20160

2305 دكتري

دكتري

مجموعه مهندسي مواد

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1403

دوازده، 100ص. : مصور، جدول، نمودار

1403/12/13

كتابنامه

مهندسي مواد و متالورژي

مهندسي مواد

1403/12/13

23092126

به منظور بهبود عملكرد زيستي و كنترل نرخ تخريب آلياژ منيزيمAZ31، پوشش‌ اكسيدي حاوي نانوذرات شيشه زيست فعال (BG) با استفاده از روش پوشش دهي اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي (PEO) روي سطح آن ايجاد شد. بدين منظور، ابتدا نانوذرات BG از طريق روش سل-ژل سنتز و سپس با پلي دوپامين (BG/PDA) اصلاح سطح شدند. در ادامه، نانوذرات با و بدون اصلاح سطح در يك الكتروليت قليايي فسفاتي پراكنده و سپس توسط فرايند PEO تحت شكل موج‌هاي تك‌قطبي و دوقطبي وارد تركيب پوشش شدند. بررسي مورفولوژي سطحي توسط SEM نشان داد كه تمامي پوشش‌ها داراي سطحي متخلخل به شكل دهانه‌هاي آتشفشاني هستند. پوشش PEO توليد شده تحت شكل موج تك قطبي داراي ميكروحفرات بزرگ‌تري است. در شكل موج دوقطبي، اعمال چرخه‌ كاتدي به دو دليل كاهش شدت تخليه در هر چرخه آندي و همچنين تصادفي‌سازي شكست‌هاي آندي باعث كاهش اندازه حفرات شده است. با افزودن نانوذرات BG در الكتروليت، اين نانوذرات در ميكروحفرات پوشش‌ نفوذ كرده‌اند. نانوذرات BG به دليل بار سطحي منفي در حين فرايند به طور مؤثر به سمت الكترود مثبت (آند) سوق داده شده‌اند اما به دليل تمايل بالاي نانوذرات BG به آگلومره شدن، ميزان ورود آن‌ها به پوشش كم است. برهمكنش PDA با سطح نانوذرات BG، پايداري آن‌ها در الكتروليت را بهبود بخشيده و منجر به مشاركت بيشتر آن‌ها در پوشش شده است. بيشترين ميزان ورود نانوذرات BG/PDA به پوشش‌ها در شكل موج دوقطبي به دليل وجود هر دو بار سطحي منفي و مثبت نانوذرات BG/PDA بوده است. نتايج آناليز عنصري به وضوح نشان داد كه با افزودن نانوذرات BG/PDA، ميزان عناصر كلسيم و سيليسيم ناشي از تركيبات BG در پوشش‌ها به ويژه تحت شكل‌موج دوقطبي به‌طور قابل‌توجهي افزايش يافته است كه حاكي از ورود بيشتر نانوذرات BG/PDA به درون پوشش است. بررسي الگوي XRD پوشش‌ها نشان داد كه پوشش‌هاي PEO حاوي نانوذرات در مقايسه با پوشش‌هاي بدون نانوذره تغييري نكرده و داراي هيچ پيكي مربوط به فاز BG نيستند. بنابراين حضور پيك پهن مربوط به ساختار آمورف نشان مي‌دهد نانوذرات BG و BG/PDA در طي فرآيند پوشش‌دهي كريستاله نشده و ساختار آمورف خود را حفظ كرده‌اند. اندازه‌گيري زبري و زاويه تماس پوشش‌ها نشان مي‌دهد كه پوشش رشد يافته در حضور نانوذرات BG/PDA تحت شكل موج دوقطبي، بيشترين زبري حدود 76/1 ميكرومتر و كمترين زاويه تماس برابر با 30 درجه را نشان مي‌دهد كه منجر به بهبود عملكرد زيستي و ترويج تكثير سلولي مي‌گردد. آزمون¬هاي برون¬تني نشان مي¬دهد كه ورود نانوذرات BG و BG/PDA عملكرد زيست فعالي پوشش¬ها را افزايش داده و تشكيل هيدروكسي آپاتيت را در سطح پوشش تسهيل مي¬كنند و پوشش داراي بيشترين مشاركت نانوذرات BG/PDA، نسبت كلسيم به فسفر 45/1 كه به نسبت استوكيومتري كلسيم به فسفر هيدروكسي‌آپاتيت بسيار نزديك است را نشان مي‌دهد. ارزيابي عملكرد خوردگي توسط آزمون طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي در محلول بافر فسفات نشان داد كه تمامي پوشش‌ها داراي عملكرد سدي بوده، اما پوشش‌هاي حاوي نانوذرات BG/PDA كمترين ميزان تخريب را در طي غوطه‌وري طولاني‌مدت نشان دادند، بطوريكه اين پوشش‌ها بالاترين مقاومت پلاريزاسيون حدود kΩ.cm²12 را پس از 28 روز غوطه‌وري ارائه دادند. در ادامه، جهت عملكرد آنتي‌باكتري اين پوشش¬ها، داروي جنتامايسين سولفات (GS) به دو روش مختلف بارگذاري در حين پوشش¬دهي PEO (BG/PDA/GSPEO) و بارگذاري پس از فرايند پوشش¬دهي از طريق روش غوطه‌وري (BG/PDA/GSDIP) انجام شد. نتايج نشان داد كه پوشش‌هاي حاوي GS به طور قابل توجهي رشد باكتري‌ها را مهار كرده، بطوريكه پس از 24 ساعت كشت باكتري E. coli روي پوشش BG/PDA/GSPEO تعداد 8 كولني و روي پوشش BG/PDA/GSDIP تنها 1 كولني توانستند رشد نمايند. اين دو پوشش روند رهايش داروي دوگانه‌اي را نيز نشان مي‌دهند كه براي جلوگيري از عفونت كاشتني در مراحل مختلف ضروري است. پوشش BG/PDA/GSPEO طي پنج روز به طور پيوسته GS را آزاد كرده، در حالي كه BG/PDA/GSDIP يك انتشار اوليه سريع را براي اثرگذاري آنتي‌باكتري فوري نشان داد. نتايج بررسي كشت سلولي نيز نشان داد كه پوشش‌هاي داراي نانوذرات BG/PDA بالاترين زنده‌ماني و سازگاري سلولي را ارائه نموده و داروي GS موجب سميت سلولي نشده‌ است. اين پژوهش بر پتانسيل پوشش‌هاي كامپوزيتي BG/PDA/GS براي بهبود نتايج باليني كاشتني¬هاي ارتوپدي بر پايه آلياژ منيزيم با ارائه عملكرد خوردگي مطلوب، حفاظت آنتي‌باكتري قوي و فعاليت زيستي تأكيد مي‌كند.

