مطالعه خواص فیزیکی و مکانیکی پوشش نانوکامپوزیتی بر پایه پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 محتوی مقادیر مختلف شیشه زیست‌فعال
الموضوعات :محمدحسین حدادی 1 , ابراهیم کرمیان 2 , حمیدرضا بخششی راد 3 , مسعود کثیری عسگرانی 4
1 - مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف آباد، نجف آباد، ایران.
2 - مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف آباد، نجف آباد، ایران.
3 - مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف آباد، نجف آباد، ایران.
4 - مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف‌آباد، نجف‌آباد، ایران
الکلمات المفتاحية: پلی کاپرولاکتون, کیتوسان, خواص فیزیکی و مکانیکی, شیشه زیست‌فعال S58.,
ملخص المقالة :
در این پژوهش، پوشش نانوکامپوزیتی بر پایه پلی کاپورلاکتون-کیتوسان، در حضور مقادیر صفر، یک، سه و پنج درصد وزنی شیشه زیست‌فعال S58 سنتز شده به روش سل-ژل، تهیه گردید و تاثیر حضور مقادیر مختلف شیشه زیست‌فعال بر میزان زاویه تماس، جذب آب، زبری سطح، استحکام کششی و رفتار خوردگی آن، توسط مشخصه‌یابی‌های متالورژیکی ارزیابی گردید. طبق نتایج حاصل از آزمون‌های زاویه تماس، درصد جذب آب، زبری سطح و استحکام کششی در نمونه‌های سنتز شده، افزایش آبدوستی با توجه به کاهش زاویه تماس (2/3 و 6/5 درصد)، افزایش جذب آب (14/13 و 21/23 درصد)، افزایش زبری سطح (16/70 و 44/148 درصد) و افزایش استحکام کششی (26/45 و 70/48 درصد) به ترتیب در نمونه PCB3 و PCB5 نسبت به PCB0 گزارش گردید. طبق نتایج طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و آزمون پلاریزاسیون خطی نمونه PCB3، افزایش پتانسیل خوردگی پوشش تا 29/0- ولت و کاهش چگالی جریان خوردگی تا 05/2 میکروآمپر بر سانتیمتر مکعب نسبت به سایر نمونه‌ها گزارش شد. بنابراین، طبق نتایج حاصل از پژوهش، حضور مقدار بهینه 3 درصد وزنی شیشه زیست‌فعال منجر به بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پوشش مورد بررسی از طریق افزایش مقاومت به خوردگی پوشش، کاهش زاویه تماس، افزایش درصد جذب آب، آبدوستی و زبری سطح در نمونه PCB3 گردید.
[1] M. M. De Castro, D. R. Lopes & L. V. Dias, "Mg-based composites for biomedical applications", Magnesium Alloys Structure and Properties, vol. 107, doi: 10.5772/intechopen.95079, 2022.
[2] G. D. Cha, D. Kang, J. Lee & D. H. Kim, "Bioresorbable electronic implants: history, materials, fabrication, devices, and clinical applications", Advanced Healthcare Materials, vol. 8, no. 11, p. 1801660, doi: 10.1002/adhm.201801660, 2019.
[3] R. Venkatesh & H. Kanagasabapathy, "Analysing the characteristics of magnesium based composites for biomedical applications", Materials Today: Proceedings, doi: 10.1016/j.matpr.2023.03.039, 2023.
[4] G. Uppal, A. Thakur, A. Chauhan & S. Bala, "Magnesium based implants for functional bone tissue regeneration–A review", Journal of Magnesium and Alloys, vol. 10, no. 2, pp. 356-386, doi: 10.1016/j.jma.2021.08.017, 2022.
[5] R. M. Pilliar, "Metallic biomaterials", Biomedical Materials, pp. 1-47, doi: 10.1007/978-3-030-49206-9_1, 2021.
[6] M. Prakasam, J. Locs, K. Salma-Ancane, D. Loca, A. Largeteau L. Berzina-Cimdina, "Biodegradable materials and metallic implants—a review", Journal of Functional Biomaterials, vol. 8, no. 4, p. 44, doi: 10.3390/jfb8040044, 2017.
[7] N. O. Joy-anne, Y. Su, X. Lu, P. H. Kuo, J. Du & D. Zhu, "Bioactive glass coatings on metallic implants for biomedical applications", Bioactive Materials, vol. 1, no. 4, pp. 261-270, doi: 10.1016/j.bioactmat.2019.09.002, 2019.
[8] H. Hornberger, S. Virtanen & A. R. Boccaccini, "Biomedical coatings on magnesium alloys–a review", Acta Biomaterialia, vol. 8, no. 7, pp. 2442-2455, doi: 10.1016/j.actbio.2012.04.012, 2012.
[9] M. A. Woodruff & D. W. Hutmacher, "The return of a forgotten polymer—Polycaprolactone in the 21st century", Progress in Polymer Science, vol. 35, no. 10, pp. 1217-1257, doi: 10.1016/j.progpolymsci.2010.04.002, 2010.
[10] M. Labet & W. Thielemans, "Synthesis of polycaprolactone: a review", Chemical Society Reviews, vol. 38, no. 12, pp. 3484-3504, doi: 10.1039/B820162P, 2009.
[11] A. Usman, K. M. Zia, M. Zuber, S. Tabasum, S. Rehman & F. Zia, "Chitin and chitosan based polyurethanes: A review of recent advances and prospective biomedical applications", International Journal of Biological Macromolecules, vol. 1, no. 86, pp. 630-645, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2016.02.004, 2016.
[12] M. E. Abd El-Hack, M. T. El-Saadony, M. E. Shafi, N. M. Zabermawi, M. Arif, G. E. Batiha, A. F. Khafaga, Y. M. Abd El-Hakim & A. A. Al-Sagheer, "Antimicrobial and antioxidant properties of chitosan and its derivatives and their applications: A review", International Journal of Biological Macromolecules, vol. 1, no. 164, pp. 2726-2744, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.08.153, 2020.
[13] G. Crini, "Historical review on chitin and chitosan biopolymers", Environmental Chemistry Letters, vol. 17, no. 4, pp. 1623-1643, doi: 10.1007/s10311-019-00901-0, 2019.
[14] D. Wang & G. P. Bierwagen, "Sol–gel coatings on metals for corrosion protection", Progress in Organic Coatings, vol. 64, no. 4, pp. 327-338, doi: 10.1016/j.porgcoat.2008.08.010, 2009.
[15] J. Puetz & M. A. Aegerter, "Dip coating technique", Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users, pp. 37-48, doi: 10.1007/978-0-387-88953-5_3, 2004.
[16] D. Shekhawat, A. Singh, M. K. Banerjee, T. Singh & A. Patnaik, "Bioceramic composites for orthopaedic applications: A comprehensive review of mechanical, biological, and microstructural properties". Ceramics International, vol. 47, no. 3, pp. 3013-3030, doi: 10.1016/j.ceramint.2020.09.214, 2021.
[17] H. Gul, M. Khan & A. S. Khan, "Bioceramics: Types and clinical applications. In Handbook of Ionic Substituted Hydroxyapatites", Woodhead Publishing, pp. 53-83doi: 10.1016/B978-0-08-102834-6.00003-3, 2020.
