توليد سراميك زيست سازگار هيدروكسي آپاتيت از خاكستر استخوان و بررسي اثر دماي فرآيند توليد بر خلوص فازي و تركيب شيميايي آن

موسي يونسي1، مهدي جاويدي2، حميدرضا فولادفر1، محمدابراهيم بحرالعلوم3
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
استاديار، دانشگاه شيراز
استاد، دانشگاه شيراز
Mousa_younesi_3@yahoo.com

چكيده
خاكستر استخوان از سوزاندن استخوان گاو در محدوده دمايي 450-350 درجه سانتي گراد به مدت 60 دقيقه توليد شد. اين ماده سياه رنگ در دماهاي 700، 800، 900 و 1100 درجه سانتيگراد براي توليد هيدروكسي آپاتيت بهمدت 90 دقيقه در معرض هوا حرارت دادهشد. آناليز تركيبي مادون قرمز
(FTIR) بر روي پودرهاي توليدي در اين دماها انجام گرديد. همچنين آناليز تفرق اشعه ايكس بر روي نمونه هاي توليدي در دماي مختلف به منظور بررسي اثر دما بر خواص ساختاري ماده توليدي انجام گرفت. مشخص گرديد پودر حاصله هيدروكسي آپاتيت ميباشد. آناليز تركيبي طيفسنجي مادون قرمز بر روي اين پودرها نشان داد كه پودر توليدي در دماي 800 درجه سانتي گراد عاري از هر گونه تركيب آلي مي باشد. نتايج آناليز پراش پرتو ايكس همچنين نشان داد كه پودر توليدي در دماي 800 درجه سانتيگراد، هيدروكسي آپاتيت ميباشد. هيدروكسي آپاتيت توليد شده تا دماي 1100 درجه سانتيگراد از لحاظ ساختاري، پايدار ميباشد و دانسيته پودر هيدروكسي آپاتيت توليد شده در دماي 800 درجه سانتي گراد، 187/3 گرم
بر سانتيمتر مكعب مي باشد.

واژه هاي كليدي:
هيدروكسي آپاتيت، پراش اشعه ايكس، اسپكتروسكوپي مادون قرمز.

1- مقدمه
هيدروكسي آپاتيت جزء معدني و اصلي تشكيل دهنـده اسـتخوانمي باشد كه در درمان ضايعات استخوان و يا ساخت كاشتنيهاي م ورد اس تف اده در دندانپزش كي ي ا ارتوپ دي ب هعل ـت زيــستسازگاري آن كاربرد فراوان دارد[1 و 2]. فسفات كلسيم به خـاطر خاصيت زيـستفعـالي 1 آن بـه طـور وسـيع در ارتوپـدي اسـتفاده ميشود[3].
روش هاي متفاوتي براي توليد هيدروكسي آپاتيت مورد اسـتفادهقرار مي گيرد كـه از آن جملـه مـي تـوان رسـوب گـذاري [4 و 5]، هيدروليز[6 و 7] و سنتز هيدروگرمايي[8 و 9] را نام برد. در ميـانهمه اين روشها، روش رسوب گذاري از همه مرسومتر ميباشد. يكي از واكنشهاي مورد استفاده براي توليد هيدروكسي آپاتيت بهروش رسوبگـذاري، واكـنش نيتـرات كلـسيم بـا دي آمونيـومهيپوفسفات به ترتيب زير مي باشد.
10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH→
(1)Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O يكي از مشكلات اصلي اين فرآيند توليد نيترات آمونيوم مي باشد ك ه باع ث آل ودگي مح يط زي ست م يگ ردد. يكـي ديگ ر از واكنش هاي مورد استفاده در روش رسوب گـذاري واكـنش بـيناسيد فسفريك و هيدروكسيد كلسيم مي باشد:
(2)H3PO4+10Ca(OH)2→Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O محصولات واكنش بالا هيدروكسي آپاتيت و آب مـي باشـد كـههيچ مشكل آلايندگي براي محيط زيست ندارد.
در كل استفاده از فرآيند رسوبگذاري براي توليد هيدروكـسيآپاتيت نيازمند تنظيم دقيق تركيـب و خلـوص مـواد اوليـه مـورداســتفاده، pH و دمــاي محلــول مــورد اســتفاده بــراي فرآينــد رســوب گــذاري و مهمتــري ن پــارامتر، در نظــر گــرفتن نــسبتاستوكيومتري Ca/P ميباشد.
اما يك روش جايگزين و مناسب براي توليد هيدروكسي آپاتيتاستخراج آن از منابع طبيعي ميباشد. سخت پوستان دريايي[10]، پوست تخم مرغ[11 و 12] و پوسـت تخـم شـتر مـرغ[13]، بـرايتولي د هيدروك سي آپاتي ت ي ا ب هعن وان ي ك ج ايگزين ب راي استخوان مورد بررسي و آناليز قرار گرفتهاند.
ماده اصلي تشكيلدهنده پوست استخوان كربنـات كلـسيم (94%) و ف سفات كل سيم (1%) م يباش د. ري ورا2 و همك ارانش[11]، ب ا س وزاندن پوس ت تخ م م رغ در دم اي 900 درج ه س انتي گ راد بهمدت 2 ساعت ، كربنات كلسيم موجود در پوست تخم مـرغ را طبق واكنش زير بهاكسيد كلسيم تبديل كردند:
(3)CaCO3→CO2+CaO اكسيد كلسيم توليدي را با محلول فسفات كلسيم مخلوط كردنـدو مــاده حاصــل را بــهمــدت 3 ســاعت در دمــاي 1050 درجــه سانتيگـراد حـرارت دادنـد كـه طبـق واكـنش زيـر هيدروكـسيآپاتيت توليد گرديد: (4) 23Ca3(PO4)2+CaO+H2O→Ca10(PO4)6(OH)در همين راستا گروهي از محققين كره اي بهتوليـد پـودر فـسفات كلسيم از استخوان ماهي پرداختند[14]. اين فرآينـد مـشابه روشتوليد اكسيد كلسيم به وسيله ريورا مي باشد[11].
سنتز هيدروگرمايي هيدروكسي آپاتيت از استخوان گاو ب هوسـيلهجيناويت3 و همكارانش گزارش شده اسـت[15]. در ايـن تحقيـقبهتوليد هيدروكسي آپاتيـت از اسـتخوان گـاو بـه وسـيله عمليـاتحرارتي پرداخته و پس از آن بهبررسي اثر دماي فرآيند عمليـاتحرارتي بـر تركيـب شـيميايي و خـواص سـاختاري آن بـهوسـيلهآناليزهاي تركيبي و ساختاري پرداخته شده است.

