Különböző módon formázott bioaktív üvegkerámiák tulajdonságainak vizsgálata K ÉS Z Í TE T TE: K I S GYÖRGY A N D R Á S T É M AV EZ E T Ő: D R . E N I S Z N É D R . B Ó D O G H M A RG I T A N YAG M É R NÖ KI I N T É Z E T
2 0 1 6 . 0 5.1 1 .
Diplomadolgozat célja Különböző összetételű, ◦ csapadékos módszerrel előállított hidroxiapatittal (HA) adalékolt, ◦ természetes forrásból származó hidroxiapatittal (BA) adalékolt,
különböző formázási módszerrel készült, ◦ öntéssel, ◦ hidraulikus préseléssel,
különböző csúcshőmérsékleten égetett, ◦ 900 °C, ◦ 1000 °C, bioaktív üvegkerámiák tulajdonságainak összehasonlítása.
22/2
Bioaktív üvegkerámia készítése Bázisüveg
homogenizálás formázás
hőkezelés
Bioaktív üvegkerámia
Kezelt csont/ Hidroxiapatit
22/3
Bázisüveg Előállítás
Bázisüvegfritt összetétele (m/m %) 1,7
◦ Fritteléssel (1350 °C) ◦ Száraz őrlés (<100 µm)
11,8 3,4
Bázisüveg felhasználása ◦ 900 °C hőmérséklet felett 24,2
58,9
SiO2
CaCO3
MgO
Na2CO3
K2CO3
22/4
Természetes és mesterséges úton előállított hidroxiapatit Biológiai hidroxiapatit ◦ Kezelt szarvasmarha csont: Alfalox Bt. ◦ 10-15 cm-es darabok száraz őrlés (<100 µm) ◦ Kis mennyiségű β-whitlockitot tartalmazó hidroxiapatit
Biológiai apatit rtg. diffr. vizsgálat
d (Å)
Beütésszám (cts)
Hidroxiapatit
2,81
3284,92
β-whitlockit
2,88
100,71
Háttér
Csapadékos módszerrel előállított hidroxiapatit ◦ Előállította: Anyagmérnöki Intézet ◦ Szemcseméret < 45 µm ◦ Kis mennyiségű β-whitlockitot tartalmazó hidroxiapatit
23,98
Mesterséges apatit rtg. diffr. vizsgálat
d (Å)
Beütésszám (cts)
Hidroxiapatit
2,81
3381,56
β-whitlockit
2,88
477,52
Háttér
23,31
22/5
Bázisüveg-hidroxiapatit (HA) és bázisüvegbiológiai apatit (BA) keverékek előállítása HA BA
65 % (m/m) őrölt fritt (<100 µm) + 35 % (m/m) őrölt, csapadékos módszerrel előállított hidroxiapatit (<100 µm) 65 % (m/m) őrölt fritt (<100 µm) + 35 % (m/m) őrölt, kezelt szivacsos marhacsont (<100 µm)
Keverékek homgenizálása ◦ 3 órás száraz őrlés
Próbatestek formázása ◦ Hidraulikus préselés ◦ Öntés
22/6
Próbatestek formázása hidraulikus préseléssel Henger alakú próbatestek (ø 25 mm x 2-3 mm) formázása porozitás vizsgálathoz ◦ 40 MPa, ◦ 50 MPa, ◦ 60 MPa nyomást alkalmazva.
Hasáb alakú próbatestek (12 mm x 60 mm x 3,5 mm) formázása hajlítószilárdság és porozitás vizsgálathoz ◦ 42 MPa nyomást alkalmazva.