[18] F. Soleimani & R. Emadi, "Evaluation of Bioactivity and Corrosion Behavior of AZ91 Alloy with Polymer/Ceramic Composite Coating", Advanced Materials in Engineering, vol. 38, no. 3, doi: 10.47176/JAME.38.3.20201, 2019.
[19] Z. Ahmadi & F. Moztarzadeh, "Synthesizing and characterizing of gelatin-chitosan-bioactive glass (58s) scaffolds for bone tissue engineering", Silicon, vol. 10, pp. 1393-1402, doi: 10.1007/s12633-017-9616-z, 2018.
[20] A. Shahin-Shamsabadi, A. Hashemi, M. Tahriri, F. Bastami, M. Salehi & F. M. Abbas, "Mechanical, material, and biological study of a PCL/bioactive glass bone scaffold: Importance of viscoelasticity", Materials Science and Engineering C, vol. 1, no. 90, pp. 280-288, doi: 10.1016/j.msec.2018.04.080, 2018.
[21] M. Mehdipour & A. Afshar, "A study of the electrophoretic deposition of bioactive glass–chitosan composite coating", Ceramics International, vol. 38, no. 1, pp. 471-476, doi: 10.1016/j.ceramint.2011.07.029, 2012.
[22] A. S. Kiran, A. Kizhakeyil, R. Ramalingam, N. K. Verma, R. Lakshminarayanan, T. S. Kumar, M. Doble & S. Ramakrishna, "Drug loaded electrospun polymer/ceramic composite nanofibrous coatings on titanium for implant related infections", Ceramics International, vol. 45, no. 15, pp. 18710-18720, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.06.097, 2019.
[23] A. Zomorodian, C. Santos, M. J. Carmezim, T. M. eSilva, J. C. Fernandes & M. D. Montemor, "In-vitro corrosion behaviour of the magnesium alloy with Al and Zn (AZ31) protected with a biodegradable polycaprolactone coating loaded with hydroxyapatite and cephalexin", Electrochimica Acta, vol. 179, pp. 431-440, doi: 10.1016/j.electacta.2015.04.013, 2015.
[24] E. Motalebzadeh, S. Hemati, M. A. Mayvani & M. Ghollasi, "Employing novel biocompatible composite scaffolds with bioglass 58S and poly L-lactic acid for effective bone defect treatment", Molecular Biology Reports, vol. 51, no. 1, p. 838. doi: 10.1007/s11033-024-09763-4, 2024.
[25] A. B. D. Nandiyanto, R. Oktiani & R. Ragadhita, "How to read and interpret ftir spectroscope of organic material", Indonesian Journal of Science and Technology, vol. 4, pp. 97–118, doi: 10.17509/ijost.v4i1.15806, 2019.
[26] M. Aflori, D. Serbezeanu, A. M. Ipate, A. M. Dobos & D. Rusu, "Development of New Polyimide/Spirulina Hybrid Materials: Preparation and Characterization", Journal of Composites Science, vol. 8, no. 5, p. 178, doi: 10.3390/jcs8050178, 2024.
[27] M. R. Foroughi, S. Karbasi, M. Khoroushi & A. A. Khademi, "Polyhydroxybutyrate/ chitosan/ bioglass nanocomposite as a novel electrospun scaffold: Fabrication and characterization", Journal of Porous Materials, vol. 24, p. 1447-60, doi: 10.1007/s10934-017-0385-2, 2017.
[28] A. M. Deliormanlı & R. Konyalı, "Bioactive glass/hydroxyapatite-containing electrospun poly (ε-Caprolactone) composite nanofibers for bone tissue engineering", Journal of the Australian Ceramic Society, vol. 55, no. 1, pp. 247-256, doi: 10.1007/s41779-018-0229-9, 2019.
[29] M. Dziadek, K. Dziadek, K. Checinska, B. Zagrajczuk, M. Golda-Cepa, M. Brzychczy-Wloch, E. Menaszek, A. Kopec & K. Cholewa-Kowalska, "PCL and PCL/bioactive glass biomaterials as carriers for biologically active polyphenolic compounds: Comprehensive physicochemical and biological evaluation", Bioactive Materials, vol. 6, no. 6, pp. 1811-1826, doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.11.025, 2021.
[30] L. Ma, C. Gao, Z. Mao, J. Zhou, J. Shen, X. Hu & C. Han, "Collagen/chitosan porous scaffolds with improved biostability for skin tissue engineering", Biomaterials, vol. 24, no. 26, pp. 4833-4841. doi: 10.1016/S0142-9612(03)00374-0, 2003.
[31] L. D. Pozzo, T. F. da Conceição, A. Spinelli, N. Scharnagl & A. T. Pires, "Chitosan coatings crosslinked with genipin for corrosion protection of AZ31 magnesium alloy sheets", Carbohydrate polymers, vol. 181, pp. 71-77, doi: 10.1016/j.carbpol.2017.10.055, 2018.
[32] L. Y. Cui, X. U. Ji, L. U. Na, R. C. Zeng, Y. H. Zou, S. Q. Li & F. Zhang, "In vitro corrosion resistance and antibacterial properties of layer-by-layer assembled chitosan/poly-L-glutamic acid coating on AZ31 magnesium alloys", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 27, no. 5, pp. 1081-1086, doi: 10.1016/S1003-6326(17)60126-2, 2017.
[33] F. Soleymani, R. Emadi, S. Sadeghzade & F. Tavangarian, "Applying baghdadite/PCL/chitosan nanocomposite coating on AZ91 magnesium alloy to improve corrosion behavior, bioactivity, and biodegradability", Coatings, vol. 9, no. 12, p. 789, doi: 10.3390/coatings9120789, 2019.
[34] E. B. Toloue, M. Mohammadalipour, S. Mukherjee & S. Karbasi, "Ultra-thin electrospun nanocomposite scaffold of poly (3-hydroxybutyrate)-chitosan/magnetic mesoporous bioactive glasses for bone tissue engineering applications", International Journal of Biological Macromolecules, vol. 254, p. 127860, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.127860, 2024.
[35] K. Ginjupalli & N. P. Upadhya, "Surface roughness of implants: A review", Trends in Biomaterials and Artificial Organs, vol. 25, no. 3, pp. 112-118, 2011.
[36] X. Chen, A. Nouri, Y. Li, J. Lin, P. D. Hodgson & C. E. Wen, "Effect of surface roughness of Ti, Zr, and TiZr on apatite precipitation from simulated body fluid", Biotechnology and Bioengineering, vol. 101, no. 2, pp. 378-387, doi: 10.1002/bit.21900, 2008.
[37] S. Heise, M. Höhlinger, Y. T. Hernández, J. J. Palacio, J. A. Ortiz, V. Wagener, S. Virtanen & A. R. Boccaccini, "Electrophoretic deposition and characterization of chitosan/bioactive glass composite coatings on Mg alloy substrates", Electrochimica Acta, vol. 232, pp. 456-464, doi: 10.1016/j.electacta.2017.02.081, 2017.
[38] A. M. Abd El-Aziz, A. Abd El-Fattah, A. El-Maghraby, D. A. Ghareeb & S. Kandil, "Viscoelasticity, mechanical properties, and in vitro bioactivity of gelatin/borosilicate bioactive glass nanocomposite hydrogels as potential scaffolds for bone regeneration", Polymers, vol. 13, no. 12, p. 2014, doi: 10.3390/polym13122014, 2021.
