Bioceramic Materials for Advanced Medical Applications
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Cílem disertační práce bylo připravit trojrozměrné biokeramické podpůrné systémy („skafoldy“), které by v budoucnu mohly pomoci při rekonstrukci a regeneraci poškozených kostních tkání. Porézní keramické pěny byly připraveny dvěma způsoby – replikační technikou a polymerizací in situ. Co se složení týče, byly studovány keramické materiály zejména na bázi oxidu hlinitého, zirkoničitého a kalcium fosfátů. Byl studován jednak vliv procesních parametrů jako je složení suspenzí a jejich viskozit, dále pak vliv tepelného zpracování na strukturu a výsledné vlastnosti připravených materiálů. U slinutých pěn byla pomocí rastrovací elektronové mikroskopie hodnocena zejména morfologie – velikost pórů, jejich propojenost a celková porozita, charakterizace mikrostruktury nebyla opomenuta. Dále bylo stanoveno fázové složení a pevnost v tlaku. Z biologických vlastností byla testována a diskutována bioaktivita a cytotoxicita materiálů. Disertační práce je členěna do několika částí. V literární rešerši je popsána stavba a vlastnosti kosti, požadavky kladené na kostní náhrady, výhody a nevýhody současně používaných materiálů a způsoby přípravy keramických pěn. Následuje experimentální část, kde byly nejprve studovány pěny připravené replikační technikou. Všechny takto vyrobené pěny měly propojené póry o velikostech 300 až 2000 m, celková porozita se pohybovala v rozmezí 50 – 99 %. Pevnost pěn na bázi kalcium fosfátů – 0,3 MPa (při celkové porozitě 80%) byla nedostatečná pro kostní náhrady, kde je požadována pevnost větší než 2 MPa. Kalcium fosfátové keramiky byly tedy zpevněny buďto inertním jádrem na bázi oxidu hlinitého nebo ATZ (oxidem zirkoničitým zhouževnatělým oxidem hlinitým). Dále byl přípraven částicový kompozit, ve kterým byl hydroxyapatit pojený oxidem křemičitým. Pevnost pěn se podařilo zvýšit až na více než 20 MPa. V poslední kapitole experimentální části byly studovány keramické pěny pěněné in situ, kde byly póry vytvářeny oxidem uhličitým unikajícím během reakce mezi diisokyanátem a polyalkoholem. Po vypálení polymerního pojiva měly pěny propojené póry o průměrné velikosti 80 až 550 m. Celková porozita se pohybovala v rozmezí 76 – 99%. Výhodou oproti replikační technice byly plné trámečky bez velké středové dutiny vznikající vypálením polymerní předlohy. Žádný ze studovaných materiálů nebyl pro buňky toxický, navíc všechny studované pěny vykazovaly bioaktivní chování. Z hlediska kostního tkáňového inženýrství se jako nejslibnější jeví kompozitní materiál zpevněný oxidem křemičitým.
The aim of this thesis was to prepare three-dimensional scaffolds that can be potentially used for the reconstruction and regeneration of damaged bone tissues. Two techniques were used to create the porous ceramic scaffolds – polymer replica technique and polymerization in situ. A variety of bioceramic materials were studied, mainly alumina, zirconia and calcium phosphates. The effect of processing parameters, such as composition of suspensions, as well as the effect of heat treatment on structure and final properties of the prepared scaffolds were evaluated. Morphology of the sintered scaffolds was characterised by scanning electron microscopy; in particular pore size, pores interconnection, total porosity and density were described. Phase composition, compressive strength and biological properties such as bioactivity and cytotoxicity were also discussed. The dissertation is divided into several sections. The literature review briefly summarizes the structure and properties of bones, the requirements for scaffolds, advantages and disadvantages of currently used materials and methods of ceramic foam preparation. The first part of experiments dealt with scaffolds prepared by polymer replica technique. All fabricated foams had interconnected pores with size in the range of 300 to 2000 m, total porosity was 50–99%. The compressive strength of calcium phosphate foams prepared by replica technique reached about 0.3 MPa (at 80 % porosity). Reinforcement of the scaffolds was reached by using bio-inert cores or by incorporation of silica into the composite structure. The strength of calcium phosphate/silica scaffold increased above 20 MPa. The last section of experimental part discusses in situ blown calcium phosphate scaffolds, created by using the formation process of polyurethane foam with diisocyanate and polyol components. The sintered scaffolds had mainly interconnected macroporous structure with pore size ranging 80 to 550 m. The total porosity was about 76 to 99 %. The advantage of this method compared to the polymer replica technique was that the struts were completely filled. None of the studied materials was cytotoxic and moreover all studied foams exhibited bioactive behaviour. The most promising adept for application in bone tissue engineering seems to be composite material containing calcium phosphates reinforced by silica.
The aim of this thesis was to prepare three-dimensional scaffolds that can be potentially used for the reconstruction and regeneration of damaged bone tissues. Two techniques were used to create the porous ceramic scaffolds – polymer replica technique and polymerization in situ. A variety of bioceramic materials were studied, mainly alumina, zirconia and calcium phosphates. The effect of processing parameters, such as composition of suspensions, as well as the effect of heat treatment on structure and final properties of the prepared scaffolds were evaluated. Morphology of the sintered scaffolds was characterised by scanning electron microscopy; in particular pore size, pores interconnection, total porosity and density were described. Phase composition, compressive strength and biological properties such as bioactivity and cytotoxicity were also discussed. The dissertation is divided into several sections. The literature review briefly summarizes the structure and properties of bones, the requirements for scaffolds, advantages and disadvantages of currently used materials and methods of ceramic foam preparation. The first part of experiments dealt with scaffolds prepared by polymer replica technique. All fabricated foams had interconnected pores with size in the range of 300 to 2000 m, total porosity was 50–99%. The compressive strength of calcium phosphate foams prepared by replica technique reached about 0.3 MPa (at 80 % porosity). Reinforcement of the scaffolds was reached by using bio-inert cores or by incorporation of silica into the composite structure. The strength of calcium phosphate/silica scaffold increased above 20 MPa. The last section of experimental part discusses in situ blown calcium phosphate scaffolds, created by using the formation process of polyurethane foam with diisocyanate and polyol components. The sintered scaffolds had mainly interconnected macroporous structure with pore size ranging 80 to 550 m. The total porosity was about 76 to 99 %. The advantage of this method compared to the polymer replica technique was that the struts were completely filled. None of the studied materials was cytotoxic and moreover all studied foams exhibited bioactive behaviour. The most promising adept for application in bone tissue engineering seems to be composite material containing calcium phosphates reinforced by silica.
Description
Citation
NOVOTNÁ, L. Bioceramic Materials for Advanced Medical Applications [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2015.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (předseda)
Ing. Katarina Drdlíková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Švejcar, CSc. (člen)
prof. Ing. Michal Veselý, CSc. (člen)
doc. Ing. Klára Částková, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2015-12-17
Defence
DDP byla hodnocena jako vynikající. Její přínos spočívá v návrhu technologie a analýze vlastností kostních náhrad. Výsledky byly publikovány.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení