Preparation and characterization of chitosan/calcium phosphate based composite biomaterials

Abstract

Bu çalışma biomedikal uygulamalarda kullanılması amaçlanan kitosan/kalsiyum fosfat kompozitler ve gözenekli hidroksiapatit yapıların hazırlanması ve karakterizasyonunu içermektedir. Kompozit malzemelerin yoğunluk, gözenek yapısı, mikroyapı, kimyasal kompozisyon ve mekanik özellikleri üzerinde kitosan kalsiyum fosfat miktarının etkisi araştırılmış hazırlanan başlangıç maddelerindeki gözenek yapıcı katkı maddesinin, hidroksiapatit miktarının ve sinterlenme sıcaklığının gözenekli hidroksiapatit yapılara etkileri de incelenmiştir. Elde edilen seramik numunelerin gözenek yapıları ve mikroyapıları SEM görüntüleriyle belirlenmiştir. Kimyasal analizlerde XRD ve FTIR kullanılmıştır. Fiziksel özelliklerin belirlenmesi için Arşimed yöntemine ve mekanik özelliklerin bulgulanması için basma testine başvurulmuştur. Düşük molekül ağırlıklı kitosan, B-trikalsiyumfosfat, hidroksiapatit ve hidroksiapatit visker hammadde olarak kullanılmıştır. Kompozitlerin üretiminde dondurmah kurutma yöntemi ve gözenekli yapıların hazırlanmasnda kuru presleme, polimer süngere emdirme ve hamur metodlan kullanılmıştır. Matris olarak kitosan ve güçlendirici olarak hidroksiapatit, hidroksiapatit visker ve B-trikalsiyumfosfatın kullanılmasıyla oluşturulan kompozit malzemelerin seramik miktarı arttığında yoğunluklarının da arttığı ve gözenekliliklerinin azaldığı gözlenmiştir. Kitosan/B-trikalsiyumfosfat kompozitleri dışındaki numunelerde elastik modül değerleri ve çökme stresi de seramik miktarı arttığında yükselme götermiştir. Tüm kompozit malzemelerin yoğunlukları 0.059-0.29 g/cm3 ve gözeneklilikleri 96-88% aralıklarında değişmiştir. Kompozitlerin elastik modülleri ise seramik ağırlık yüzdesine bağlı olarak değişmiş, 4.45-10.09 MPa aralığında saptanmıştır. Çökme stres değerleri ise yine seramik ağırlık yüzdesine bağlı olarak 0.14-0.34 MPa aralığında değişim göstermiştir. Numunelerin seramik yüzdelerindeki değişim mikroyapıda da değişimlere neden olmuş,genellikle seramik miktarında artışla gözeneklerin daraldığı gözlenmiştir. Kitosan/HA, Kitosan//p-TCP/HA ve Kitosan/HA visker kompozitlerin gözenek boyutları sırasıyla 100-250 u-, 100-400 j, ve 100-200 j, aralıklarında değişmektdir. FTIR ve XRD analiz sonuçları kompozit malzemelerin yapımda kullanılan hammaddelerin orijinal yapılarını koruduğunu ve üretim sürecinin seramiklerin kristalinitesi üzerinde değişime neden olmadığını göstermiştir. VIGözenekleştirici miktarı artırıldığında hamur ve kuru pres metoduyla hazırlanan seramik yapıların yoğunlukları düşmüş, gözeneklilikleri artmıştır. Hazırlanan gözenekli hidroksiapatit numunelerin yoğunlukları 34-72% gözenek değerlerine ulaşacak şekilde 2.03 ve 0.87g/cm yoğunluk aralığında değişmiştir. Süngere emdirme metoduyla hazırlanan örneklerin gözenek boyutları ise 300-400 /ı aralığında gözlenirken kuru pres ve hamur metodlarıyla hazırlanan örneklerin gözenek boyutları 10 jx olarak belirlenmiştir. VII

In this study the preparation and characterization of three-dimensional chitosan- calcium phosphate composite structures and porous hydroxyapatite bodies for biomaterial applications have been studied. The effects of chitosan calcium phosphate amount on density, porosity, microstructure, chemical composition and mechanical properties on the composites and effects of porosifier contents, hydroxyapatite content of the slurry and sintering temperature on density, porosity and microstructure of the porous ceramic samples were investigated. SEM was used for microstructural analysis, XRD and FTIR were used for chemical analysis, Archimedes method was used for investigating physical properties and compression test for investigating mechanical properties. In this study low molecular weight chitosan, P-tricalciumphosphate, hydroxyapatite and hydroxyapatite whisker have been used. For composites freeze drying technique and for the porous bodies dry pressing, polymer sponge method and dough method have been used. The densities of the composites prepared by using chitosan as the matrix and hydroxyapatite, hydroxyapatite whisker, and P-tricalciumphosphate as reinforcement increased and the porosities decreased with the increase in the ceramic content. The modulus of elasticity and the yield stress generally increased with the increasing ceramic content except for the chitosan/p-tricalciumphosphate composites. The densities and porosities of the composite structures varied in the range of 0.059-0.29 g/cm and 96-88% respectively. The elastic moduli of the composites varied in a range of 4.45-10.09 MPa and yield stress varied in a range of 0.14-0.34 Mpa due to the change in the ceramic weight%. Changing the ceramic weight% also had influence on the microstructure. Generally with increasing ceramic content the pore sizes decreased. The pore sizes varied in a range between 100-250jj,, 100-400p, and 100-200jx for chitosan/hydroxapatite, Chitosan/p-TCP/Hydroxyapatite and chitosan/HA whisker composites respectively. FTIR and XRD analysis showed that the composite structures contained original constituents, no new chemical compounds were formed the production process had not affected crystallinity of ceramic phases. IVThe densities of the porous ceramic bodies decreased and the porosities increased with the increasing porosifier content at the porous ceramics prepared by dough method and dry pressing method. The porosity and density values of porous hydroxyapatite samples changed in range of 34-72% and 2.03 to 0.87 g/cm. Pore sizes of polymeric sponge samples were found to be around 300-400u and dry pressing and dough method samples were found to be 1 Ou.