Κατασκευή σύνθετων πορωδών βιοϋλικών μεταλλικής μήτρας τιτανίου με ενίσχυση υδροξυαπατίτη για χρήση τους ως ιατρικά εμφυτεύματα και μελέτη των μηχανικών και βιολογικών τους ιδιοτήτων

Abstract

Today, materials such as foams are becoming more and more popular. These materials are a class of materials whose composition and microstructure consist of solid parts between which empty pores are inserted to form a grid or network.The development of such materials began with the need for new materials to be used in aircraft as materials resistant to high temperatures and as building materials that would withstand the heated environment as the vessel enters and exits space. These materials met the above needs with their excellent thermal resistance and very good mechanical properties.Materials science deals with the development of porous materials for use as medical implants. Such materials should have the ideal mechanical and biological properties that will allow them to operate in the hostile environment within the human body. The materials used as biomaterials have specific characteristics such as good mechanical strength, biocompatibility and bioactivity.Titanium and its alloys have been used for 10-15 years in the field of orthopedic surgery and orthodontics. Titanium, like its alloys, has very good mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility. Its disadvantages are the friction wear of three bodies and the phenomenon of stress protection. The addition of hydroxyapatite, a mineral that bears the characteristics of natural bone, is believed to improve the properties of titanium.In the present research, we will study the behavior of porous material of titanium metal matrix with hydroxyapatite grain reinforcement which was made by the method of powder metallurgy.Thus, preparation methods such as pharmaceutical agitation, mechanical agitation, agitation in a controlled atmosphere were initially used. At this stage, the intermediates were characterized before cold compression with SEM-EDS, XRD, DTA-TG, porosity analysis, structure analysis with ultrasound and granulometric analysis.Foaming agent was then added, and cold compression, sintering under controlled conditions and characterization of the final materials with SEM-EDS, XRD, DTA-TG, optical microscopy, porosity analysis, ultrasonic structure analysis, and mechanical strength test were performed.Finally, biocompatibility was tested in SBF and Ringer liquids, and these samples were characterized by pH, SEM-EDS, XRD, DTA-TG measurement, ultrasonic structure analysis, optical microscopy, mechanical compressive strength test and FTIR analysis.The results are now encouraging and show that the porous titanium and hydroxyapatite biomaterials can well be used as bone implants, as their physical, chemical and mechanical properties meet the conditions for such applications in the human body.

Σήμερα, υλικά όπως οι αφροί γίνονται ολοένα και πιο γνωστά. Αυτά τα υλικά αποτελούν μια τάξη υλικών των οποίων η σύσταση και η μικροδομή αποτελείται από συμπαγή μέρη ανάμεσα στα οποία παρεμβάλλονται κενοί πόροι σε σχηματισμό πλέγματος ή δικτύου.Η ανάπτυξη τέτοιων υλικών ξεκίνησε με την ανάγκη για νέα υλικά που θα χρησιμοποιούνταν στα αεροσκάφη ως υλικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες και σαν δομικά υλικά που θα άντεχαν στο θερμαινόμενο περιβάλλον κατά την είσοδο και έξοδο του σκάφους στο διάστημα. Τα υλικά αυτά ικανοποιούσαν τις παραπάνω ανάγκες με την εξαιρετική τους θερμική αντίσταση και τις πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες.Σήμερα η επιστήμη των υλικών ασχολείται με την ανάπτυξη πορωδών υλικών για την χρησιμοποίηση τους ως ιατρικά εμφυτεύματα. Τέτοια υλικά θα πρέπει να έχουν τις ιδανικές μηχανικές και βιολογικές ιδιότητες που θα τους επιτρέπουν ναλειτουργούν στο εχθρικό περιβάλλον μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως βιοϋλικά φέρουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όπως καλή μηχανική αντοχή, βιοσυμβατότητα και βιοενεργότητα.Το τιτάνιο και τα κράματα του χρησιμοποιούνται εδώ και 10-15 χρόνια, στον τομέα της ορθοπεδικής χειρουργικής και της γναθοχειρουργικής. Το τιτάνιο, όπως και τα κράματα του, έχουν πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες, αντίσταση στη διάβρωση και εμφανίζουν βιοσυμβατότητα. Τα μειονεκτήματά του είναι η φθορά τριβής τριών σωμάτων και το φαινόμενο της προστασίας της τάσης (stress protection). Η προσθήκη του υδροξυαπατίτη, ένα ορυκτό υλικό που φέρει τα χαρακτηριστικά του φυσικού οστού, πιστεύεται ότι θα βελτιώσει τις ιδιότητες του τιτανίου.Στην παρούσα έρευνα θα μελετηθεί η συμπεριφορά πορώδους υλικού μεταλλικής μήτρας τιτανίου με ενίσχυση κόκκων υδροξυαπατίτη το οποίο κατασκευάστηκε με την μέθοδο της κονιομεταλλουργίας. Έτσι χρησιμοποιήθηκαν αρχικά μέθοδοι παρασκευής όπως φαρμακευτική ανάδευση, μηχανική ανάδευση, ανάδευση σε ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Στο στάδιο αυτό πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός των ενδιάμεσων προϊόντων πριν την ψυχρή συμπίεση με SEM-EDS, XRD, DTA-TG, ανάλυση πορώδους, ανάλυση δομής με υπερήχους και κοκκομετρική ανάλυση.Στην συνέχεια προστέθηκε παράγοντας αφροποίησης, και πραγματοποιήθηκε ψυχρή συμπίεση, πυροσυσσωμάτωση σε ελεγχόμενες συνθήκες καθώς και χαρακτηρισμός των τελικών υλικών με SEM-EDS, XRD, DTA-TG, οπτική μικροσκοπία, ανάλυση πορώδους, ανάλυση δομής με υπερήχους, και δοκιμασία μηχανικής αντοχής συμπίεσης.Τέλος, έγινε έλεγχος βιοσυμβατότητας σε υγρά SBF και Ringer, και χαρακτηρισμός των δοκιμίων αυτών με μέτρηση ΡΗ, SEM-EDS, XRD, DTA-TG, ανάλυση δομής με υπερήχους, οπτική μικροσκοπία, δοκιμασία μηχανικής αντοχής συμπίεσης και ανάλυση FTIR.Τα αποτελέσματα είναι πλέον ενθαρρυντικά και δείχνουν ότι τα πορώδη βιοϋλικά τιτανίου και υδροξυπατίτη μπορούν κάλλιστα να χρησιμοποιηθούν σαν εμφυτεύματα οστού, αφού οι φυσικές, χημικές και μηχανικές ιδιότητές τους πληρούν τις προϋποθέσεις για τέτοιες εφαρμογές στον ανθρώπινο οργανισμό.