2- روش تحقيق
پس از تهيه استخوان ران گـاو ابتـدا آن را بـهمـدت 1 سـاعت درآب جوشانده تا گوشت و چربـيهـاي متـصل بـهآن جـدا شـود. س پس اس تخوانه ا را ب ه م دت 24 س اعت در دم اي 50 درج ه ســانت يگــراد قــرار داده تــا رطوبــت آن خــشك شــود. ســپس استخوانها ب هوسـيله مـشعل در هـوا بـهمـدت 2 سـاعت سـوزاندهميشود تا تركيبـات آلـي آن تجزيـه شـود. مـاده حاصـل از ايـنفرآيند خاكستر سياه ر نـگ اسـتخوان مـي باشـد كـه بـراي توليـدهيدروكسي آپاتيت مورد استفاده قرار مي گيرد.
پ س از اي ن فرآين د ب راي تولي د پ ودر هيدروك سي آپاتي ت وهمچنين بررسي اثر دماي فرآينـد توليـد آن، ايـن خاكـستر سـياهرنگ را در دماهاي 600، 700، 800 و 1100 درجـه سـانتيگـرادبه مدت 90 دقيقه حرارت مي دهـيم. مـاده حاصـل از ايـن مرحلـهپودر سفيد رنگ هيدروكسي آپاتيت مي باشد.
اسپكتروسكوپي مـادون قرمـز (FTIR) يـك ابـزار توانمنـد بـرايآناليز و شناسايي بيومتريالها مي باشد. از اين ابزار بـراي شناسايي
وج ود تركيب ات آل ي و همچن ين درج ه دي هيدروك سيلاسيون هيدروكسي آپاتيت در طي عمليات حرارتي اسـتفاده شـده اسـت.
ب راي هم ين منظ ور آن اليز تركيب ي م ادون قرم ز توس ط ي كاسپكترومتر مادون قرمـز (Shimadzu 8300) بـر روي پودرهـايتوليدي در دماهاي مورد نظر انجام شد.

شكل (1): طيف اسپكتروسكوپي مادون قرمز مربوط بهخاكستر سياه رنگ استخوان.