22/7
Próbatestek formázása öntéssel, öntőiszap készítése Keverék:folyadék arányok meghatározása (ρ = 1,66 g/cm3) Öntőiszaphoz használt adalékanyag meghatározása ◦ Adalék nélküli desztillált víz ◦ Étkezési keményítő-desztillált víz oldat ◦ Étkezési zselatin-desztillált víz oldat
Zselatinos oldatok 10 ml desztillált víz + 0,4 g étkezési zselatin (1. jelű) 10 ml desztillált víz + 0,67 g étkezési zselatin (2. jelű)
HA és BA jelű minták esetén eltérő keverék:folyadék arány 10 g HA + 4 ml zselatinos oldat 10 g BA + 5,3 ml zselatinos oldat 22/8
Próbatestek formázása öntéssel, öntési folyamat Öntési folyamat ◦ Szilikon formába öntés ◦ Szárítási idő: 2 nap szobahőmérsékleten ◦ Henger alakú próbatestek (ø33 mm x 2-4 mm) eltávolítsa
Vizsgálatok ◦ Porozitás ◦ Oldhatóság ◦ Mikrokeménység ◦ Morfológia
22/9
Minták hőkezelése Próbatestek szárítószekrényben szárítása (100 °C)
Hőkezelési programok 1200
1000
Kétlépcsős hőkezelés ◦ Első lépcső
◦ Második lépcső ◦ 900 °C illetve 1000 °C hőmérsékletre hevítés ◦ Egy órás hőntartás (kristálynövekedés)
T [°C]
◦ 760 °C-ig hevítés ◦ Egy órás hőntartás (nukleáció)
800
600
400
200
0 0
1
2
3
4
5
t [h]
22/10
6
Fázisösszetétel vizsgálata, hidraulikusan préselt minták esetén Hasáb alakú minták
22/11
Fázisösszetétel vizsgálata, öntött minták esetén Kisebb zselatin koncentrációjú oldatot (10 ml + 0,4 g étkezési zselatin) tartalmazó minták (1. jelű)
22/12
Fázisösszetétel vizsgálata, öntött minták esetén Nagyobb zselatin koncentrációjú oldatot (10 ml + 0,67 g étkezési zselatin) tartalmazó minták (2.jelű)
22/13
Fázisösszetétel vizsgálata Összefoglalva ◦ A hőmérséklet növekedésével ◦ nőtt a β-whitlockit tartalom ◦ csökkent a hidroxiapatit tartalom
Felületi réteg eltérő oldhatóságára utal
◦ β-whitlockit fázis mennyisége ◦ BA esetén kisebb ◦ HA esetén nagyobb
22/14
Szilárdsági vizsgálat BA és HA jelű minták összehasonlítása Hidraulikusan préselt próbatestek Hajlítószilárdság 40,00
36,82
35,00
31,58
30,00
26,75
25,68
σ [MPa]
25,00 20,00 HA BA
15,00 10,00 5,00 0,00 900
1000
T [°C]
22/15
PL (V/V%) 25,00
20,00 21,74
20,20
23,29
20,38
21,78
20,26
21,24
20,15
21,90
19,44
27,78
28,57
33,57
35,00 33,21
45,00
39,02
40,22
38,10
37,91
37,35
40,00
32,65
28,68
28,26
28,68
30,00
23,91
Porozitás vizsgálata Látszólagos Porozitás
15,00
10,00
5,00
0,00
22/16
310
310
300
300
290
290
280
BA/900/1
270
HA/900/1
260
BA/1000/1
250
HA/1000/1
Ca-Kα (cps)
Ca-Kα (cps)
Kioldódási vizsgálat
240
280
BA/900/2
270
HA/900/2
260
BA/1000/2
250
HA/1000/2
240 0
2
4
6
0
8
2
70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59
6
8
70 68 66 BA/900/1
P-Kα (cps)
P-Kα (cps)
4
Napok száma
Napok száma
64
BA/900/2
62
HA/900/2
BA/1000/1
60
BA/1000/2
HA/1000/1
58
HA/1000/2
HA/900/1
56 0
2
4
Napok száma
6
8
0
2
4
6
8
Napok száma
22/17
Vickers-féle mikrokeménység vizsgálat 1400 1149
1200
1095 1024
Mikrokeménység (MPa)
992 1000 856 800
722
762
737
HA BA
600
HA/7 BA/7
400 200 0 900
1000
Égetési hőmérséklet (°C)
22/18
Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat Megfigyelhető a szimulált testfolyadékban bekövetkező oldódás és kristályosodás
22/19
Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat Égetési hőmérséklet 1000 °C-ra növelésével nagyobb mennyiségű olvadék/üveges fázis lesz jelen.
22/20
Összefoglalás Különböző (kezelt csont és hidroxiapatit) adalék tartalmú keverékek Eltérő (hidraulikus préselés, öntés) formázási módszerek
Bio-üvegkerámia
Eltérő (900 °C és 1000 °C) égetési csúcshőmérsékletek Öntés előnyei Bonyolultabb formák Porozitás szabályozása
A BA jelű üvegkerámiák ◦ nagyobb oldhatósággal, ◦ nagyobb porozitással, ◦ nagyobb kopásállósággal, rendelkeznek, mint a HA jelűek.
22/21
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
Forrás: http://3dprint.com/19099/wasp-to-3d-print-bone-implants-with-clay-3d-printers/
22/22
