مطالعه ساختار و ارزيابي زيست فعالي كامپوزيت هاي نانوساختار هيدروكسي آپاتيت– نايلون 6 و 6 به روش سل- ژل

مهران مهربانيان1، مجتبي نصر اصفهاني2* و مجيد جعفري2
عضو باشگاه پژوهشگران جوان، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجفآباد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجفآباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
*m-nasresfahani@iaun.ac.ir
(تاريخ دريافت: 03/11/1389، تاريخ پذيرش: 10/02/1390)

چكيده
در اين تحقيق يك روش پليمريزاسيون فصل مشتركي براي ساخت كامپوزيتهاي نانوساختار هيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6 به روش پليمريزاسيون درجا استفاده شد. نايلون 6 و 6 از پليمريزاسيون فصل مشتركي هگزامتيلن ديآمين و آديپوئيل كلرايد در داخل سل هيدروكسي آپاتيت براي افزايش يكنواختي و زيستفعالي سنتز شد. سپس پودر سنتز شده با ميزان 60% وزني هيدروكسي آپاتيت در 80 درجه سانتيگراد خشك گرديد و توسط تكنيك هاي پراش پرتو ايكس (XRD)1، ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)2، آناليز توزين حرارتي (TGA)3 و طيفسنجي تبديل فوريه فروسرخ (FTIR)4 مشخصه يابي شد. همچنين، نتايج طيفسنجي فروسرخ نشاندهنده تشكيل پيوند هيدروژني بين گروه هيدروكسيل نانوهيدروكسي آپاتيت و گروه آميد نايلون 6 و 6 ميباشد. علاوه بر اين، الگوي پراش پرتو ايكس پودر كامپوزيتي، تشكيل همه پيكهاي اصلي نانوهيدروكسي آپاتيت و نايلون 6 و 6 را تصديق ميكند. ارزيابي خواص مكانيكي پودر كامپوزيتي مؤيد تطابق پارامترهاي اندازهگيري شده با استخوان طبيعي است. آزمون زيستفعالي با غوطهوري نمونه هاي پودري درون محلول شبيهسازي شده بدن (SBF)5 در مدت زمان هاي مشخص انجام و تشكيل آپاتيت بر سطح آن به كمك ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)6 مجهز به آناليز عنصري تفكيك انرژي پرتو ايكس (EDX)7 تأييد شد.

واژه هاي كليدي:
نانوكامپوزيت، نانوهيدروكسي آپاتيت، نايلون 6 و 6، سل– ژل، زيستفعالي.