همچنين براي بررسي اثر دماي فرآيند بر ساختار و تركيب فـازي و همچنين خلوص مـاده توليـدي آنـاليز سـاختاري اشـعه ايكـستوســط دســتگاه پــراش اشــعه ايكــس (Bruker D8) بــر روي پودرهاي توليدي در دماهاي مورد نظر انجـام شـد. در ايـن روشاز اشــعه K مــس اســتفاده شــد و آنــاليز پودرهــاي توليــدي د ر زاويه هاي 5>θ2>100 انجام گرديد . مورفولـوژي پـودر توليـديبـ ه وسـ يله ميكروسـ كوپ الكترونـ ي روبـ ـشي (JSM-،JEOL
م ورد (5410LV scanning electron microscope (SEM) .بررسي قرار گرفت

نتايج و بحث
3-1- آناليز مادون قرمز
قـوي در عــدد مــوج 1-cm1043، بــاند ديگــر در عــدد مــوج علاوه بر ايـنهـا ديـده شـد كـه بـا افـزايش دمـا تـا 1100 درجـه
توليد سراميك زيست سازگار هيدروكسي آپاتيت از خاكستر استخوان و بررسي اثر دماي فرآيند توليد بر خلوص فازي و تركيب شيميايي آن 65
طيف اسپكتروسكوپي مادون قرمـز خاكـستر اسـتخوان در شـكل (1) نشان دادهشـده اسـت . در ايـن طيـف يـك سـري از بانـدهايجذبي در ناحيه مياني امواج مادون قرمز ديده ميشود، يـك بانـدبه طيف مادون قرمـز اسـتخوان بـا پـودر خاكـستر اسـتخوان نـشانمي دهد كه همه تركيبات آلي استخوان بعـد از سـوزاندن حـذفمي شود. بـه عنوان مثــال بانـدهاي مربـوط بـهگـروه هـاي آميـدي (1-cm-1 ،1250cm1560 و 1-cm1650) كــه در طيــف مربــوطب ه اس تخوان قاب ل روي ت ه ستند در طي ف مرب وط ب هخاك ستر اسـ تخوان وجـ ود نـ دارد. همچنـ ين بانـ دهاي جـ ذبي مربـ وط به پيوندهايC-H در طيف مربوط بـهخاكـستر اسـتخوان مـشاهدهنمي شود. اين شواهد نشان ميدهد كه سـوزاندن اسـتخوان باعـثحذف كامل تركيبات آلي استخوان مي شـود[17]. بنـابراين همـهباندهاي جذبي موجود در شكل (1)، مربوط بـهتركيبـات معـدنيموجود در استخوان مي باشد.
طيف هاي مادون قرمز موجود در شكل (2)، مربوط به نمونـه هـايخاكستر استخوان است كـه در دماهـاي 600، 700، 800 و 1100 درجه سانتيگراد عمليات حرارتي شدهاند. مقايسه ايـن طيـف هـاوجود يك سري تغييرات جزئي را با افزايش دما نـشان مـي دهـد .
باند جذبي موجود در عدد موج 1-cm2341 بهترتيـب بـا افـزايشدما حذف مي شود كه ميتواند مربوط بهحذف كربن موجـود درخاكستر استخوان به صورت دي اكسيدكربن باشد.
اين پديده كاملاً موافق با تغيير رنـگ خاكـستر اسـتخوان از سـياهبه سفيد با افزايش دما مي باشد. همچنين يك باند جـذبي پهـن درعدد موج 1-cm3436 در طيف شكل (1) ديده مي شود.
در طيفهاي شكل (2)، با افزايش دما بهيك باند جـذبي لاغـر و كوچك تبديل شده و يا حـذف مـيشـود كـه ايـن بانـد مربـوطبه كش آمدن پيوندهاي كربوكسيل مي باشد.
1-cm1456، يك باند ضعيف در 1-cm1417 و يـك بانـد جـذبيتيز در عدد موج 1-cm667. آناليز مادون قرمز استخوان كه اخيـراًتوسط بروسكي 4 و كاماچو5 انجـام شـد، نـشان داد كـه تركيبـاتمعدني اصلي استخوان، فسفات و كربنـات مـي باشـد كـه مربـوطب ه هيدروك سي آپاتي ت اس ت و ي ك س ري از بان دهاي ج ذبي مربوط به گروه هاي آميدي مي باشـد كـه مربـوط بـهپـروتئين هـايموجود در اسـتخوان اسـت (كـلاژن )[16]. مقايـسه نتـ ايج مربـوطسانتيگراد، بانـد جـذبي موجـود در عـدد مـوج 1-cm5/634 كـهمربوط به لرزش يونهاي هيدروكسيل مـي باشـد ، بـهايـن افـزايشحساس بوده و ناپديد ميشود، ولي باند جـذبي موجـود در عـددموج 1-cm9/3571 كه مربوط بهكش آمدن يون هاي هيدروكسيل ميباشد، داراي پايداري بيشتر بوده و پهن تر ميشود.
اين پديـده مربـوط بـهپديـده ديهيدروكـسيلاسيون هيدوركـسي

)
ج
(

)
د
(

)
الف
(

)
ب
(

)

ج

(

)

د

(

)

الف

(

)

ب

(

شكل (2): طيفهاي آناليز مادون قرمز مربوط بههيدروكـسي آپاتيـت كـه دردماهاي متفاوت عمليات حرارتي شدهاست: (الف) C°600، (ب) C°700، (ج) C°800، (د) C°1100.