[39] A. K. Gaharwar, C. P. Rivera, C. J. Wu & G. Schmidt, "Transparent, elastomeric and tough hydrogels from poly (ethylene glycol) and silicate nanoparticles", Acta Biomaterialia, vol. 7, no. 12, pp. 4139-4148, doi: 10.1016/j.actbio.2011.07.023, 2011.
[40] A. R. Shahmoradi, N. Talebibahmanbigloo, C. Nickhil, R. Nisha, A. A. Javidparvar, P. Ghahremani, G. Bahlakeh & B. Ramezanzadeh, "Molecular-MD/atomic-DFT theoretical and experimental studies on the quince seed extract corrosion inhibition performance on the acidic-solution attack of mild-steel", Journal of Molecular Liquids, vol. 346, p. 117921, doi: 10.1016/j.molliq.2021.117921, 2022.
[41] A. A. Javidparvar, R. Naderi & B. Ramezanzadeh, "Epoxy-polyamide nanocomposite coating with graphene oxide as cerium nanocontainer generating effective dual active/barrier corrosion protection", Composites Part B: Engineering, vol. 172, pp. 363-375, doi: 10.1016/j.compositesb.2019.05.055, 2019.
[42] F. Mansfeld & B. Little, "A technical review of electrochemical techniques applied to microbiologically influenced corrosion", Corrosion Science, vol. 32, no. 3, pp. 247-272, doi: 10.1016/0010-938X(91)90072-W, 1991.
[43] A. Zacharopoulou, E. Zacharopoulou & G. Batis, "Protection systems for reinforced concrete with corrosion inhibitors". Open Journal of Metal, vol. 4, pp. 86-92, doi: 10.4236/ojmetal.2014.44010, 2014.
[44] S. Pour-Ali, C. Dehghanian & A. Kosari, "Corrosion protection of the reinforcing steels in chloride-laden concrete environment through epoxy/polyaniline–camphorsulfonate nanocomposite coating", Corrosion Science, vol. 90, pp. 239-247, doi: 10.1016/j.corsci.2014.10.015, 2015.
[45] A. Dehghani, G. Bahlakeh & B. Ramezanzadeh "Designing a novel targeted-release nano-container based on the silanized graphene oxide decorated with cerium acetylacetonate loaded beta-cyclodextrin (β-CD-CeA-MGO) for epoxy anti-corrosion coating", Chemical Engineering Journal, vol. 400, p. 125860. doi: 10.1016/j.cej.2020.125860, 2020.
[46] ح. اسماعیلی، س. نقیبی و ش. کردزنگنه، "پوشش¬دهی فولاد با رزین آلکیدی بلند تقویت شده با نانوذرات سیلیکون کاربید به‌منظور ارتقای مقاومت به خوردگی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 2، صفحه 134-123، 1396.
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نوزدهم – شماره دوم – تابستان 1404 (شماره پیاپی 73)، صص. 35-49 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
مطالعه خواص فیزیکی و مکانیکی پوشش نانوکامپوزیتی بر پایه پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 محتوی مقادیر مختلف شیشه زیست‌فعال
مقاله پژوهشی |
1- مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف‌آباد، نجف‌آباد، ایران.
* ebkaramian1@gmail.com
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 10/08/1403 پذیرش: 19/10/1403 | در این پژوهش، پوشش نانوکامپوزیتی بر پایه پلی کاپرولاکتون-کیتوسان، در حضور مقادیر صفر، یک، سه و پنج درصد وزنی شیشه زیست‌فعال S58 سنتز شده به روش سل-ژل، تهیه گردید و تأثیر حضور مقادیر مختلف شیشه زیست‌فعال بر میزان زاویه تماس، جذب آب، زبری سطح، استحکام کششی و رفتار خوردگی آن، توسط مشخصه‌یابی‌های متالورژیکی ارزیابی گردید. طبق نتایج حاصل از آزمون‌های زاویه تماس، درصد جذب آب، زبری سطح و استحکام کششی در نمونه‌های سنتز شده، افزایش آبدوستی با توجه به کاهش زاویه تماس (2/3 و 6/5 درصد)، افزایش جذب آب (14/13 و 21/23 درصد)، افزایش زبری سطح (16/70 و 44/148 درصد) و افزایش استحکام کششی (26/45 و 70/48 درصد) به ترتیب در نمونه PCB3 و PCB5 نسبت به PCB0 گزارش گردید. طبق نتایج طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و آزمون پلاریزاسیون خطی نمونه PCB3، افزایش پتانسیل خوردگی پوشش تا 29/0- ولت و کاهش چگالی جریان خوردگی تا 05/2 میکروآمپر بر سانتیمتر مکعب نسبت به سایر نمونه‌ها گزارش شد؛ بنابراین، طبق نتایج حاصل از پژوهش، حضور مقدار بهینه 3 درصد وزنی شیشه زیست‌فعال منجر به بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پوشش مورد بررسی از طریق افزایش مقاومت به خوردگی پوشش، کاهش زاویه تماس، افزایش درصد جذب آب، آبدوستی و زبری سطح در نمونه PCB3 گردید. | |
کلید واژگان: پلی کاپرولاکتون کیتوسان خواص فیزیکی و مکانیکی شیشه زیست‌فعال S58. |
|
Studying the Effect of the Presence of Different Amounts of Bioactive Glass on the Physical and Mechanical Properties of the Nanocomposite Coating Based on Polycaprolactone-Chitosan-58S Bioactive Glass
Mohammad Hosein Haddadi, Ebrahim Karamian*, Hamid Reza Bakhsheshi-Rad, Masoud Kasiri-Asgarani1
1- Advanced Materials Research Center, Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.