Magnesium alloys are promising candidates for next-generation biodegradable biomaterials. However, their poor corrosion resistance has limited their medical applications. In this study, to improve the bioactivity performance and control the degradation rate of an AZ31 Mg alloy, anodic oxide coatings containing bioactive glass (BG) were created on the alloy using plasma electrolytic oxidation (PEO). First, BG nanoparticles were synthesized through the sol-gel method and surface-modified with polydopamine (BG/PDA). These nanoparticles were then dispersed in the electrolyte and incorporated into the coatings grown using unipolar and bipolar waveforms. According to EDS results, the incorporation of BG/PDA nanoparticles was higher when the bipolar waveform was applied. Electrochemical impedance spectroscopy revealed that the coatings enhanced the corrosion resistance of the AZ31 Mg alloy by approximately 25 times, with the BG/PDA nanoparticle-containing coatings demonstrating the lowest degradation rate during long-term immersion with the total resistance of 11942 Ω.cm2 after 28 days immersion. The incorporation of BG and BG/PDA nanoparticles enhanced the bioactivity performance of the coatings, facilitating hydroxyapatite formation on the coating surface and can promote bone regeneration. Based on the results, the newly developed BG/PDA coated alloy shows promising potential for biomedical applications. Furthermore, to provide antibacterial protection against pathogens such as Escherichia coli, two gentamicin sulfate (GS) loading approaches were investigated: in situ loading during PEO (BG/PDA/GSPEO) and post-loading via dipping (BG/PDA/GSDIP). The GS-loaded coatings demonstrated antibacterial efficacy through a dual-release profile, which is crucial for preventing infections at different stages. The BG/PDA/GSPEO coating released GS steadily over five days, whereas the BG/PDA/GSDIP coating exhibited an initial burst release, ensuring immediate antibacterial action. The results of the cell culture study showed that coatings containing BG/PDA nanoparticles exhibited the highest cell viability and biocompatibility, and the GS drug did not cause cytotoxicity. This research highlights the potential of BG/PDA/GS composite coatings for orthopedic implants and implant-related fields.

كيوان رئيسي

شيدا لباف

مسعود عطاپور , رحمت اله عمادي , مريم احتشام زاده