Preparation and characterization of HA powders - dense and prous HA based composite materials

Abstract

oz Bu çalışmada hidroksiapatit (HA) tozlarının, viskerlerinin ve HA bazlı seramiklerin hazırlanması incelenmiştir. Ticari HA tozu karşılaştırma amacı ile kullanılmıştır. Tozlar ve sinterlenmiş seramikler optik mikroskop, SEM, XRD, tane buyot analizi, dilatometri ve mekanik testler kullanılarak karakterize edilmiştir. Ca-P tozlan sulu ortamda (NH^HPC^ ve Ca(N03)2. 4H20 kullamlarak çökeltme yöntemiyle sentezlenmiştir. Ca/P oram pH=10 da 60°Cde ve 24 saat yaşlandırma koşullarında 1,5 ve 1,67 ye ayarlanmış ve sırasıyla Ca-P fazlan ve HA tozu elde edilmiştir. Ca/P oram 1,67 ye sabitlenerek ortam pH sının, yaşlanma sıcaklığı ve zamanının toz özelliklerine olan etkisi incelenmiştir. Yaşlanma zamanı ve sıcaklığı sırasıyla 24 saat ve 60 °C de sabit tutularak pH 4,6,8,9,10 and 11 ayarlanmıştır. HA tozlanmn oluşumu pH 8 den sonar gözlenmiştir. pH=4 aglomere olmuş Monetite- Brushite tozu elde edilmiştir. Prizmatik Brushite kristalleri pH=6 da elde edilmiştir. Yaşlanma zamanı incelemeleri 30-90 °C de pH=10 a ve yaşlanma zamanı 24 saate sabitlenerek gerçekleştirilmiştir. Yaşlanma sıcaklığındaki artış ısıl olarak daha kararlı HA fazı oluşumunu sağlamıştır. Çökeltiler pH=10 a ve sıcaklık 60 °C ye sabitlenerek 0, 0.5, 1, 24 ve 48 saat boyunya yaşlandınlmıştır. Isıl olarak kararlı HA fazı 24 saat yaşlandırma sonrasında elde edilmiştir. Fırında kurutulan tüm çökeltiler ısıl kararlılıklarının ve faz yapısındaki gelişmelerin incelenmesi amacıyla 400-1250 °C aralığında ısıl işleme tabi tutulmuşlardır. Isıl olarak kararlı HA tozlanmn çökertilmesi için pH=10, yaşlandırma sıcaklığı ve zamanı 60 °C, 24 saat optimum şartlar olarak belirlenmiş ve bu şartlarda eşboyutlu ve 40-60 nm tane boyutlarında HA tozlan üretilmiştir HA viskerleri hazırlamak için erimiş tuz sentezlemesi (MSS) ve hidrotermal sentezleme (HDT) yöntemleri kullamlmıştır. Her iki viskerinde XRD desenleri göstermiştir ki HA baskın fazdır ve başka fazlar bulunmamıştır. Hidrotermal viskerler mikronaltı çaptadırlar ve ortalama 20 aspect oranına sahiptirler. Çoğunlukla altıgen MSS viskerlerin çaplan 1-5 mikron aralığındadır ve 10-15 aspect oranına sahiptirler. 10, 20 and 30 vol% visker içeren kompozitler hazırlanmıştır. Sinterlenme davramşlan ve mekanik özellikleri incelenmiştir. 98% teorik yoğunluklu HA seramikleri (3.16 g/cm) 1150-1250 C aralığında elde edilmiştir. MSS visker içeren kompozitler için 80-90% teorik yoğunluk 1200°C üzerinde çok az bir küçülme ile vııeldedilmiştir. HDT visker içeren kompozitlerin yoğunlukları MSS içerenlerinkinden daha fazlaydı. En yüksek sertlik değeri 1250°C de sinterlenmiş HA seramiğinden 537 Hv olarak elde edildi. Göreceli yüksek gözeneklilik sebebiyle kompozitlerin sertlikleri saf HA seramiklerinden daha düşük olarak tespit edildi. 10vol% MSS visker eklenmesi doğal kemik dokusununkiyle (170-193 Mpa basma mukavemeti, 14-18 GPa elastik modulus) karşılaştırılabilecek basma mukavemeti (460-470 MPa) ve elastik modulus(14-17 GPa) değerlerini sağlamıştır. vııı

ABSTRACT The synthesis of hydroxyapatite (HA) powders, whiskers and preparation of HA based ceramics have been investigated in this work. Commercial HA powders were used for comparion purposes. The powder and sintered ceramics were characterized by optical microscopy, SEM,XRD, particle size determination, dilatometry and mechanical testing. Ca-P powders were synthesized by using (NH^HPCU and Ca(NÛ3)2. 4H2O by a precipitation method in aqueous medium. Ca/P ratio was set to 1,5 and 1,667 that yield the mixture of Ca-P phases and HA powder respectively at pH 10, 60 °C and 24hrs aging. Ca/P ratio was set to 1,667 and the effect of pH of the medium, aging temperature and aging time on the powder characteristics was investigated. pH was set to 4,6,8,9,10 and 1 1 while aging temperature and time kept constant at 60 °C and 24 hrs. Formation of HA powder was observed over pH 8. Agglomerated Monetite-Brushite powder was obtained at pH=4. Monodispersed prismatic Brushite crystals were obtained at pH=6. Aging temperature investigation was performed at 30-90 °C at pH=10 for 24 hrs aging. Increase in the aging temperature led to formation of more thermally stable HA phase. Precipitates were aged for 0, 0.5, 1, 24 and 48 hours at constant pH=10 and temperature 60 °C. Thermally stable HA phase was obtained over 24hrs aging. All of the oven-dried precipitates were heat treated at 400-1250 °C range in order to investigate the thermal stability and phase structure development. Optimum conditions for the precipitation of thermally stable HA powder was determined as pH=10, 60 °C aging temperature and 24 hrs aging time that yields equaxed HA powder with particle size about 40-60 nm. Molten salt synthesis (MSS) and hydrothermal synthesis (HDT) were used to prepare HA whiskers. XRD patterns of both whiskers have shown that HA was the dominant phase in whiskers and no other phases were detected. Hydrothermal whiskers had submicron diameters with an average aspect ratio of 20. The diameter of the MSS whiskers were in the 1-5 micron range and were mostly hexagonal with an average aspect ratio of 10. 10, 20 and 30 vol% whisker containing composites were prepared. Sintering behavior and mechanical properties were investigated. 98% TD of HA ceramics (3.16 g/cm ) was obtained in the 1150-1250 C range. 80-90% TD was obtained at above 1200°C for the MSS whisker composites with very little shinkages. Densities of theHDT whisker containing composites were higher than those of the MS S whisker composites. The highest hardness value was determined as 537 Hv for the HA ceramics 1250°C sintered. Hardness of the composites was lower than that of pure HA powder based ceramics due to the presence of relatively high porosity. 10vol% MS S whisker addition yields comparable compressive strength (460-470 MPa) and elastic modulus values (14-17 GPa) with that of natural bone tissues (170-193 MPa compressive strength, 14-18 GPa elastic modulus). VI