توصيفگر ها :
منيزيم , چاپگر سه بعدي , پوشش بيوكامپوزيت , اكسيداسيون ميكروقوسي , پليكاپرولاكتون , هيدروكسيآپاتيت
چكيده فارسي :
بر اثر حوادث گوناگون، بافت استخوان دچار آسيب ميشود. جهت بهبود و بازسازي استخوان آسيبديده، به يك كاشتني با خواص نزديك به استخوان نياز است. از ميان انواع فلزات مورد استفاده در پزشكي، منيزيم و آلياژهاي آن به دليل خواص مكانيكي نزديك به استخوان، زيستسازگاري و زيست تخريبپذيري، به عنوان كاشتنيهاي زيستي موقت، مورد توجه قرار گرفتهاند. همچنين در صورت استفاده از آلياژهاي منيزيم، ديگر نيازي به انجام جراحي ثانويه نخواهد بود. با اين وجود، نرخ تخريب بالا از چالشهاي آلياژهاي منيزيم در كاربردهاي باليني است كه تشكيل گاز هيدروژن و افزايش موضعي pH در اطراف كاشتني موجب كاهش پايداري مكانيكي و فعال-سازي سيستم ايمني بدن مي¬شود و عوارض جانبي مضر براي بافتهاي مجاور ايجاد ميكند. هدف از اين پژوهش ساخت و مشخصه¬يابي پوشش دولايهي اكسيداسيون ميكروقوسي/ بيوكامپوزيت پليكاپرولاكتون- هيدروكسيآپاتيت بر آلياژ منيزيميAZ31 جهت كنترل نرخ تخريبپذيري، بهبود زيستفعالي و زيستسازگاري است. در اين راستا پوشش اكسيداسيون ميكروقوسي بر زيرلايه AZ31 با ولتاژ 70 ولت در زمان 30 دقيقه اعمال شد. سپس براي تهيه كامپوزيت پليكاپرولاكتون- هيدروكسيآپاتيت، ابتدا ذرات هيدروكسيآپاتيت از استخوان قلم گوساله تهيه شد. نتايج پراش پرتو ايكس و طيف¬سنجي فروسرخ با تبديل فوريه، نشان داد كه توليد هيدروكسيآپاتيت با موفقيت انجام گرفته است. در ادامه، داربستهاي پليكاپرولاكتون خالص و داربستهاي كامپوزيتي حاوي 15، 30، 45 و60 درصد وزني هيدروكسيآپاتيت با بيش از 58 درصد تخلخل به روش چاپگر سه بعدي توليد شدند. پس از آن داربستهاي بيوكامپوزيتي چاپ شده با يك لايهي نازك پليمري روي پوشش اكسيداسيون ميكروقوسي به عنوان پوشش ثانويه قرار گرفتند. به منظور ارزيابي و بهينه¬سازي پوشش¬ها، آزمون¬هاي پراش پرتوايكس، طيف¬سنجي فروسرخ با تبديل فوريه، زبري، ترشوندگي، ميكروسكوپ الكتروني روبشي، آزمون¬هاي مكانيكي، تخريبپذيري، طيف سنجي پلاسماي جفت شده القايي، زيستفعالي، تجزيه و تحليل توزيع انرژي پرتو ايكس(EDS) و كشت سلول انجام گرفت. پوششهاي دولايهي اكسيداسيون ميكروقوسي/ داربست پليكاپرولاكتون-هيدروكسيآپاتيت بر زيرلايه AZ31، منجر به بهبود خواص فيزيكي و زيستي سطح شد. اعمال پوشش اكسيداسيون ميكروقوسي بر زيرلايه AZ31 منجر به افزايش زبري سطح از 04/0±4/0 ميكرومتر به 8/0±3/16 ميكرومتر شدهاست و ايجاد پوشش داربستي پليكاپرولاكتون خالص منجر به كاهش زبري سطح به 2/0± 4/1 ميكرومتر شد كه با افزايش هيدروكسيآپاتيت تا 60 درصد وزني، زبري به 4/0±9/6 ميكرومتر رسيد. زاويه ترشوندگي همه نمونهها بين 0 تا 90 درجه به دست آمد كه در داربستهاي پليكاپرولاكتون خالص تا داربستهاي كامپوزيتي پليكاپرولاكتون حاوي 60 درصد وزني هيدروكسيآپاتيت، از 6/3±1/90 تا 5/5± 4/67 درجه داراي روند كاهشي بود. نتايج آزمون استحكام فشاري، گواه آن بود كه افزودن هيدروكسيآپاتيت تا 45 درصد وزني به پوشش ثانويه سبب بهبود خواص مكانيكي پوششها شدهاست. پوشش دولايهي اكسيداسيون ميكروقوسي/داربست پليكاپرولاكتون حاوي 45 درصد وزني هيدروكسيآپاتيت داراي استحكام فشاري 1/23± 3/226 مگاپاسكال در كرنش %75، مدول فشاري 5/15± 6/76 مگاپاسكال، استحكام تسليم 7/1± 4/16 مگاپاسكال و چقرمگي 1/6773± 9/51079 كيلوژول بر متر مكعب بود. با بررسي رفتار تخريبپذيري در محلول بافرفسفاتي در مدت 56 روز، نتايج نشان داد كه حضور داربستهاي پليكاپرولاكتون خالص و پليكاپرولاكتون- هيدروكسيآپاتيت به عنوان پوشش ثانويه، نرخ تخريب زيرلايهAZ31 را حدود %80 بهبود دادهاست. همچنين پوشش دولايهي اكسيداسيون ميكروقوسي/داربست پليكاپرولاكتون حاوي 60 درصد وزني هيدروكسيآپاتيت، بيشترين رفتار زيستفعالي را در محلول شبيهساز بدن در مدت 28 روز از خود نشان داد. با بررسي برهمكنش سلول¬هاي MG63 شبه استخواني و پوشش دولايه اكسيداسيون ميكروقوسي/ داربست پليكاپرولاكتون-هيدروكسيآپاتيت، نتايج نشان داد كه نه تنها پوشش¬هاي كامپوزيتي هيچگونه اثر سمي براي سلول¬ها ندارند، بلكه باعث افزايش رشد و تكثير سلولي شده¬اند. پوشش¬هاي حاوي 45 و 60 درصد وزني هيدروكسيآپاتيت از زيستسازگاري مناسبي برخوردار هستند. بر اساس نتايج بدست آمده، پوشش دولايه اكسيداسيون ميكروقوسي/ داربست پليكاپرولاكتون-هيدروكسيآپاتيت مي¬تواند پتانسيل بالايي در كاربرد كاشتنيهاي ارتوپدي داشته باشد.
چكيده انگليسي :
