Preparation and characterization of hydroxyapatite and polymer composite biomaterials

Abstract

öz Bu çalışmada, polilaktid ve hidroksiapatit kompozit filmlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu çalışılmıştır. Bir çok parametrenin; polimer tipi, hidroksisapatit yoku, yüzey modifikasyonu ve konsantrasyonun, mekanik, termal, mikroyapısal ve hidrolitik bozunma özettikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Dört farklı tip polimer, Polilaktid (PLAı), 9674 L-Laktid,D-Laköd kopoümeri (PDLAı), Polilaktid (PLAa), ve 67 /23 Poli( L-Laktid- ko-D,L-Laktid ) kopolimeri (PDLA3) kullanılmıştır. Bu çalışmada, polilaktid ve hidroksiapatit kompozit filmleri çözücü yöntemi ite hazırlanmıştır. Hidroksiapatit (HA) tozlan kimyasal çöktürme yöntemi ile sentezlenmiştir. Polilaktid-HA kompozitlerinin mekanik özelliklerini ve dolgu maddesi ile polimer arasındaki yüzeyi geliştirmek amacıyla, HA tozlarının yüzeyi iki farklı silan bağlayıcıyla, üç farklı oranda ; 3-aminopropiltrietoksisilan ( AMPTES) ve metioksisilan (MPTES) kaplanmıştır. Şuan bağlayıcıları ile modifiye edilmiş HA tozlan ile yapılan polilaktid kompozitlerinde işlem görmemiş HA tozlan ile yapılan kompozitlere göre, HA tozlarının polimer matriksdeki dağılımı ve mekanik özelliklerinde gelişme gözlenmiştir. Çekme testi sonuçlarında, mekanik özelliklerindeki maksimum iyileşme, PLA kompozitleri için, kütlece % 1 oranında AMPTES silan ve PDL A kompozitleri için ise kütlece 0.5 % oranında MPTES sılan ile kaplanmış HA tozlarında, elde edilmiştir. Taramalı elektron mikroskopu ile yapılan çaılşmalar silan ile modifiye edilmiş HA tozlarının polimer matriks içinde daha iyi dağıldığını göstermiştir. Kompozitlerin termal bozunma kinetiği incelenmiştir ve polimer matrikse HA ilavesinin hem termal bozunma sıcaklığını düşürdüğü hem de bozunma hızını yavaşlattığı bulunmuştur. Bu çalışmada, Polilaktid (PLAı), 96/4 L-Laktid,D-Laktid kopolimeri (PDLAı) ve onların HA kompozhlerinin (kütlece % 10-50 HA yükü içeren) hidrolitik bozunma özelliği yapay vücut sıvısı ortamında 37 °C de 7.4 pH da statik test yöntemi ile araştırılmıştır. Zaman içerisinde, kompozitlerin su tutma kapasitesi, ağırlık kaybı ve kompozit yüzeyindeki morfolojik değişimlerin göztenebilmesi için taramalı elektron mikroskopunun kullanılması gibi farklı teknikler kullanılarak hidrolitik bozunma özelliği gözlenmiştir. 150 günün sonunda, saf PLAı ve PLA2 filmlerinde sırasıyla kütlece % 12.5 ve 9.5 kütle kaybı kaydedilmiştir. Kopolimerlerin bozunma hızlan homopolimerlerden daha hızlıdır. PDLAı ve PDLA2 için kütle kaybı değerleri oldukçayakın değerlerde, sırasıyla kütlece % 17.5 ve 17 olarak bulunmuştur. Bu zaman İçerinde tüm polimerlerin bulunduğu ortamın pH değeri stabilitesini yaklaşık olarak 7.4 de korumuştur. Bunun nedeni yapay vücut sıvısının tampon çözelti özelliği göstermesidir. Kütlece % 10 HA içeren PLA ve PDLA kompozitlerinde bozunma hızının yavaşladığı ve bu örneklerde su tutma kapasitesinin arttığı görülmüştür. Kütlece % 10 HA içeren PLA kompozitleri için kütle kaybı değeri %12 den % 5'e düşmüş ve su tutma kapasitesi ise %10 dan %13'e yükselmiştir. Bu kompozitlerin yapay vücut sıvısında zamanla mikro yapısal özelliklerindeki değişim incelenmiştir. Polimer kompozit filmlerin yüzeyinin kalsiyum fosfat île kaplandığı bulunmuştur. Bu kaplama, HA yükü ve bozunma zamanın artmasını sağlamıştır.

ABSTRACT In the thesis, the preparation and characterization of polylactide- Hydroxyapatite(HA) composite films for biomaterial applications have been studied. The effects of number of parameters such as polymer type, HA loading, surface modification and its concentration on the mechanical, thermal microstructural and hydrolytic degradation properties of the composites were investigated. Four different types of polymers, Poly (L-lactide)(PLAi), 9674 L-lactide,D-Lactide Copolymer (PDLAt), Poly (L-LaetideXPIAa), and 67/23 Poly (L-Lactme-co-D^ LactideXPDLAi}, have been used. In this study, PolyLactide-HA composite films have been prepared by solvent-casting technique. The HA powder was synthesized by precipitation technique. Interracial interactions between HA and polylactide polymer were modified to improve filter compatibility and mechanical properties of the composites by surface treatment of the HA with two different silane coupling agents; 3-amînopropyltriethoxysilane (AMPTES) and 3-mercaptopropyhrimethoxysilane (MPTMS) at three different concentration. Silane treatment indicated better dispersion of HA particles in the polymer matrix and improvements in the mechanical properties of the composites compared to tire untreated HA loaded polylactide composites. Tensile test results showed that the maximum improvement in the mechanical properties of the composites was obtained for the PLA composites containing I wt % aminofunctional silane treated HA and 0.5 wt % mercaptopropyltrimethoxy silane treated HA for PDLA composites. Scanning electron microscopy studies also revealed better dispersion of silane treated HA particles in the polymer matrix Thermal degradation kinetics of the composites was investigated and it was found that addition of HA into polymer matrix decreased the thermal degradation temperature and also slowed down the degradation rate. In this study, the hydrolytic degradation of poly (L-LactideXPLA), poly (L- Lactide-co-D-Lactide) (PDLA) and their hydroxyapatite (HA) loaded composites (10- 50-w/w %) were investigated in simulated body fluid (SBF) at 37 ÖC and at pH 7.4 by in vitro static testing. Using different techniques, namely weighting to quantify water absorption monitored the hydrolytic degradation and weight loss, scanning electron microscopy (SEM) to observe morphological changes occurred at the surface of the films over time. At the end of the ISO days, only 12.5 wt % and 9.5 wt % of weightPLAı and PLA2 were lost respectively. Degradation of the copolymers was faster than PLAi and PLA2 and weight loss data of PDLAi and PDLAi were found to be nearly same with 17.5 wt % and 17 wt %, respectively. The changes of pH on all polymer were stable at 7.4, because of simulated body fluid indicates buffer solution properties. Degradation rate of PLA and PDLA composites containing 10 wt % HA decreased, and also water absorption of these samples increased. Weight loss decreased approximately from 12 wt % to 5 wt % and water absorption increased from 10 wt % to 13 wt % for PLA composites containing 10 wt % HA The change of microstructural properties of obtained composites has been determined in simulated body fluid as a function of time. It was found that the surface of polymer composite films was coated with the calcium phosphate layer. This coating was increased with HA loading and ageing time.