آپاتيت در دماهاي بالاي 850 درجه سانتيگراد مـي باشـد . طيـفمادون قرمز مربوط بهنمونه اي كه در دماي 800 درجه سانتيگراد عمليات حرارتي شـد، كـاملاً مـشابه بـا طيـف مـادون قرمـز مـاده
هيدروك ـسي آپاتيــت مرج ع (HA-SRM) ســنتز شــده از روششيميايي مي باشد كـه بـه وسـيله مـاركوويچ6 و هم كـارانش مـوردآناليز قرار گرفته است[18].
باند جذبي لرزشي موجود در نقـاط 1-cm634 و كشـشي موجـوددر 1-cm3571 مربوط بهگروه هاي -OH است و بانـدهاي موجـوددر نقــــاط 474، 962، 603، 570، 1049 و 1-cm1089 مربــــوط بهگروه 3-4PO ميباشد. علاوه بر اين بانـدهاي جـذبي در 7/873، 7/1415 و 1-cm2/1456 مرب وط ب هي ـون ه اي كربن ات ه ستند.
يون هاي كربنات ، ناخالصي هـاي معمـول موجـود در هـر دو نـوعهيدروكسي آپاتيت طبيعي و سـنتزي مـي باشـند [17 و 19]. نتـايجآناليزهاي ماد ون قرمز در ايـن تحقيـق نـشان داد كـه بهتـرين دمـابراي تبديل خاكستر استخوان بههيدروكـسي آپاتيـت دمـاي 800 درجه سـانتيگـراد بـوده و بـههمـين خـاطر هيدروكـسي آپاتيـتتوليــدي در ايــن دمــا را هيدروكــسي آپاتيــت طبيعــي (NHA) مي ناميم.
3-2- آناليز پراش اشعه ايكس
شكل (3)، طيف هـاي پـراش اشـعه ايكـس خاكـستر اسـتخوان و همچنين خاكـستر اسـتخوان عمليـات حرارتـي شـده در دماهـاي600، 700، 800 و 1100 درجه سانتيگراد را نشان مي دهـد. ايـنطيف هـا يـك گراديـان افـزايش وضـوح و تيـزي پيـك هـا را بـاافزايش دماي عمليات حرارتي نشان ميدهد. در طيف (3- الف ) كه مربوط بهخاكستر اسـتخوان مـي باشـد، مـشاهده مـيشـود كـهپهناي پيك ها زياد و شدت و وضوح پاييني دارند كه نشاندهنده وجود مقادير بسيار كمي از كريستالهاي هيدروكسي آپاتيت دراين ماده است.
بقيه طيف هاي پراش اشعه ايكس كه مربوط بهنمونه هاي خاكستراستخوان عمليات حرارتي شده مـي باشـد ، داراي پيـكهـاي تيـز،باريك و با شدت بالا است. اين پديده مي تواند مربوط به افـزايش كري ستال ه اي هيدروك سي آپاتي ت و همچن ين ك اهش ان دازه كريستـال هاي هيدروكـسي آپاتيت با افزايــش دما باشد. شيپمن7 و همك ارانش[20]، ني ز اي ن تغيي ر در ان دازه ذرات هيدروك سي آپاتيت را با افزايش دما مشاهده كردند.
با توجه بهطيفهاي پراش اشعه ايكس ارائـه شـده در شـكل (3)، ديــده مــي شــود كــه خاكــستر اســتخوان در دمــاي 600 درجــه سانتيگراد شروع بهتبلور مي كند بدون اينكه بهساختارهاي ديگـرخانواده فسفات هـاي كلـسيم تجزيـه يـا تبـديل شـود. پيـك هـايمربوط بهتجزيه هيدروكسي آپاتيـت بـهسـاختارهاي تـريكلـسيمفسفات و تتراكلسيم فسفات در هيچ كـدام از طيـف هـاي مربـوطبـه دماهـاي زيـر 800 درجـه سـانتي گـراد (الـف ) و (ب) م شاهده نمي شود.
پيكهـاي تيـز، باريـك و واضـح موجـود در طيـف (ج)، كـاملاًمربوط به هيدروكسي آپاتيت مـي باشـد و نـشاندهنـده خلـوص وكريستالينيتي بالاي ماده توليدي در اين دما است. در طيف پراش

)
ه
(

)
د
(

)
ج
(

)
ب
(

)
الف
(



قیمت: تومان