* ebkaramian1@gmail.com
Abstract |
| Article Information |
In this research, nanocomposite coating based on polycaprolactone-chitosan was prepared in the presence of zero, one, three and five weight percent of 58S bioactive glass synthesized by sol-gel method, and the effect of the presence different amounts of bioactive glass were evaluated on contact angle, water absorption, surface roughness, tensile strength and corrosion behavior by metallurgical characterization. According to the results of the contact angle tests, the percentage of water absorption, surface roughness and tensile strength in the synthesized samples, the increase in hydrophilicity due to the decrease in the contact angle (3.2 and 5.6 percent), the increase in water absorption (13.14 and 23.21 percent), an increase in surface roughness (70.16 and 148.44 percent) and an increase in tensile strength (45.26 and 48.70 percent) were reported in PCB3 and PCB5 samples, respectively, compared to PCB0. According to the results of electrochemical impedance spectroscopy and linear polarization test of the PCB3 sample, an increase in the corrosion potential of the coating up to -0.29 V and a decrease in the corrosion current density up to 2.05 microamps per cubic centimeter was reported compared to other samples. Therefore, according to the results of the research, the presence of the optimal amount of 3% by weight of bioactive glass leads to the improvement of the physical and mechanical properties of the investigated coating by increasing the corrosion resistance of the coating, reduction of the contact angle, increasing the percentage of water absorption, hydrophilicity, and surface roughness in the sample was PCB3. | Original Research Paper | |
| Keywords: Polycaprolactone Chitosan Physical and Mechanical Properties 58S Bioactive Glass. |
1- مقدمه
رشد جمعیت افراد سالخورده، منجر به افزایش آمار شکستگی‌های استخوان در جامعه شده است که بررسی و ارائه راهکارهای کارآمد در پیشگیری و کمک به بهبود روند درمان آن بسیار حائز اهمیت است. از این رو با پیشرفت علم در حوزه بکارگیری مواد زیستی1در ترمیم و درمان بافت‌های آسیب‌دیده، از کاشتني‌هاي2 پزشکی با پوشش‌هایی بر پایه مواد زیستی به‌عنوان یک راهكار مناسب در کاربردهای درمانی نظير ترمیم و جایگزینی بافت، استنت قلبی و دارورسانی استفاده گردیده است [1]. همچنین، داشتن خواصی نظیر خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب، زیست‌سازگاري3، زیست‌فعالی4، چسبندگی سلولی، مقاومت در برابر خوردگی5، استخوانی‌زایی6، ضریب اصطکاک و نرخ سايش پایین در مواد زیستی، منجر به استفاده از آن‌ها به‌عنوان یک گزینه قابل اطمینان در کاربردهای درمانی در داخل بدن شده است [2]. ضمن اینکه، خواص سطحی مطلوب در سطح مواد زیستی به دلیل بروز واکنش‌های سطحی در فصل مشترک ماده زیستی با محیط فیزیولوژیکی بدن، یک عامل مهم در پذیرش و یا رد استفاده از آن‌ها در داخل بدن هست [3]. علاوه بر این طبق پژوهش‌های پیشین، خواص زیستی نامطلوب پوشش‌های کاشتنی‌های زیستی، منجر به بروز فیبروز7 در فصل مشترک کاشتنی و بافت، شل شدن کاشتنی و عدم ایجاد پیوند در بافت آسیب‌دیده می‌گردد که استفاده از مواد زیستی در ترکیب شیمیایی مواد مرکب بر پایه پلیمر- سرامیک، می‌تواند منجر به بهبود زیست‌سازگاری و مقاومت به خوردگی آن‌ها در محیط فیزیولوژیکی بدن گردد [1-6]. ذکر این نکته حائز اهمیت است که قرارگیری طولانی‌مدت یک کاشتنی در بدن، کنترل واکنش‌های سطحی و زمان اتصال کاشتنی به بافت، ملزم به پوششدهی سطح کاشتنی و اصلاح ویژگی‌های سطحی آن نظیر شیمی سطح، ترشوندگی8، بار الکتریکی و زبری سطح9 است [7-8]. همچنین، پلی کاپرولاکتون10 به‌عنوان یک پلیمر مصنوعی نیمه بلوری و آبگریز، به دلیل داشتن خواصی نظیر زیست‌تخریب‌پذیری، زیست‌سازگاری، انعطاف‌پذیری بالا، سینتیک تخریب مناسب، خواص مکانیکی مطلوب و اندازه تخلخل کنترل شده برای رشد بافت، در کاربردهای درمانی-پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است [9-10]. ضمن اینکه کیتوسان11 یک پلیمری طبیعی نظیر کلاژن و پروتئین است که به دلیل وجود گروه‌های آمین آزاد در طول زنجیره پلیمر و حلالیت خوب در اسیدهای ضعیفی نظیر اسید استیک، جایگاه مناسبی در بین پلی ساکاریدها دارد [11-13]. علاوه بر این، شیشه‌های زیست‌فعال12 به دلیل داشتن مزایایی نظیر قابلیت ترمیم بافت، ارتقا زیست‌سازگاری و زیست‌فعالی، می‌توانند به‌عنوان یک ماده پوششی، با تشکیل لایه آپاتایت13 بر روی سطح خود، منجر به ایجاد پیوندی مستحکم بین کاشتنی و بافت گردند. از این رو، شیشه‌های زیست‌فعال به دو روش ذوبی14 و سل- ژل15 سنتز می‌شوند که روش سل- ژل دارای مزایایی نظیر دمای پایین فرآیند، تخلخل در ابعاد نانو، سطح ویژه بالاتر و زیست‌فعالی بالاتر نسبت به روش ذوبی است [14-15].
در پژوهش‌های پیشین، کامپوزیت‌های16 بر پایه پلیمر- شیشه زیست‌فعال، به‌عنوان پوشش برای افزایش مقاومت مکانیکی، زیست‌فعالی، چسبندگی سلولی، پایداری شیمیایی و عملکرد سطحی مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است که نتایج حاکی از تشکیل یک لایه آپاتایت، برقراری پیوندی مستحکم بین کاشتنی و بافت سخت و نرم، ارتقا فرآیند رگ‌زایی، چسبندگی سلولی، فعالیت آنزیم و تمایز سلول‌های بنیادی مزانشیمی بود [16-18]. علاوه بر این در پژوهشی، یک داربست بر پایه ژلاتین-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 سنتز و مورد بررسی قرار گرفت که طبق نتایج، ارتقا نرخ تشکیل لایه آپاتایت، افزایش زیست‌فعالی و نیز افزایش مدول یانگ17 داربست با افزایش درصد وزنی شیشه زیست‌فعال گزارش گردید [19]. ضمن اینکه در مطالعه‌ای دیگر، داربست نانوکامپوزیتی بر پایه پلی کاپرولاکتون و شیشه زیست فعال S58 در حضور مقادیر صفر، پنج، 10 و 20 درصد وزنی شیشه زیست‌فعال سنتز و بررسی گردید که نتایج حاکی از بالاترین مدول الاستیک، استحکام تسلیم، گران‌روی کشسانی18 و آبدوستی19 در نمونه حاوی پنج درصد وزنی شیشه زیست‌فعال نسبت به سایر نمونه‌های سنتز شده در این مطالعه بود [20]. همچنین در پژوهشی، پوشش کامپوزیتی بر پایه شیشه زیست‌فعال-کیتوسان سنتز شد و طبق نتایج بهبود مقاومت به خوردگی و استخوان‌زایی در کامپوزیت‌های مورد بررسی گزارش گردید [21]. ضمن اینکه در مطالعه‌ای دیگر، پوشش نانوالیاف کامپوزیتی پلی کاپرولاکتون با نانوذارت آپاتایت و داروی ریمفامپیسین20 سنتز شد و نتایج بررسی حاکی از افزایش زیست‌فعالی، ارتقا استحکام کششی، افزایش آبدوستی و کاهش زاویه تماس21 و بهبود خواص مکانیکی آن بود [22]. علاوه بر این، در پژوهشی رفتار خوردگی و خواص زیست‌فعالی پوشش‌های نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-آپاتایت بارگذاری شده با داروی سفالکسین مورد بررسی قرار گرفت و طبق نتایج کاهش زاویه تماس، افزایش آبدوستی، افزایش مقاومت به خوردگی، رهایش کنترل شده دارو و بهبود خواص زیستی آن گزارش شد [23]. از این رو، به دلیل مشکلات ناشی از قرارگیری طولانی‌مدت کاشتنی‌های دائمی در بدن انسان، نظیر نیاز به جراحی مجدد برای خارج کردن کاشتنی از بدن و بروز سمیت سلولی، منجر به طراحی کاشتنی‌های موقت با قابلیت‌های زیستی نظیر زیست‌تخریب‌پذیری گردید که سنتز پوشش مناسب یکی از گزینه‌های اساسی در ارتقا کاربردهای درمانی آن‌ها می‌باشد؛ بنابراین در این پژوهش، پوشش‌های نانوکامپوزیتی بر پایه پلی کاپرولاکتون-کیتوسان، در حضور مقادیر صفر، یک، سه و پنج درصد وزنی شیشه زیست‌فعال S58 سنتز شده به روش سل-ژل، تهیه شد و تأثیر حضور مقادیر مختلف شیشه زیست‌فعال بر میزان زاویه تماس، جذب آب، زبری سطح و رفتار خوردگی آن‌ها، به‌منظور استفاده در کاربردهای درمانی مهندسی بافت22، توسط آزمون‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی23، طیف‌سنجی پراش انرژی پرتوایکس24، زاویه تماس، میزان ترشوندگی سطح، درصد جذب آب، زبری سطح، استحکام کششی، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی25 و پلاریزاسیون پتانسیودینامیک26 ارزیابی گردید.