مقدمه
زيستفعالي عالي به عنوان يكي از مشهورترين جايگزينهايبايد جهت استفاده به عنوان كاشتني، استخوان مصنوعي و يا ساير
هيدروكسي آپاتيت داراي ساختاري مشابه با فاز معدني تشكيلدهنده بافت سخت بدن يا همان استخوان طبيعي بوده كه با توجه به فرمول شيميايي [2[Ca10(PO4)6(OH) و خاصيتاستخوان طبيعي به شمار ميرود [4-1]. با اين وجود، به دليل چقرمگي شكست پايين اين بيوسراميك (2/1MPa.m 1) در مقايسه با استخوان طبيعي (2/1MPa.m 12-2)، هيدروكسي آپاتيت به تنهايي قادر به تحمل شرايط بارگذاري نبوده و كاربردهاي ارتوپدي در كنار يك يا چند ماده ديگر با مدول الاستيسيته بالا به صورت كامپوزيت قرار گيرد [5 و 6]. بنابراين، با توجه به جزء آلي تشكيلدهنده استخوان كه شامل يك ماتريكس كلاژني است، توسعه بيوكامپوزيتها با خواص مكانيكي مناسب و زيستفعالي شبيه به استخوان طبيعي براي سالهاي متمادي در دستور كار قرار گرفت. بدين منظور، پيشرفت فراواني در زمينه استحكام مكانيكي كامپوزيتهاي زيستفعال انجام شد كه از آن جمله ميتوان به افزودن ذرات بيوسراميك به داخل ماتريكس پليمري با استفاده از تكنولوژي ساخت پلاستيكهاي متداول اشاره كرد. بدين منظور، سيستمهاي كامپوزيتي متنوعي به عنوان مواد جايگزين استخوان شامل كامپوزيتهاي هيدروكسي آپاتيت تقويت شده با پليمرهاي مختلفي چون پلياتيلن، پليلاكتيد، كلاژن و غيره معرفي شد [7]. اكثر مطالعات بيانگر استفاده كمتر از 45 درصدي هيدروكسي آپاتيت با بكارگيري ذراتي با اندازه بزرگ و يا استفاده از فرآيند ذوبي بود كه اين امر سبب محدوديت در زيستفعالي كامپوزيت ها ميشود [11- 8]. از طرف ديگر در بعضي از گزارشات، يا ماتريكس آلي مورد استفاده يك پليمر قطبي نبود يا ساختار مولكولي آن شباهتي به كلاژن در استخوان طبيعي نداشت. اين امر اتصال فصل مشترك و خواص مكانيكي كامپوزيتها را تضعيف ميكرد [16- 12]. براي اولين بار، جامعترين پژوهش توسط يوبائو لي8 و همكارانش براي تهيه كامپوزيتهاي زيستفعال متشكل از دو جزء هيدروكسي آپاتيت و پليآميد 6 و 6 (نايلون 6 و 6) با كاربرد ترميم استخواني انجام گرفت كه نتايج به دست آمده بيانگر آمار اميدواركنندهاي از نزديكي خواص مكانيكي به دست آمده با استخوان طبيعي را داشت [17]. نايلون 6 و 6 يكي از مهمترين پلاستيكهاي مهندسي با خواص مكانيكي عالي به شمار رفته كه علاوه بر اين به دليل چقرمگي مناسب، به عنوان يك پليمر پزشكي جهت كاربردهايي مثل نخ بخيه، پوست مصنوعي و غيره مطرح شده است. مشتقات مونومري نايلون 6 و 6 شاملهگزامتيلن ديآمين و هگزانوئيك اسيد بوده كه نقش آنتيباكتريالي در بدن موجودات زنده دارند. اما اين ماده به تنهايي نميتواند سبب شكلگيري پيوند استخوان با بافت پيراموني گردد [18]. نايلون 6 و 6 زيستسازگاري خوبي با بافت بدن از خود نشان ميدهد كه احتمالاً به خاطر شباهت ساختار شيميايي آن به پروتئين كلاژن است. با وجود اين، كنترل زيست تخريبپذيري آن مشكل ميباشد. براي غلبه بر اين نقص، ساخت داربستهاي كامپوزيتي هيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6 پيشنهاد ميشود كه با دارا بودن تخلخل بالا و اندازه تخلخل مناسب، امكان جوانهزني، رشد و تكثير سلولي را فراهم كند. تحقيقات اخير روي حيوانات و همچنين آزمايشات باليني اثبات ميكند كه نانوكامپوزيتهاي هيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6 سازگاري خوبي با استخوان طبيعي داشته و ميتواند به طور مستقيم به آن جوش بخورد [19].
اين پديده به وضوح اثبات شده است كه نانوذرات نسبت به ميكرو ذرات، به خاطر سطح ويژه بالا و اندازه بسيار ريز آنها كه سبب تقويت آگلومراسيون ميشود، مشكلتر در شبكه پليمري ديسپرز شده و اين امر سبب توليد نانوكامپوزيتهايي با پراكندگي غيريكنواخت نانوذرات شده است. بنابراين نياز به انتخاب روش سنتز مناسب نانوپودر كامپوزيتي، به منظور دستيابي به پراكندگي يكنواخت نانوذرات در سراسر شبكه پليمري و رسيدن به حداقل آگلومراسيون بود. از طرفي، خواص فيزيكي و شيميايي مواد پليمري و كامپوزيتهاي ماتريكس پليمري به شدت روي رفتار حرارتي و بلوري آنها مؤثر بوده و تاكنون مطالعات كمي روي رفتار حرارتي و بلوري كامپوزيتهاي زيستفعال نانوهيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6 انجام شده است [20 و 21]. بنابراين در اين تحقيق به منظور ساخت نانوپودر كامپوزيتي زيستفعال، از روش سل ژل جهت تهيه نانوذرات هيدروكسي آپاتيت مشابه استخوان طبيعي و از سنتز درجا9 نايلون 6 و 6 در سل مذكور، با هدف توزيع يكنواخت نانوذرات در سراسر شبكه پليمري و رسيدن به حداقل آگلومراسيون استفاده شده است.