The incidence of bone tissue damage as a necessitates the need for a bone-like implant to facilitate healing and regeneration. Magnesium and its alloys have been explored as promising candidates for temporary biological implants in medical applications due to their resemblance to bone in terms of mechanical properties, biocompatibility, and biodegradability. Moreover, the utilization of magnesium alloys obviates the requirement for subsequent surgeries. However, the rapid degradation rate poses a challenge in clinical applications, leading to issues such as hydrogen gas formation, local pH increase surrounding the implant, compromised mechanical stability, immune system activation, and adverse effects on nearby tissues. This research aims to develop and assess a bilayer coating consisting of microarc oxidation/polycaprolactone-hydroxyapatite biocomposite on AZ31 magnesium alloy. The objective is to regulate the degradation rate, enhance bioactivity, and improve biocompatibility. To this end, the AZ31 substrate was subjected to micro-arc oxidation coating at 70 V for 30 minutes. Subsequently, hydroxyapatite particles were prepared from calf bone to fabricate the polycaprolactone-hydroxyapatite composite. X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy confirmed the successful production of hydroxyapatite. Following this scaffolds with varying proportions (15, 30, 45, and 60% by weight) of hydroxyapatite were generated alongside pure polycaprolactone scaffolds using a 3D printer, aiming for over 58% porosity. The printed biocomposite scaffolds underwent secondary coating with a thin polymer layer on the micro-arc oxidation coating. The characterization of the coatings involved tests like diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, roughness, wettability, scanning electron microscopy, mechanical properties assessment, degradability evaluation, bioactivity analysis, and cell culture. The bilayer coatings of micro-arc oxidation/polycaprolactone-hydroxyapatite scaffold on AZ31 demonstrated augmented physical and biological surface properties. The application of micro-arc oxidation coating resulted in an increase in surface roughness from 0.4 μm to 16.3 μm, while the pure polycaprolactone scaffold coating decreased roughness to 1.4 μm. The addition of 60% by weight hydroxyapatite brought the roughness back up to 6.9 μm. The wetting angles of all samples ranged from 0 to 90 degrees, with a decreasing trend observed from 90.1 to 67.4 degrees in the pure polycaprolactone scaffolds to the polycaprolactone composite scaffolds containing 60% by weight of hydroxyapatite. The compressive strength test revealed that incorporating hydroxyapatite in the secondary coating up to 45% by weight improved the mechanical properties of the coatings. The bilayer coating of micro-arc oxidation/polycaprolactone scaffold with 45% by weight of hydroxyapatite displayed a compressive strength of 226.3 MPa at 75% strain, a compressive modulus of 76.6 MPa, a yield strength of 16.4 MPa, and a toughness of 51079.9 kJ/m3. The degradation behavior assessment in phosphate-buffered solution over 56 days demonstrated that the presence of polycaprolactone-hydroxyapatite scaffolds as a secondary coating improved the degradation rate of both the AZ31 substrate and the microarc oxidation coating. Furthermore, the bilayer coating of micro-arc oxidation/polycaprolactone scaffold with 60% by weight of hydroxyapatite exhibited the most bioactive behavior. Investigation of the interaction between bone-like MG63 cells and the double-layer coating showed that not only did the composite coatings have no toxic effects on the cells but also promoted cell growth and proliferation. Coatings containing 45% and 60% by weight of hydroxyapatite displayed favorable biocompatibility. These findings suggest that the two-layer microarc oxidation-polycaprolactone-hydroxyapatite scaffold coating has significant potential in orthopedic implant applications.