2- مواد و روشهای انجام تحقيق
2-1- معرفی مواد اولیه
جدول (1): مواد اولیه مورد نیاز به‌منظور ساخت پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
مواد اولیه | پلی کاپرولاکتون | کیتوسان |
ترکیب شیمیایی | C6H10O2 | (C8H13O5N)n |
دمای ذوب | °C 60 | °C 270 |
چگالی | g/cm3 145/1 | g/mL 38/20-0/0 |
وزن ملکولی متوسط (Mn) | g/mol6000 | g/mol 50000 |
2-2- سنتز نانوذرات شیشه زیست‌فعال S58
به‌منظور سنتز نانوذرات شیشه زیست‌فعال S58 با ترکیب شیمیایی P2O59-CaO33-SiO258 (درصد وزنی) به روش سل-ژل، ابتدا mL 5/20 تترااتیل ارتوسیلیکات27 در آب دیونیزه28 و mL50 اتانول حل شد و pH محلول با استفاده از اسید نیتریک M 2 تا دو تنظیم گردید. سپس mL 2 تری‌اتیل فسفات29 و gr 13 کلسیم نیترات30 به محلول اضافه شد و به‌منظور ایجاد یک محلول همگن، توسط همزن مغناطیسی به مدت 60 دقیقه هم زده شد. همچنین سوسپانسیون حاصله دمای °C 60 به مدت 54 ساعت در آون قرار گرفت و پس از خشکسازی به مدت 72 ساعت در دمای °C 130، فرآیند پایدارسازی31 در دمای °C 700 به مدت یک ساعت در کوره انجام گردید. ضمن اینکه پودر حاصل به مدت یک ساعت در آسیاب گلوله‌ای32 با سرعت 250 دور بر دقیقه آسیاب شد که در جدول (2) نیز، مشخصات مواد اولیه مورد نیاز به‌منظور سنتز نانوذرات شیشه زیست فعال S58 آورده شده است.
جدول (2): مواد اولیه مورد نیاز به‌منظور سنتز شیشه زیست‌فعال S58.
نام ماده | ترکیب شیمیایی | علامت اختصاری | نام شرکت سازنده |
تترااتیل ارتوسیلیکات | (C2H5O)4Si | TEOS | سیگما آلدریج |
تری‌اتیل فسفات | (C2H5O)3P | TEP | سیگما آلدریج |
کلسیم نیترات | Ca(NO3)2.4H2O | _ | سیگما آلدریج |
اتانول | C2H5OH | ــ | سیگما آلدریج |
اسید نیتریک | HNO3 | ــ | سیگما آلدریج |
2-3- سنتز پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58
ابتدا پلیمر پلی کاپرولاکتون و پلیمر کیتوسان در اسید استیک33 و اسید فرمیک34 با درصد وزنی سه بر یک از آن‌ها، حل گردید و پس از هم زدن محلول تهیه شده به مدت سه ساعت با همزن مغناطیسی، نانوذرات شیشه زیست‌فعال S58 سنتز شده به محلول اضافه شد. همچنین با توجه به انرژی سطحی بالای نانوذرات شیشه زیست‌فعال و تمایل به کلوخه شدن، به‌منظور پخش بهتر این ذرات در محلول و جلوگیری از ایجاد کلوخه، نانوذرات شیشه زیست فعال S58 به‌صورت همگن در سوسپانسیون با استفاده از روش مافوق صوتی به مدت 30 دقیقه توزیع شد. ضمن اینکه در جدول (3) نام و ترکیب شیمیایی چهار نمونه از پوشش‌های نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 ارائه شده است.
جدول (3): نام و ترکیب شیمیایی پوشش‌های نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
نام نمونه | پلیمر پلی کاپرولاکتون (Wt%) | پلیمر کیتوسان (Wt%) | شیشه زیست‌فعال 58S (Wt%) |
PCB0 | 90 | 10 | 0 |
PCB1 | 89 | 10 | 1 |
PCB3 | 87 | 10 | 3 |
PCB5 | 85 | 10 | 5 |
2-4- مشخصه‌یابی‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58
در این پژوهش، به‌منظور بررسی ریخت‌شناسی لایه آپاتایت تشکیل شده بر روی پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان- شیشه زیست فعال S58، از میکروسکوپ الکترون روبشی مدل (SEM;Philips,XL30) استفاده شد. همچنین، برای آماده‌سازی نمونه‌ها قبل از انجام آزمون از چسب آلومینیمی دوطرفه به‌منظور رفع مشکل هدایت الکتریکی ضعیف نمونه‌ها و برقراری رسانایی الکتریکی استفاده شده و سپس لایه نازکی از فلز طلا به‌منظور ایجاد رسانایی و خنثی‌سازی شارژ الکتریسیته روی سطوح نمونه‌ها، به روش رسوب فیزیکی بخار روی پوشش‌ها اعمال گردید.