مواد و روشها
2-1- مواد
به منظور سنتز نايلون 6 و 6 به صورت پودري از آديپوئيل كلرايد ساخت شركت آرسو10 آمريكا و هگزامتيلن ديآمين ساخت شركت مرك11 آلمان استفاده شد. سل نانوهيدروكسي آپاتيت (n-HA) براي تهيه كامپوزيت در آزمايشگاه مطابق دستور [22] تهيه و كليه حلالها شامل سيكلوهگزان، ديمتيل فرمĤميد و آمونياك از شركت مرك خريداري گرديد.
2-2- آمادهسـازي نانوكامپوزيـت هيدروكسـي آپاتيـت – نايلون 6 و 6
به منظور تهيه نانوپودر كامپوزيتي هيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6، ابتدا سل نانوهيدروكسي آپاتيت مطابق دستور [22] ساخته شده و سپس اقدامات لازم جهت جايگزيني حلال ديمتيل فرمĤميد به جاي آب مقطر در دماي 153 درجه سانتيگراد (دماي تبخير ديمتيل فرمĤميد) انجام گرديد. پس از اطمينان از خروج كامل آب، سل پايدار نانوذرات هيدروكسي آپاتيت در داخل حلال قطبي ديمتيل فرمĤميد باقي ميماند. نتايج آناليز پراش پرتو ايكس و تصاوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري اين مسئله را تأييد مينمايد. سپس، نايلون 6 و 6 به روش پودري و در داخل سل هيدروكسي آپاتيت به صورت درجا سنتز گرديد.
در اين مرحله جهت ساخت 2 گرم از كامپوزيت 60% هيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6، مقدار 32/0گرم هگزامتيلن ديآمين را درcc 60 از سل تهيه شده به همراه مقداري آمونياك حل ميشود. سپس مقدار cc4/0 آديپوئيل كلرايد داخل cc 60 سيكلوهگزان كاملاً حل گرديده و به محلول در حال چرخش بالا اضافه ميشود [23]. در ادامه، به منظور كامل شدن فرآيندهاي هيدروليز و پليمريزاسيون پيشسازها و فرصت كافي در جهت توزيع يكنواخت در ساختار، مخلوط به مدت 2 ساعت به كمك همزن مغناطيسي در دماي 60 درجه سانتيگراد همزده شد. سپس مخلوط حاصل را به كمك ارلن خلأ متصل به پمپ و قيف بوخنر روي كاغذ صافي، صاف كرده و با آبمقطر و استون شستشو ميشود. پودر خيس باقيمانده به مدت 24ساعت در دماي 80 درجه سانتيگراد تحت عمليات خشك كردن در آون قرار داده شد تا نانوپودر كامپوزيتي تشكيل گردد.
لازم به ذكر است كه قابليت آگلومره شدن نانوذرات هيدروكسي آپاتيت به دليل سطح ويژه زياد و اندازه بسيار ريز، بخصوص در درصدهاي وزني بالا به شدت تقويت ميگردد كه در اين تحقيق با انتخاب روش سنتز درجا، سعي بر دستيابي به حداقل آگلومراسيون بوده است.
2-3- مشخصهيابي و آناليز نانوپودر كامپوزيتي هيدروكسي آپاتيت- نايلون 6 و 6
به منظور فازيابي و تعيين اندازه دانه پودر تهيه شده، آزمون پراش پرتو ايكس توسط دستگاه (1066 (Philips X’pert انجام شد.
