Processing may take a few seconds...

Dissertation

Title

Otrzymywanie i właściwości ultradrobnoziarnistych biokompozytów na bazie magnezu i bioceramiki

Authors

[ 1 ] Instytut Inżynierii Materiałowej, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Politechnika Poznańska | [ P ] employee

Promoter

[ 1 ] Instytut Inżynierii Materiałowej, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Politechnika Poznańska | [ P ] employee

Reviewers

Title variant

EN Preparation and Properties of Ultrafine-Grained Biocomposites Based on Magnesium and Bioceramics

Language

polish

Keywords
PL
  • magnez
  • bioceramika
  • kompozyty
  • mechaniczna synteza
EN
  • magnesium
  • bioceramic
  • composites
  • mechanical alloying
Abstract

PL Biodegradowalne stopy na bazie materiałów metalicznych stanowią nową grupę biomateriałów o obiecujących właściwościach. Po spełnieniu swej funkcji biomateriały na bazie metali mają zostać stopniowo rozpuszczone i wydalone z organizmu bez konieczności przeprowadzenia operacji ich usunięcia. Jednotematyczny zbiór publikacji dotyczy opracowania procesu wytwarzania i zbadania właściwości litych i porowatych ultradrobnoziarnistych biokompozytów na bazie magnezu z dodatkiem bioceramiki hydroksyapatytowej lub 45S5 Bioszkła. Materiały porowate wytworzono wykorzystując wodorowęglan amonu (NH4HCO3) jako środek porotwórczy, który umożliwia wrastanie tkanki kostnej i tworzenie sieci naczyń krwionośnych o ograniczonym zjawisku metalozy i optymalnych własnościach mechanicznych. W ramach jednotematycznego cyklu publikacji określono optymalny skład chemiczny i fazowy matrycy metalowej, udział bioceramiki i środka porotwórczego, prowadzące do uzyskania optymalnych właściwości z punktu widzenia potencjalnych aplikacji biomedycznych. Jako matrycę metalową kompozytów wykorzystano stopy na bazie dwóch układów: Mg-Zn-Mn-Zr oraz Mg-RE-Zr (RE- pierwiastki ziem rzadkich: Y, Dy). Proszki metali i bioceramiki po wstępnym procesie mechanicznej syntezy (mechanical alloying, MA) zostały wymieszane z proszkiem wodorowęglanu amonu, a następnie poddane prasowaniu. Jako materiał wzmacniający kompozyty wykorzystano ceramikę hydroksyapatytową (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) charakteryzującą się dużą biozgodnością i zdolnością do tworzenia wiązań z komórkami kostnymi. W części prac wprowadzono jako fazę wzmacniającą bioszkło 45S5 wykazujące możliwość tworzenia trwałego połączenia z tkanką kostną o składzie 45% SiO2, 24,5 % CaO, 24,5% Na2O, 6% P2O5. Badaniom poddano materiały o zawartościach 0-10 % wagowych cząstek bioceramiki. Do części wytworzonych materiałów wprowadzono domieszkę 1 % wagowego srebra celem poprawy właściwości bakteriobójczych biokompozytów. Zbadano strukturę, morfologię, właściwości mechaniczne, a także odporność korozyjną wytworzonych materiałów, celem określenia optymalnych parametrów procesu wytwarzania biokompozytów na bazie magnezu. Aby uzyskać ultradrobnoziarniste biokompozyty o optymalnej strukturze, morfologii i właściwościach zbadano różne kombinacje procesu. Dla próbek o najlepszych właściwościach przeprowadzano modyfikacje warstwy wierzchniej metodą biomimetyczną. Warunki wytwarzania ultradrobnoziarnistych biokompozytów zostały powiązane ze strukturą, morfologią, twardością i odpornością korozyjną. Końcowy etap badań stanowiły badania biozgodności w oparciu o test in-vitro prowadzony w różnym czasie, aby sprawdzić zdolność komórek do wzrostu i przeżywalności na wytworzonych biokompozytach. Uzyskane wyniki sugerują, iż badane stopy i kompozyty o ultradrobnoziarnistej mikrostrukturze charakteryzują się lepszymi właściwościami w odniesieniu do mikrokrystalicznego magnezu. Zaproponowane sposoby modyfikacji składu chemicznego poprzez dodatek zarówno pierwiastków biozgodnych (Mn, Zn, Zr), a także pierwiastków ziem rzadkich (Dy, Y) poprawiają właściwości zbadanych materiałów. Zastosowanie dodatków bioceramiki i srebra powoduje rozdrobnienie mikrostruktury, a zastosowane metody obróbki powierzchniowej przyczyniają się do poprawy biozgodności oraz odporności korozyjnej badanych materiałów. Opracowane i zbadane materiały mogą znaleźć przyszłe zastosowanie w implantologii i chirurgii, a także do wytwarzania materiałów katalitycznych.