ضمن اینکه، میزان ترشوندگی سطح پوشش‌ها، از طریق اندازه‌گیری زاویـه تماس آن‌ها مطابق با استانداردهای (ASTM D7334) و (ASTM D5964) توسط دستگاه (pendent drop IFT measurment apparatus-CA-ES10) در دمای اتاق، انجام شد و زاویه تماس آن‌ها توسط نرم‌افزار Image J مشخص گردید. ذکر این نکته حائز اهمیت است که استانداردهای مذکور برای توصیف میزان ترشوندگی و زاویه تماس، مطابق با اصول پذیرفته شده بین‌المللی استانداردسازی تنظیم شده در قطعنامه اصول توسعه استانداردهای بین‌المللی، دستورالعمل‌ها و توصیه‌های صادر شده توسط کمیته موانع فنی تجارت سازمان تجارت جهانی (TBT) تدوین شده است. علاوه بر این برای بررسی میزان جذب آب، ابتدا نمونه‌های مورد بررسی به شکل مکعب مربع و در ابعاد mm2 20×20 تهیه شد و وزن نمونه‌ها قبل و بلافاصله پس از قرارگیری به مدت 24 ساعت درون آب مقطر در دمای اتاق، با استفاده از رابطه (1) اندازه‌گیری گردید. همچنین، به‌منظور بررسی میزان زبری سطح پوشش‌ها از آزمون زبری سطح توسط دستگاه Mitutoyo مدل SJ-210 استفاده شد که در آن نمونه‌ها با ابعاد mm2 20×20 تهیه و مورد بررسی قرار گرفت. ضمن اینکه، آزمون بررسی خواص کششی پوشش‌ها، به‌منظور بررسی تأثیر افزودن نانوذرات شیشه زیست‌فعال بر خواص مکانیکی و محاسبه نیروی پارگی آن‌ها، با سرعت mm/min 10 و اعمال بار 100 نیوتون توسط دستگاه1446-Zwick و طبق استاندارد (ASTM D882) انجام شد و سپس نمودارهای تنش اعمالی و تغییر طول ترسیم گردید. علاوه بر این، رفتار خوردگی نمونه‌ها در محلول شبیه‌سازی شده بدن35 به‌عنوان یک محیط خورنده در دمای °C 25 و 4/7pH=، توسط آزمون طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و پلاریزاسیون پتانسیودینامیک با استفاده از یک پتانسیواستات/گالوانوستات مدل (PARSTAT-2273) انجام گرفت. از این رو، از یک سلول سه الکترودی مرسوم شامل (Ag/AgCl) به‌عنوان الکترود مرجع، ورقی از جنس پلاتین به‌عنوان الکترود مقابل و نمونه‌ها به‌عنوان الکترود کاری استفاده گردید که قبل از انجام آزمون نیز، نمونه‌ها به به‌منظور رسیدن به پتانسیل مدار باز پایدار به مدت یک ساعت محلول شبیه‌سازی شده بدن قرار گرفتند. همچنین، آزمون طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی در محدوده فرکانسی Hz 10-2 تا 105، آزمون پلاریزاسیون در محدوده V 25/0- تا 6/1 و پتانسیل مدار باز پایدار در نرخ اسکن mV/s1 انجام شد که ارزیابی منحنی‌ها نیز، توسط نرم‌افزار Nova 1.7.8 انجام گرفت.
(1) |
|
نمونه | زاویه تماس (درجه) |
PCB0 | 3/1±124 |
PCB1 | 1/1±121 |
PCB3 | 1/1±120 |
PCB5 | 2/1±117 |
3-3- بررسی نتایج اندازه‌گیری میزان جذب آب
میزان توانایی جذب آب سطح پوشش‌ها، به عواملی نظیر میزان ترشوندگی پوشش، اندازه و حجم تخلخل‌ها در ساختار پوشش وابسته است که در شکل (2- ب) و جدول (5) درصد جذب آب نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 ارائه شده است [30]. از این رو طبق نتایج حاصل از اندازه‌گیری میزان جذب آب پوشش‌ها، افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال در ترکیب شیمیایی پوشش‌ها، منجر به افزایش حجم تخلخل‌ها و به‌تبع آن افزایش میزان جذب آب در آن‌ها گردید؛ به عبارت دیگر، میزان جذب آب در نمونه PCB5 برابر با 09/76±0/4 درصد بود که این مقدار در نمونه‌های PCB3، PCB1 و PCB0 کمتر و به ترتیب 06/0±30/4، 15/0±10/4 و 12/77±0/3 درصد گزارش شد. همچنین طبق مطالعات پیشین، افزایش حجم تخلخل‌ها در ساختار پوشش، علاوه بر افزایش فضای قابل‌دسترس برای حضور آب در داخل ساختار پوشش، منجر به افزایش مساحت سطح در دسترس و به‌تبع آن تسهیل و ارتقا نرخ تشکیل لایه آپاتیت می‌گردد [31]. ضمن اینکه طبق نتایج، میزان جذب آب در نمونه PCB5 از تمامی نمونه‌ها بیشتر است و علت آن حضور کسر وزنی بالاتر نانوذرات شیشه زیست‌فعال در پوشش می‌باشد که علاوه بر افزایش زبری سطح نمونه، به دلیل وجود زنجیره Si-O-Si در ساختار نانوذرات شیشه زیست‌فعال با تسهیل فرآیند آبکافت، منجر به افزایش قابلیت جذب آب در نمونه مذکور گردید که در تطابق با پژوهش‌های پیشین است [32-34].
جدول (5): درصد جذب آب نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
نمونه | جذب آب (%) |
PCB0 | 12/0±77/3 |
PCB1 | 15/0±10/4 |
PCB3 | 06/0±30/4 |
PCB5 | 09/0±76/4 |
3-4- بررسی نتایج آزمون میزان زبری سطح
افزایش زبری سطح یک پوشش با افزایش مکان‌های تماس بین آب و سطح، منجر به بهبود خاصیت آبدوستی آن می‌گردد که در شکل (2- پ و ت) و جدول (6) به ترتیب نمودارهای زبری سنجی و متوسط عدد زبری نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 ارائه شده است.
جدول (6): اعداد آزمون زبری سنجی نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
نمونه | متوسط عدد زبری (μm) |
PCB0 | 707/0 |
PCB1 | 876/0 |
PCB3 | 471/1 |
PCB5 | 778/4 |
از این رو با توجه به جدول (6)، عدد زبری با افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال تا پنج درصد وزنی در نمونه PCB5 به mµ 778/4 رسید و این در حالی است که عدد زبری در نمونه فاقد شیشه زیست‌فعال (نمونه PCB0) برابر با mµ 778/4 بود و افزودن شیشه زیست‌فعال به ترکیب شیمیایی پوشش‌ها منجر به افزایش قابل‌ملاحظه‌ای در عدد زبری سطح نمونه‌های مورد بررسی شد. همچنین طبق مطالعات پیشین، میزان زبری سطح پوشش‌ها ارتباط مستقیمی با میزان آبدوستی سطح آن‌ها دارد و افزودن شیشه‌های زیست‌فعال به ترکیب شیمیایی پوشش‌های نانوکامپوزیتی پلیمری-سرامیکی، منجر به ارتقا زبری سطح کاهش‌یافته توسط جزء پلیمری می‌گردد [35-37]. ضمن اینکه، میزان زبری سطح کنترل شده پوشش‌ها، می‌تواند به ثبات اولیه کاشتنی کمک کند و پایداری شیمیایی آن‌ها را به‌شدت بهبود بخشد. این در حالی است که افزایش بیش از حد زبری سطح، ممکن است باعث رهایش غیر کنترل شده یون‌ها از سطح پوشش و خوردگی در اطراف آن گردد و ضمن افزایش زمان بستری و هزینه‌های درمان، کیفیت زندگی بیماران را نیز کاهش دهد [35-36]. علاوه بر این، افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال در ترکیب شیمیایی پوشش‌های مورد بررسی، منجر به افزایش تحرک ذرات درشت، رسوب آن‌ها در بین ذرات ریز، افزایش تراکم و به‌تبع آن افزایش زبری سطح گردید که در تطابق با پژوهش‌های پیشین است [37-38].