الگوهاي پراش با استفاده از لامپ Cukα با طول موج λ =1/542 Aº، در بازه 90≤θ2≤10 و اندازه گام 05/0 و زمان بر گام 1 ثانيه به دست آمد. با مقايسه زاويه و شدت پيكهاي پراش الگوي پراش پرتو ايكس با اطلاعات موجود در كارتهاي استاندارد، هر يك از فازها و اجزاي سازنده آن مشخص و تعيين شد. به منظور بررسي مرفولوژي و سنجش اندازه ذرات هيدروكسي آپاتيت به صورت محلول و در كامپوزيت، از ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM, Philips CM 10) مناسب جهت كاربردهاي بيومواد در مقياس نانو استفاده شد.
همچنين به منظور تعيين گروههاي عاملي موجود در پودر از
تكنيك طيفسنجي مادون قرمز با تبديل فوريه (FT-IR-6300, JASCO) در محدوده 400 – 4000 بر سانتيمتر و با نرخ روبش 2 بر سانتيمتر استفاده شد. تأثير هيدروكسي آپاتيت روي پايداري حرارتي نايلون 6 و 6 با استفاده از دستگاه آناليز توزين حرارتي (TGA, 401 SA) با تأثير وزني نمونه 5 ميليگرم تا دماي 900 درجه سانتيگراد و نرخ 10 درجه سانتيگراد بر دقيقه انجام گرديد. به منظور انجام آزمونهاي خواص مكانيكي پودر نانوكامپوزيتي هيدروكسي آپاتيت – نايلون 6 و 6، نمونهها مستقيماً توسط دستگاه قالبگيري تزريقي به صورت نمونه هاي استاندارد بر طبق استاندارد ASTM در آمده و آزمونهاي كششي با استفاده از دستگاه (Instron Machine Series 1122) بر طبق استاندارد ASTM D 638 با افزايش سرعتmm/min 50 انجام شد. همچنين آزمونهاي خمشي با استفاده از دستگاهي مشابه بر طبق استانداردASTM D 790 با افزايش سرعتmm/min 5 صورت گرفت. آزمون فوق براي هر نمونه 2 بار انجام شد.
2-4- ارزيابي زيستفعالي
تشكيل آپاتيت داخل بدن، ميتواند در يك مايع شبيهسازي شده با غلظتهاي يوني تقريباً برابر با پلاسماي خون انسان مورد بررسي قرار گيرد. به بيان ديگر، زيستفعالي داخل بدن ميتواند از تشكيل آپاتيت بر سطح نمونه در مايع شبيهسازي شده بدن پيشبيني شود. بر اين اساس، محلول شبيهسازي شده بدن (SBF) بر اساس روشي كه كوكوبو در سال 2006 ميلادي ارائه كرد، آماده شد [24]. در اين روش، غلظت هر يك از يونهاي موجود در محلول شبيهسازي شده بدن با يونهاي موجود در محلول پلاسماي خون انسان منطبق است. جهت انجام اين آزمون، نانوپودر كامپوزيتي و محلول شبيهسازي شده بدن با نسبت 50 ميليگرم بر 50 ميليليتر محلول در ظروف پلاستيكي كاملاً سالم و تميز ريخته شد. سپس ظروف پلاستيكي حاوي نمونهها و مايع شبيهسازي شده بدن توسط درپوشهاي پلاستيكي مسدود و در دستگاه گرمكننده با دماي ثابت 37 درجه سانتيگراد قرار داده شد. نمونهها پس از گذشت زمانهاي 1 و 2 هفته از حمام آب خارج شده و رسوبات به كمك كاغذ صافي از محلول جدا شدند. رسوبات به دست آمده به مدت 24 ساعت در آون در دماي 100 درجه سانتيگراد خشك شدند. از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (Philips XL30) با ولتاژ بين 5 تا 20 كيلو ولت به منظور بررسي و مشاهده مورفولوژي آپاتيتهاي تشكيل شده در سطح نمونهها استفاده شد.

