ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΖΗΤΗΣΗ Εισαγωγή Το τιτάνιο αποτελεί ένα πολύ καλό υλικό για ιατρικά εμφυτεύματα καθώς είναι συμβατό με τον οργανισμό με καλές μηχανικές ιδιότητες και έχει κατάλληλη βιολογική συμπεριφορά. Τα προβλήματα των εμφυτευμάτων από καθαρό τιτάνιο, όπως η προστασία της τάσης (stress protection), το υψηλότερο, σε σχέση με το φυσικό οστό, όριο ελαστικότητας (Young s modulus), καθώς και η υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό εξουδετερώνονται με την χρήση του υδροξυαπατίτη 109. Ο σκοπός της ενίσχυσης της μήτρας τιτανίου είναι να βελτιώσει την σύνδεση του εμφυτεύματος με το περιβάλλον οστό ώστε να μην χρειαστεί η περαιτέρω χρήση κάποιου σταθεροποιητικού όπως το πολυμεθυλο-μεθακρυλικό τσιμέντο. Καθώς και να εξομοιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του εμφυτεύματος με εκείνες του φυσικού οστού. Το τιτάνιο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διατριβή ήταν σε μορφή σκόνης γωνιακής μορφολογίας (σχήμα74) με μέση διάμετρο περίπου 44 μm (σχήμα 72), πυκνότητα 4.42 g/cm 3 και δομή που όπως έδειξε ανάλυση XRD είναι α- τιτάνιο εξαγωγικής δομής (σχήμα 73). Ο υδροξυαπατίτης που χρησιμοποιήθηκε είχε στοιχειομετρική σύσταση με τύπο Ca 5 (PO 4 ) 3 OH και ήταν δύο μορφολογιών: σφαιρικής με μέση διάμετρο 31 μm (σχήμα 75) και γωνιακής με μέση διάμετρο περίπου 8 μm (σχήμα 76). Η ανάλυση περίθλασης ΧRD (σχήμα 77) και η θερμική ανάλυση ( σχήμα 80) έδειξε και για τις δύο μορφές τις τυπικές κορυφές υδροξυαπατίτη. Ως παράγοντας αφροποίησης για την παρασκευή του αφρού τιτανίου χρησιμοποιήθηκε όξινο ανθρακικό αμμώνιο (δικαρβονικό αμμώνιο, ΝΗ 4 ΗCO 3 ), υλικό που βιβλιογραφικά χαρακτηρίζεται ως ιδανικό για πορώδη υλικά που περιέχουν τιτάνιο. Ανάλυση θερμικά κατεργασμένων δειγμάτων τιτανίου-δικαρβονικού αμμωνίου με σειρά τεχνικών (οπτική μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, περίθλαση ακτινών Χ ) έδειξε ότι η βέλτιστη αναλογία των δύο συστατικών είναι 90%κ.β Τi 10% κ.β NH 4 HCO 3. Κατά την διάρκεια της παρούσας διατριβής χρησιμοποιήθηκε ένα ευρύ φάσμα τεχνικών και μεθόδων για την λήψη πληροφοριών σχετικά την συμπεριφορά του εξετασθέντος σύνθετου συστήματος πορώδους μεταλλικής μήτρας τιτανίου με ενίσχυση υδρόξυαπατίτη, που περιλαμβάνει: 179

2 1. Τεχνικές χαρακτηρισμού και επεξεργασίας των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν στα εξετασθέντα συστήματα περιλαμβάνουν: οπτική μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) με στοιχειακή ανάλυση EDS, διαφορική και θερμοβαρομετρική θερμική ανάλυση ( DTA και TG αντίστοιχα), ανάλυση περίθλασης ακτινών Χ (XRD), κοκκομετρική ανάλυση, προσδιορισμό πυκνότητας με τη μέθοδο υδραργύρου, προσδιορισμό πορώδους με υπέρηχους, βιολογικές δοκιμές σε υγρά προσομοίωσης SBF και Ringer, και υπέρυθρη φασματοσκοπία FTIR. 2. Μέθοδοι που δίνουν πληροφορίες σχετικά με την μηχανική συμπεριφορά των σύνθετων συστημάτων: Μηχανική δοκιμασία συμπίεσης. Συγκεντρωτική παράθεση όλων των δειγμάτων και των αναλύσεων που έγιναν σε κάθε δείγμα δίδεται στον πίνακα 18. Με σκοπό να αναλυθούν τα ληφθέντα αποτελέσματα, η συζήτηση που ακολουθεί, κατ αντιστοιχία προς την παρουσίαση των αποτελεσμάτων, περιλαμβάνει τις παρακάτω ενότητες Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν μετά από μηχανική κραματοποίηση και πριν από την προσθήκη του παράγοντα αφροποίησης. Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν μετά την προσθήκη του παράγοντα αφροποίησης και την θερμική κατεργασία. Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν κατά τη δοκιμή βιοσυμβατότητας σε υγρό SBF. Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν κατά τη δοκιμή βιοσυμβατότητας σε υγρό Ringer. Γενική συζήτηση 180