شکل (2): الف) میزان زاویه تماس، ب) میزان جذب آب، پ) متوسط عدد زبری و ت) نمودار زبری سنجی نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
3-5- بررسی نتایج آزمون خواص کششی
بهبود خواص مکانیکی یک پوشش نانوکامپوزیتی وابسته به خواص فیزیکی فاز تقویت‌کننده آن نظیر اندازه ذرات، شکل ذرات، نسبت ابعادی آن، نحوه توزیع و پراکندگی ذرات در زمینه و برهمکنش بین ذرات با پلیمر دارد که در شکل (3) و جدول (7) به ترتیب نمودار تنش اعمالی، نمودار تغییر طول و نیروی پارگی نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 ارائه شده است. از این رو طبق نتایج حاصل از آزمون کششی، افزودن نانوذرات شیشه زیست‌فعال به دلیل داشتن اندازه ذرات مطلوب در ابعاد نانو و سختی و استحکام بالاتر نسبت به پلیمرها، منجر به بهبود چشمگیری در استحکام کششی پوشش‌ها گردید؛ به عبارت دیگر، حضور نانوذرات شیشه زیست‌فعال به‌عنوان فاز تقویت‌کننده در زمینه پلیمری، منجر به ایجاد پدیده جذب انرژی شد که بر اساس این نظریه، هنگام اعمال نیروی کششی به نانوکامپوزیت، ضمن جذب و مهار قسمت زیادی از نیرو توسط فاز تقویت‌کننده در نانوکامپوزیت (نانوذرات شیشه زیست‌فعال)، ایجاد یک شبکه موقت بین فاز تقویت‌کننده شیشه زیست‌فعال و زنجیره‌های پلیمری، باعث حرکت زنجیره پلیمری پس از وارد آمدن نیرو محدود و افزایش استحکام کششی می‌شود [39].
شکل (3): الف) تنش اعمالی و ب) تغییر طول نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
همچنین در شکل (3-الف و ب) به ترتیب تأثیر افزودن نانوذرات شیشه زیست‌فعال بر نیروی وارده و تغییر طول در هر یک از نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 ارائه شده است که طبق آن، افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال، منجر به افزایش استحکام نهایی پوشش نانوکامپوزیتی گردید. ضمن اینکه، استحکام کششی نمونه‌های PCB0،PCB1، PCB3 و PCB5 به ترتیب MPa 12/6، 90/8، 70/9 و 06/10 است و با توجه به آن، افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال از سه به پنج درصد وزنی در نمونه‌های PCB3 و PCB5، منجر به افزایش قابل‌ملاحظه‌ای در استحکام نمونه PCB5 نگردید که علت آن کلوخه شدن نانوذارت شیشه زیست‌فعال به دلیل زیاد بودن انرژی سطحی آن و توزیع غیریکنواخت ذرات شیشه زیست‌فعال است. علاوه بر این، تجمع نانوذرات شیشه زیست‌فعال می‌تواند به‌عنوان یک نقطه تمرکز تنش عمل کند و منجر به کاهش خواص مکانیکی پوشش گردد که وابستگی زیادی به برهمکنش و توزیع مناسب نانوذرات شیشه زیست‌فعال در ساختار پلیمری پوشش دارد.
طبق جدول (7)، تغییر طول نمونه‌های PCB0،PCB1، PCB3 و PCB5 به ترتیب 70/6، 80/7، 20/8 و 90/8 درصد است که با توجه به آن، افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال منجر به کاهش اختلاف در خواص کششی نمونه‌های PCB3 و PCB5 گردید. همچنین طبق نتایج حاصل از آزمون مذکور، استحکام کششی و درصد تغییر طول نسبی پوشش‌های نانوکامپوزیتی با افزودن نانوذرات شیشه زیست‌فعال بهبود یافت که این امر حاکی از افزایش کلوخه شدن ذرات پس از افزایش کسر وزنی شیشه زیست‌فعال و بهبود خواص کششی پوشش است.
جدول (7): نیروی پارگی نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
نمونه | تنش (MPa) | کرنش (%) |
PCB0 | 12/6 | 70/6 |
PCB1 | 90/8 | 80/7 |
PCB3 | 70/9 | 20/8 |
PCB5 | 06/10 | 90/8 |
3-6- بررسی نتایج آزمون طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی
در شکل (4- الف- ت) به ترتیب منحنی‌های نایکوییست36 (Z' برحسب Z")، باد-امپدانس، باد-زاویه فاز و مدار معادل دو ثابت زمانه نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58 ارائه شده است. همچنین، در منحنی‌های نایکوئیست فرکانس از سمت راست به سمت چپ منحنی (به‌صورت پادساعتگرد) افزایش می‌یابد و نقطه انتهایی در سمت چپ و نقطه ابتدایی در سمت راست منحنی، به ترتیب دارای بیشترین و کمترین فرکانس است که در این منحنی‌ها افزایش قطر، حاکی از افزایش مقاومت به خوردگی ماده است. از این رو طبق شکل (4-الف)، نمونه حاوی سه درصد وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال (نمونه PCB3) دارای بیشترین مقاومت به خوردگی و نمونه فاقد این فاز تقویت‌کننده (نمونه PCB0) دارای کمترین مقاومت به خوردگی است. ضمن اینکه، امپدانس در کمترین فرکانس بیانگر مقاومت کل ماده در برابر خوردگی است و طبق شکل (4-ب)، امپدانس در کمترین فرکانس نمونه‌های حاوی سه، پنج و یک درصد وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال (نمونه‌های PCB3، PCB5 و PCB1)، بالاترین مقاومت به خوردگی و نمونه فاقد نانوذرات شیشه زیست‌فعال (نمونه PCB0)، کمترین مقاومت به خوردگی را داشتند [40].
