Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Improvement of microstructural and physical properties of porous xydroxyapatite by adding silica and glass for use as a bone replacement material

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

การปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางกายภาพของไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนโดยการเติมซิลิกาและแก้วเพื่อใช้เป็นวัสดุทดแทนกระดูก

Year (A.D.)

2007

Document Type

Thesis

First Advisor

Supatra Jinawath

Second Advisor

Angkhana Jaroenworaluck

Faculty/College

Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)

Degree Name

Master of Science

Degree Level

Master's Degree

Degree Discipline

Ceramic Technology

DOI

10.58837/CHULA.THE.2007.1025

Abstract

The aim of this study was to improve strength of porous hydroxyapatite (HA) for use as a bone replacement material. Microstructural and physical properties were also studied and evaluated. Methods of processing the HA ceramic to high density yet retaining the large open pores required for biocompatibility were investigated. Uniaxial pressing, to fabricate standard pellets and the polymer foam technique, were employed to produce the desired structures. Fabrication of porous HA with and without additives using these methods was also undertaken for comparison. Silica (SiO2) and commercially available glass frit were used as additives. The silica powder and glass frit were added to the HA powder in the range of 0.5 to 20 wt% to fabricate the final ceramic structures. Sintering was done at 1150oC and 1300oC for 4 h. XRD and SEM analysis were used to characterize the sintered HA samples. FT-IR analysis was used for chemical functional analysis. Compressive strength and hardness measured the mechanical properties. The sintered HA samples were immersed in simulated body fluid (SBF) for various periods of time to determine bioactivity. For uniaxially pressed HA, the transformation of HA to TCP occurred at the higher sintering temperature and the amount of additive was related to mechanical strength and bioactivity. For HA doped with the silica or glass frit, < 5.0wt%, faster precipitation of new layers of Ca-P was noted. HA fabricated from the polymeric foam method, after sintering at 1300oC, had a pore size in the range 100-420 m with interconnected pores suitable for bone ingrowth. HA with glass from 0.5 to 20.0wt% had a slightly decreased porosity from 85 to 78%, and the compressive strength varied between 0.67 to 11 MPa. This study indicates that porous HA with glass additive can be used as a bone replacement material in medical applications due to its combination of attractive properties.

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

งานวิจัยนี้เป็นการปรับปรุงไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนให้มีความแข็งแรงสำหรับใช้เป็นวัสดุทดแทนกระดูก โดยทำการศึกษาเพื่อปรับปรุงโครงสร้างทางจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่ให้มีความหนาแน่นสูงในขณะเดียวกันก็ยังคงไว้ของโครงสร้างที่มีความเป็นรูพรุนสำหรับคุณสมบัติทางด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพหรือไบโอแอคทีฟ โดยในการศึกษานี้ได้ทำการเปรียบเทียบผลของการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่ไม่ได้มีการเติมและที่เติมผงซิลิกาและแก้วหลอมในอัตราส่วนตั้งแต่ 0.5 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์(โดยน้ำหนัก) ที่ผ่านการเผาผนึกที่ 1150 และ 1300 องศาเซลเซียส ทำการขึ้นรูปวัสดุโดยวิธีการใช้แรงอัดที่ความดันสูงและวิธีการใช้วัสดุโฟมพอลิเมอร์เป็นวัสดุต้นแบบที่ทำให้เกิดโครงสร้างที่เป็นรูพรุน วัสดุที่ได้จากการขึ้นรูปและผ่านการเผาผนึกได้ถูกตรวจสอบโครงสร้างทางจุลภาคโดยการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดและเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกโตรมิเตอร์ การเปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชันทางเคมีได้ใช้วิธีฟลูเรียร์ทรานฟอร์มอินฟาเรดสเปกโตรสโคปีในการตรวจสอบ และทำการวัดคุณสมบัติเชิงกลคือวัด ความแข็งแรงเชิงกด และความแข็ง สำหรับคุณสมบัติการเข้ากันได้ทางชีวภาพนั้นทำการทดสอบโดยการนำวัสดุตัวอย่างไปแช่ในสารละลายเอสบีเอฟที่ระยะเวลาต่าง ๆ กัน จากการศึกษาพบว่าวัสดุไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่ขึ้นรูปด้วยการอัดจะมีอัตราการเปลี่ยนเฟสจากไฮดรอกซีอะพาไทต์เป็นไตรแคลเซียมฟอสเฟตเพิ่มมากขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิและปริมาณของสารเติมแต่งมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเชิงกลและไบโอแอคทีฟ การขึ้นรูปไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนโดยใช้วิธีโฟมพอลิเมอร์และเผาผนึกที่ 1300 องศาเซลเซียสจะทำให้ได้ตัวอย่างที่มีขนาดของรูพรุนระหว่าง 100 ถึง 420 ไมครอนและมีลักษณะเป็นรูพรุนที่มีความต่อเนื่องเหมาะกับการนำไปใช้เป็นวัสดุทดแทนกระดูก การเติมแก้วหลอม 0.5 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักในไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนทำให้ปริมาณของรูพรุนลดลงจาก 85 เป็น 78 เปอร์เซ็นต์ช่วยให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นจาก 0.67เป็น 11 เมกะปาสคาล จากผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนที่มีการเติมแก้วหลอมมีสมบัติที่เหมาะสมในการนำไปใช้เป็นวัสดุทดแทนกระดูกสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้งานทางด้านการแพทย์

Link to Full Text

Share

COinS