامناسب ندارد و مفید نیز میباشد، در پژوهش حاضر تاثیرات دوپ کردن ولاستونیت با منیزیم و معرفی ولاستونیت دوپ شده با منیزیم جهت کاربردهای مهندسی بافت بررسی شده است. بدین منظور کلسیم موجود در ساختار ولاستونیت با 10 درصد مولی منیزیم جایگزین شد. در ادامه، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و پراش پرتو ایکس - XRD - برای بررسی مورفولوژی و ترکیبات فازی به کار گرفته شد. نتایج SEM نشان داد که در سطح ولاستونیت دوپ شده با منیزیم، آپاتیت بیشتری در مقایسه با ولاستونیت تشکیل شده است و زیستفعالی بالاتری دارد. نتایج استحکام فشاری نشان داد که استحکام ولاستونیت دوپ شده با منیزیم بشدت بهبود یافته و به حدود 4 برابر استحکام ولاستونیت رسیده است. همچنین نرخ تخریبپذیری ولاستونیت دوپ شده با منیزیم نسبت به ولاستونیت به میزان مناسبی کاهش یافت.
واژههای کلیدی: بیوسرامیک، ولاستونیت، استحکام، زیست تخریبپذیری، منیزیم، ولاستونیت دوپ شده با منیزیم
-1 مقدمه
به طور کلی بیومتریالها در سه دسته بیوفلزات، بیوسرامیکها و بیوپلیمرها تقسیم بندی میشوند. در میان این مواد بیوسرامیکها به دلیل خصوصیات بیولوژیکی منحصر به فرد و همخوانی نزدیکی که با محیط فیزیولوژیکی بدن دارند از اهمیت ویژهای برخوردار شدهاند. در چهار دهه گذشته انقلاب عظیمی در استفاده از سرامیکها در پزشکی به خصوص جهت کاربردهای ارتوپدی رخ داده است. بیوسرامیکها از نقطه نظر خصوصیات سازگار با بدن و خواص مکانیکی از جایگاه رفیعی برخوردار هستند و تنها نکتهای که کاربرد آنها را محدود می سازد تردی آنهاست. به همین دلیل برای استفاده از خواص بیوسرامیکها در مهندسی پزشکی و مهندسی بافت به صورت گسترده از کامپوزیت سازی و دوپ کردن استفاده میشود.[1] مطالعات گذشته نشان داده است که سرامیکهای حاوی CaO-SiO2 قابلیت زیست فعالی بالایی دارند و خواص مکانیکی آنها متوسط میباشد. هم چنین با غوطهوری این سرامیکها در محلول شبیه سازی شدهی بدن 1 - SBF - جابجایی یونی بین یونهای کلسیم سرامیک و یونهای H+ در محلول سبب تشکیل گروههای - Si-OH- - در سطح سرامیک شده که نتیجهی آن افزایش pH و ایجاد بار منفی - Si-OH- - در سطح است.[2]
از میان سرامیکهای سیستم CaO-SiO2 میتوان به بتا ولاستونیت - CaSiO3 - 2 آلفا ولاستونیت -CaSiO3 - - ، دی-کلسیمسیلیکات - Ca2SiO4 - و تریکلسیمسیلیکات - Ca3SiO5 - اشاره کرد. کلسیم سیلیکات ولاستونیت با فرمول CaSiO3 شامل %48/3 CaO و %51/7 SiO2 میباشد و زیست فعالی و زیست سازگاری بالایی دارد که زیست فعالی آن به دلیل تشکیل باندهای Si-OH در معرض محلول شبیه سازی شده بدن میباشد، اما به دلیل سرعت تخریبپذیری بالا که در اثر رهایش بیشتر یون کلسیم رخ میدهد، درون بدن و کنار بافت استخوان کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین استحکام و چقرمگی شکست پایینی دارد بنابراین نمیتواند در کاربردهای پزشکی به اندازهی کافی مفید واقع شود. ولاستونیت از نظر ساختاری در دو شکل کاملا متفاوت وجود دارد. فاز پایدار در دمای بالای 1150 0C یک سیلیکات حلقوی است که پزدوولاستونیت یا -α ولاستونیت نامیده میشود که از حلقه های چهاروجهی SiO4 با سه گوشه مشترک تشکیل میشود. زیر دمای 1150 0C ، CaSiO3 شامل زنجیرهایی از چهاروجهی های SiO4 است که - ولاستونیت یا ولاستونیت نامیده میشود و بیشتر از پزدوولاستونیت در بیومواد کاربرد دارد.[3]
برای تقویت ساختار و رسیدن به استحکام مکانیکی مورد نظر، با دوپ کردن عناصری مانند روی، سدیم، مس و زیرکونیوم در ولاستونیت میتوان تا حدودی به خواص مکانیکی مناسبتری رسید و همزمان نرخ تخریبپذیری را نیز کاهش داد.[4-7] عنصر منیزیم به دلیل نقش کلیدی که در مغذی کردن استخوان و سوخت و ساز مواد معدنی دارد، اهمیت بسیاری در بدن انسان دارا میباشد. همچنین عنصر منیزیم ویژگیهای فیزیکی،شیمیایی و حرارتی شیشه و سرامیکهای زیستفعال را بهبود میبخشد و اصلاح میکند. بنابراین وجود منیزیم در بدن انسان نه تنها مضر نیست بلکه مفید نیز میباشد. در این مقاله هدف دوپ کردن منیزیم در ساختار ولاستونیت به روش سل ژل میباشد. به این صورت که %10 مولار منیزیم با کلسیم در حین سنتز ولاستونیت جایگزین میشود.[8] انتظار میرود ولاستونیت دوپ شده با منیزیم نسبت به ولاستونیت،خواص مکانیکی بالاتر و نرخ تخریبپذیری مناسبتری داشته باشد.