شکل (4): الف) منحنیهـای نـایکوئیست، ب) باد-امپدانس، پ) باد- زاویه فـاز (نقاط نتـایج حاصل از آزمـون و خطوط نتـایج حـاصل از فیت) و ت) مدار معادل منحنی دو ثابت زمانه نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
همچنین طبق شکل (4-پ)، افزایش ارتفاع در قله‌های زاویه فاز نمونه‌های حاوی سه و پنج درصد وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال (نمونه PCB3 و PCB5) حاکی از مقاومت بیشتر نمونه‌های مذکور نسبت به سایر نمونه‌های مورد بررسی است. ذکر این نکته حائز اهمیت است که مقدار دقیق مقاومت نمونه‌ها باید از توسط مدلسازی این نتایج با مدار معادل الکتروشیمیایی تعیین گردد که برای تعیین شکل مدار معادل الکتروشیمیایی، تعیین تعداد ثابت زمانی دستگاه ضروری است؛ به عبارت دیگر، تعداد ثابت زمانی به معنی تعداد خازن/ مقاومت‌های موازی در مدار معادل الکتروشیمیایی است که تعداد ثابت زمانی دستگاه با توجه به منحنی‌های باد-زاویه قابل‌تشخیص است. علاوه بر این، طبق شکل (4-ت) وجود دو قله در منحنی باد-زاویه فاز تمامی نمونه‌های مورد بررسی در این پژوهش، حاکی از دو ثابت زمانه بودن آن‌ها می‌باشد که به‌منظور تعیین دقیق مؤلفههای الکتروشیمیایی، نتایج حاصل از آزمون امپدانس بر روی مدار معادل الکتروشیمیایی منطبق گردید. همچنین مدار معادل مذکور، شامل سه مقاومت (به ترتیب از چپ مقاومت محلول، مقاومت پوشش و مقاومت انتقال شارژ) و دو عنصر فاز ثابت (مربوط به پوشش و لایه دوگانه) است که به دلیل عدم موازی بودن صفحات لایه دوگانه ایجاد شده بین سطح الکترود و الکترولیت و ناهمواری صفحه الکترود و پوشش، از عنصر فاز ثابت به‌جای خازن ایده‌آل استفاده شد. ضمن اینکه، امپدانس خازن برابر با Z=1/jωC و این مقدار برای CPE برابر با Z=1/(Y0jω)n است که در این ترکیب‌ها C به معنی ظرفیت خازن، ω زاویه فاز، Y0 ادمیتانس (برعکس امپدانس و معادل مؤلفه ظرفیت در خازن ایده‌آل) و j عبارت موهومی 1-√ است. علاوه بر این، اختلاف این دو تنها در توان n است که این مقدار عددی بین صفر و یک است و مقدار صفر و یک آن به ترتیب حاکی از مقاومت ایده‌آل و خازن ایده‌آل می‌باشد. همچنین، مدلسازی نمونه‌های اندازه‌گیری شده با مدار معادل الکتروشیمیایی به‌خوبی بر منحنی‌های نایکوییست و باد منطبق گردید و امر حاکی از قابل‌اعتماد بودن نتایج حاصل از مدلسازی است که در جدول (8)، مقادیر مؤلفههای حاصل از مدلسازی نتایج آزمون امپدانس بر روی مدار معادل الکتروشیمیایی ارائه شده است. با توجه به جدول (8)، مقادیر ظرفیت خازن معادل پوشش و لایه دوگانه به ترتیب از روابط (2) و (3) ارزیابی گردید و طبق آن، افزایش کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال تا سه درصد وزنی در ساختار پوشش، منجر به افزایش مقاومت به خوردگی آن گردید که طبق مطالعات پیشین، این امر به دلیل قرارگیری ذرات در تخلخل‌های پوشش و جلوگیری از عبور الکترولیت از آن‌ها است [40-41]. این در حالی است که با افزایش بیشتر کسر وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال در ساختار پوشش تا پنج درصد وزنی و تجمع ذرات در تخلخل‌های پوشش، ایجاد نواحی جدید مستعد برای عبور الکترولیت و به‌تبع آن کاهش مقاومت پوشش در برابر نفوذ عوامل خورنده گردید.
جدول (8): مؤلفههای حاصل از مدلسازی نتایج آزمون امپدانس بر روی مدار معادل الکتروشیمیایی نمونه‌های پوشش نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون-کیتوسان-شیشه زیست‌فعال S58.
نمونه | Rs (ohm.cm2) | Y0c (S.secn.cm-2) | n1 | Rc (ohm.cm2) | CC (nF/cm2) | Y0dl (S.secn.cm-2) | n2 | Rct (ohm.cm2) | Cct (µF/cm2) |
PCB0 | 9/78 | 1/30 ×10-6 | 0/.88 | 36/6 | 334/58 | 9/37 ×10-4 | 0/74 | 211/2 | 177/34 |
PCB1 | 13/99 | 5/43 ×10-7 | 0/.89 | 41/71 | 1924/42 | 7/56 ×10-4 | 0/.83 | 312/.8 | 95/10 |
PCB3 | 11/67 | 1/99 ×10-7 | 0/94 | 44/.88 | 94/75 | 6/07 ×10-5 | 0/92 | 1604 | 32/29 |
PCB5 | 11/76 | 3/31 ×10-7 | 0/92 | 17/16 | 115/79 | 9/11 ×10-5 | 0/92 | 621/0 | 50/18 |
PCB0 | 9/78 | 1/30 ×10-6 | 0/.88 | 36/6 | 334/58 | 9/37 ×10-4 | 0/74 | 211/2 | 177/34 |
PCB1 | 13/99 | 5/43 ×10-7 | 0/.89 | 41/71 | 1924/42 | 7/56 ×10-4 | 0/.83 | 312/.8 | 95/10 |
PCB3 | 11/67 | 1/99 ×10-7 | 0/94 | 44/.88 | 94/75 | 6/07 ×10-5 | 0/92 | 1604 | 32/29 |
همچنین اگر مقاومت کل مجموعه در برابر خوردگی را برابر مجموع مقاومت انتقال بار و مقاومت پوشش در نظر گرفته شود، این مقدار برای نمونه حاوی سه درصد وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال بیش از Kohm.cm2 6/1 است که از سایر نمونه‌های مورد بررسی به‌طور قابل‌توجهی بیشتر است. ضمن اینکه، این مقدار برای نمونه حاوی 5 درصد وزنی نانوذرات شیشه زیست‌فعال حدود ohm.cm2 650 محاسبه گردید و نمونه فاقد فاز تقویت‌کننده دارای کمترین مقدار مقاومت به خوردگی بود که این نتایج در تطابق با نتایج حاصل از منحنی‌های نایکوئیست و باد است. علاوه بر این، به دلیل ضریب دی‌الکتریک بـالاتر آب نسبت بـه پـوشش بر پایه PCl-CS، با افزایش نفوذ الکترولیت در پوشش، مدار ظرفیت خازن معادل پوشش نیز افزایش می‌یابد؛ بنابراین طبق نتایج حاصل از بررسی خازن معادل پوشش، نمونه PCB0 دارای بالاترین ظرفیت خازن و بیشترین میزان از نفوذ الکترولیت در ساختار پوشش است و نمونه PCB3 نیز، دارای کمترین میزان از نفوذ الکترولیت در ساختار پوشش و کمترین ظرفیت خازن به دلیل پر شدن تخلخل‌ها توسط نانوذرات شیشه زیست‌فعال است. همچنین، خازن معادل لایه دوگانه نیز در نمونه PCB3 کمتر از سایر نمونه‌های مورد بررسی بود که این امر حاکی از عدم گسترش الکترولیت به زیرپوشش است.
(2) |
| ||||
(3) |
|
βa (v.dec-1) | βc (v.dec-1)- | Ecorr(V) | icorr(μA/cm2) | Rp (Ohm.cm2) | |
PCB0 | 0/103 | 0/113 | -0/65 | 12/24 | 191/1471 |
PCB1 | 0/322 | 0/119 | -0/57 | 10/21 | 369/509 |
PCB3 | 0/119 | 0/226 | -0/29 | 2/05 | 1651/08 |
PCB5 | 0/212 | 0/335 | -0/26 | 8/6 | 655/514 |
مؤلفههای الکتروشیمیایی با تعیین محل تقاطع امتداد قسمت‌های خطی شاخه‌های آندی و کاتدی منحنی‌های پلاریزاسیون و استفاده از رابطه (4) به دست می‌آید که مقدار آن برابر با مقاومت به خوردگی مجموعه می‌باشد [43].
(3) |
|
Please cite this article using:
Mohammad Hosein Haddadi, Ebrahim Karamian, Hamid Reza Bakhsheshi-Rad, Masoud Kasiri-Asgarani, Studying the Effect of the Presence of Different Amounts of Bioactive Glass on the Physical and Mechanical Properties of the Nanocomposite Coating Based on Polycaprolactone-Chitosan-58S Bioactive Glass, New Process in Material Engineering, 2025, 19(2), 35-49.