EN Biodegradable alloys based on magnesium are new group of biomaterials with an interesting properties. These biomaterials will be gradually dissolved and removed from implanted organism after they fulfilling their role without necessity of surgery removal. Monothematic set of publications concerns on development and examination of the properties of bulk and the porous ultrafine-grained biocomposites based on magnesium with addition of hydroxyapatite or 45S5 Bioglass bioceramic. Porous materials were produced using ammonium bicarbonate (NH4HCO3) as space holder materials, which enable ingrowth of bone tissue into material and creation of blood vessels network with limited metalosis phenomenon with optimal mechanical properties. Optimal chemical and phase compositions of metal matrix, bioceramic and space holder material addition were specified to obtain optimal properties for potential biomedical applications. As a metal matrix of composites two groups of alloys were used Mg-Mn-Zn-Zr and Mg-RE-Zr (RE-rare earths elements: yttrium and dysprosium). Metallic and bioceramic powders after initial mechanical alloying (MA) were blended with ammonium bicarbonate powder and then cold compacted. As a strengthen phase hydroxyapatite (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) bioceramic with high biocompatibility and ability to binding with bone tissue. In a part of research as strengthen phase 45S5 Bioglass bioceramic were used with chemical composition of 45% SiO2, 24,5 % CaO, 24,5% Na2O, 6% P2O5. Research were conducted in range of 0-10 wt. % addition of bioceramics. In parts of produced materials 1 wt. % of silver were added in order to improve of antibacterial activity of biocomposites. Structure, morphology, mechanical properties and corrosion resistance of so produced materials were studied in order to specify optimal production process parameters of biocomposites based of magnesium. In order to obtain ultrafine-grained biocomposites with optimal structure, morphology and properties different combination of process were studied. For the samples with the best properties surface modification process were conducted. Production parameters were connected with structure, morphology, hardness and corrosion resistance. At the final stage of research biocompatibility studies based on in vitro tests were conducted to specify ability of cells to growth and survival on produced Mg-based biomaterials. Obtained results suggests that investigated alloys and composites were characterized with improved properties compared to microcrystalline magnesium. Proposed chemical composition modification by biocompatible elements addition (Mn, Zn, Zr) and RE elements (Dy, Y) improves properties of tested biocomposites. Both bioceramic and silver addition leads to obtain finer microstructure and surface modification methods lead to improvement of corrosion resistance and biocompatibility of tested materials. Developed and tested materials could find future applications in implantology and surgery, as well as in industry as catalytic materials.

Number of pages

95

OECD domain

materials engineering

KBN discipline

materials engineering

Signature of printed version

DrOIN 1935

On-line catalog

to201990807

Comments

Brak zgody na udostępnianie – publikacja złożona z kilku wcześniejszych publikacji. Nie wszyscy wydawcy wyrażają zgodę na udostępnianie.

Full text of dissertation

no permission to download file

Access level to full text

archive

First review

Tomasz Brylewski

Place

Kraków, Polska

Date

08.06.2018

Language

polish

Review text

no permission to download file

Access level to review text

archive

Second review

Dariusz Oleszak

Place

Warszawa, Polska

Date

07.06.2018

Language

polish

Review text

no permission to download file

Access level to review text

archive

Dissertation status

dissertation

Place of defense

Poznań, Polska

Date of defense

14.09.2018

Unit granting title

Rada Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej

Obtained title

doktor nauk technicznych w dyscyplinie: inżynieria materiałowa, w specjalności: materiały nanokrystaliczne, biomateriały