-2 مواد و روش تحقیق
-1-2 مواد
مواد مصرفی در تحقیق حاضر شامل : کلسیم نیترات - Merck - تترا اتیل اورتو سیلکات - TEOS, Merck - منیزیم نیترات - Merck - و نیتریک اسید میباشند.
-2-2 سنتز پودر ولاستونیت
ابتدا TEOS به همراه آب با نسبت مولی 4/1 با HNO3 مخلوط میشود. نیتریک اسید 2M به عنوان کاتالیزور با نسبت مولی HNO3 به TEOS برابر 0/03 استفاده گردید. پس از هم- زدن به مدت نیم ساعت روی همزن مغناطیسی کلسیم نیترات به مخلوط اضافه شده و به مدت نیم ساعت دیگر هم زده می شود. سپس مخلوط به مدت سه روز در آون دمای 60 درجه سانتیگراد پیرسازی شده و یک روز در دمای 120 درجه خشک میشود. سپس پودر به مدت نیم ساعت در دمای 700 درجه و یک ساعت در دمای 1100 ℃ قرار گرفته تا فاز کامل بتاولاستونیت تشکیل گردد. همچنین جهت حصول ذرات نانومتری پودر حاصله به مدت 10 ساعت در آسیاب مکانیکی تحت کرنش قرار گرفت.
3-2 سنتز پودر ولاستونیت دوپ شده با منیزیم
تمامی مراحل سنتز ولاستونیت تکرار میشود اما پس از اضافه کردن کلسیم نیترات و هم خوردن به مدت نیم ساعت، مقدار %10 مولار منیزیم نیترات - 0/511گرم - ، به محلول اضافه میشود و باز هم به مدت نیم ساعت محلول هم زده میشود. سپس پیرسازی، خشک کردن و سینترینگ مانند سنتز ولاستونیت انجام میشود.
-4-2 مشخصه یابی نانوپودر ولاستونیت و ولاستونیت دوپ شده با منیزیم
به منظور فازیابی پودر تولیدشده، آزمون پراش پرتو ایکس - Philips xpert- MPD system - انجامشد. الگوهای پراش پرتو ایکس، با استفاده از لامپ CuK با طول موج 0/154 nm = در 40 کیلو ولت و 30 میلیآمپر انجامگرفت. هریک از فازها و اجزاء سازنده آن از طریق مقایسه زاویه و شدت پیکهای پراش با اطلاعات موجود در کارتهای استاندارد مشخص و تعیینشد. مورفولوژی و شکل ظاهری و توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM Phillips XL 30 - بررسیشد. زیستفعالی نمونهها با غوطهوری آنها در SBF به مدت 7 و 28 روز بررسی گردید. به منظور بررسی استحکام مکانیکی از دستگاه تست فشار - - Hounsfield, H25KS با نیروی 3KN و نرخ 5 mm/min استفاده شد. نرخ تخریب نمونه ها با غوطهوری آنها در تریس بافر - Tris buffer 2M - به مدت 3،2،1 و 4 هفته و اندازهگیری درصد وزن از دست رفته بررسی شد.
-3 نتایج و بحث
-1-3 آنالیز فازی و مشخصه یابی نانو پودر ولاستویت و ولاستویت- منیزیم
مقایسه الگوی پراش پرتو ایکس و کارت - JCPDS - #84-0655 نشان میدهد که فاز خالص بتا ولاستونیت تشکیلشدهاست. در شکل 1 - الف - الگوی پراش پرتو ایکس مربوط به ولاستونیت آمده است. تشکیل ولاستونیت یک فرآیند دو مرحلهای را طی میکند که در مرحله اول لارنیت - CaSiO3 - ظاهر شده و سپس با سیلیس اضافی واکنش داده ولاستونیت - بتا ولاستونیت - در دماهای پایین و آلفا ولاستونیت - چند شکلی سیلیکوسیلیکات در دماهای بالاتر - را تشکیل میدهد.[3] شکل 1 - ب - الگوی پراش پرتو ایکس ولاستونیت دوپ شده با منیزیم را نشان میدهد. کای1 و همکارانش در پی دوپ کردن نقره در اکسید منیزیم نشان دادند که عدد اتمی عنصر دوپ شده، بر میزان حل شدن آن و جابجایی پیکهای XRD تاثیرگذار است. به این صورت که اگر عدد اتمی عنصر دوپ شده کمتر از عدد اتمی عنصر میزبان باشد، حلالیت افزایش یافته و در زوایای بالاتر پیک ها ظاهر میشوند.[9] در این پژوهش با توجه به اینکه عدد اتمی منیزیم - - 12 کوچکتر از عدد اتمی کلسیم - - 20 میباشد بنابراین انتظار میرود که پیکها به سمت راست منتقل شوند. همانظور که در شکل 1 مشخص است با دوپ کردن منیزیم در ولاستونیت، پیکها اندکی به سمت راست منتقل شدهاند.