نتايج و بحث
مطالعه ساختاري نـانوپودر كـامپوزيتي هيدروكسـي آپاتيت- نايلون 6 و 6
شكل (1) الگوي پراش پرتو ايكس نانوذرات هيدروكسي آپاتيت، نايلون 6 و 6 خالص و نانوپودر كامپوزيتي را نشان ميدهد. نايلون 6 و 6 خالص در شكل (1- الف) داراي دو پيك مشخصه در θ=20/4º2 و θ=24/1º2 بوده كه نشاندهنده ساختار كريستالي از نوع α ميباشد. در شكل (1- پ) كه ساختار آپاتيت را نشان ميدهد، پيك مشخصه در θ=25/9º2 روند رو به رشدي در جهت محور C نشان ميدهد و ساير پيكهاي مشخصه بايد متعلق به يك ساختار كريستالي با بلورينگي كمتر باشد كه مطابق با ساختار آپاتيت در استخوان طبيعي است. اين بدان معنا است كه ميزان بلورينگي كريستالهاي نانوهيدروكسي آپاتيت سنتزشده مشابه استخوان طبيعي است [25 و 26]. همانطور كه در شكل (1- ب) نشان داده شده، ميزان بلورينگي نايلون 6 و 6 كاهش پيدا كرده كه نشاندهنده تغيير در ساختار كريستالي نايلون 6 و 6 بعد از شكلگيري كامپوزيت با نانوذرات هيدروكسي آپاتيت ميباشد. علت اين امر آن است كه پيوندهاي هيدروژني موجود در نايلون 6 و 6 كه سبب تقويت ميزان بلورينگي در اين ماده ميشوند، در طول فرآيند تشكيل كامپوزيت، به صورت باند مياني بين هيدروكسي آپاتيت و نايلون ظاهر شده و در نتيجه كاهش باندهاي هيدروژني سبب كاهش ميزان بلورينگي نايلون ميشود.
مطالعه به كمك ميكروسكوپ الكتروني عبوري شكل (2) تصوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري نانوذرات هيدروكسي آپاتيت به صورت محلول و در كامپوزيت نشان ميد هد. همان گونه كه از شكل (2- الف) مشاهده ميشود، اندازه دانه ذرات هيدروكسي آپاتيت به صورت خالص در مقياس نانو بوده و اطلاعات به دست آمده نشانگر آن است كه اندازه قطر ذرات در بازه nm25- 15 و اندازه طول ذرات در nm40-20 و طولي برابر nm80- 45 هستند. اين نتايج حاكي از آن است كه ذرات پودر كامپوزيتي محتوي نايلون 6 و 6 كه بر روي سطح نانوذرات سوزني شكل هيدروكسي آپاتيت قرار گرفته، داراي قطر و طول بزرگتري از نانوذرات هيدروكسي آپاتيت به صورت خالص ميباشد. در بررسي استخوان طبيعي ميتوان دريافت كه ذرات هيدروكسي آپاتيت سوزني شكل كه در بافتهاي سخت طبيعي شكل گرفته اند، داراي قطري در محدوده nm 60- 5 و طولي در حدود nm 100هستند [27].
بنابراين شكل و اندازه نانوذرات كامپوزيتي تهيه شده، در محدوده استخوان طبيعي است كه اين شباهت از نظر سازگاري با بافت، بسيار مفيد و حياتي است. بديهي است در پودر كامپوزيتي تهيه شده از اين نانوذرات كه براي ساخت محصولات بالك به كار ميرود، نانوذرات هيدروكسي آپاتيت به توزيع يكنواخت در شبكه پليمري كمك ميكنند.

3445002-2322149

پ

ب

الف

2
θ
(º)
Intensity counts (a.u.)
10
20 30 40 50 60 70 80
90

پ

ب

الف

2

θ

(º)

Intensity counts (a.u.)

10



قیمت: تومان


پاسخ دهید