3 4.1 Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν πριν από την προσθήκη του παράγοντα αφροποίησης Συγκεντρωτική αναλυτική κοκκομετρία των κυριοτέρων κραμάτων με διαφορετικό χρόνο κραματοποίησης (πίνακας 19) δείχνει ότι η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων των κόνεων ακολουθεί μια κανονική κατανομή με μέση διάμετρο στην περιοχή των 0.5 μm. Η διτασική (bimodal) συμπεριφορά που παρατηρήθηκε στην κατ όγκο ανάλυση, στα δείγματα των 15 λεπτών και της μιας ώρας, πιθανώς να οφείλεται στην φύση της μηχανικής κραματοποίησης (βλέπε σχήμα 20) όπου μετά από μικρό χρόνο κραματοποίησης συνυπάρχουν και σωματίδια που έχουν αυξημένη διάμετρο αλλά και μικρότερα σωματίδια λόγω της έναρξης της διαδικασίας ελάττωσης της διαμέτρου. Αυτό επιβεβαιώνεται και από το γεγονός ότι με αύξηση του χρόνου, όπως καταγράφεται στο δείγμα των 40 ωρών, παρατηρείται μείωση της διαμέτρου των θραυσμάτων στα μm. Τα δεδομένα αυτά δείχνουν ότι κατά την μηχανική κραματοποίηση η διαδικασία λεπτοποίησης και συγκόλλησης επαναλαμβάνεται και οδηγεί σε αποτελεσματικότερη ψυχρή συγκόλληση των κόκκων τιτανίου και υδροξυαπατίτη. Η σχετικά μικρή μείωση των κόκκων από την αρχική των 50 μm στην τελική των μm στο κράμα 5%κ.β ΗA-Τi σφαιροειδούς μορφής μετά από κατεργασία 10 ωρών σε πλανητοσφαιρόμυλο Fritsch δείχνει ότι η άλεση σ αυτή την περίπτωση σταμάτησε σε συσσωμάτωση των κόκκων χωρίς περαιτέρω θραύση. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης σε δοκίμια διαφορετικής σύστασης και διάρκειας μηχανικής κραματοποίησης (σχήματα ) έδειξε ότι αυξανομένου του χρόνου μηχανικής κραματοποίησης αυξάνει η σύνδεση (κραματοποίηση) του τιτανίου με τον υδροξυαπατίτη καθώς και η μείωση της διαμέτρου των λαμβανομένων κόκκων. Το λαμβανόμενο προϊόν έχει πυρήνα από τιτάνιο περιβαλλόμενο από στρώμα ενδιάμεσης φάσης { Τi + Ca 5 (PO 4 ) 3 OH και TiO}. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στην δημιουργία θραυσμάτων υδροξυαπατίτη λόγω υψηλής ευθραυστότητας κατά την μηχανική κατεργασία και την επικόλληση τους στην επιφάνεια των ελατών σωματιδίων του τιτανίου. Η ανάλυση περίθλασης ηλεκτρονίων ακτινών Χ έδειξε (σχήμα 102) ότι κατά την μηχανική ανάδευση μετά από χρόνο μεγαλύτερο από 10 ώρες το μίγμα αμορφοποιείται γεγονός που αποτελεί και στόχο της μηχανικής κραματοποίησης. Είναι πιθανό κατά την διεργασία κραματοποίησης τα αρχικά συστατικά να μετασχηματίζονται σε οξείδια του τιτανίου και απλά άλατα προερχόμενα από τον υδροξυαπατίτη. 181

4 4.2 Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν μετά την προσθήκη του παράγοντα αφροποίησης και την θερμική κατεργασία. Η εξέταση θερμικά κατεργασμένων δοκιμίων τιτανίου-δικαρβονικού αμμωνίου σε οπτικό μικροσκόπιο, SEM, XRD σε σειρά δοκιμίων για τον προσδιορισμό της βέλτιστης ποσότητας παράγοντα αφροποίησης (σχήματα ) έδειξε ότι το βέλτιστο ποσοστό του είναι 10% κ.β. Ανάλυση δειγμάτων Τi-ΗΑ μετά την προσθήκη του αφροποιητικού παράγοντα και θερμική κατεργασία, σε μικροσκοπία SEM και στοιχειακή ανάλυση EDS (σχήματα ), έδειξε ότι δημιουργείται ομοιόμορφη πορώδης μεταλλικό-κεραμική δομή κατηγορίας ημιανοικτού κελιού (semi-open cell). Δηλαδή οι πόροι επικοινωνούν μεταξύ τους σε κάποιο βαθμό αλλά παρεμβάλλονται και κλειστοί πόροι που δεν συνδέονται μεταξύ τους. Τα βέλτιστα χαρακτηριστικά πορώδους παρατηρήθηκαν σε δοκίμια με 20%κ.β υδροξυαπατίτη και χρόνο κραματοποίησης 20 ωρών. Στοιχειακή μικροανάλυση EDS σε όλα τα δοκίμια μετά την θερμική κατεργασία έδειξε τις κύριες κορυφές του φωσφόρου, του ασβεστίου και του τιτανίου. Ανάλυση των λευκών κόκκων που παρατηρούνται σε κάποια δοκίμια έδειξαν αυξημένα ποσοστά φωσφόρου και ασβεστίου γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη πρωτογενούς υδροξυπατίτη. Αντίστοιχα οι γκρι περιοχές των μικρογραφιών υποδηλώνουν τους κόκκους του τιτανίου. Προσδιορισμός του πορώδους μετά την θερμική κατεργασία με την μέθοδο του υδραργύρου ( πίνακας 20) έδειξε ότι το ολικό πορώδες του κράματος με 10% κ.β ΗA είναι μικρότερο από αυτό του καθαρού τιτανίου, ενώ η μέση διάμετρος των πόρων λόγω πιθανόν της επικάλυψης με υδροξυαπατίτη, μειώνεται δραστικά από 8.25 μm σε 0.24 μm. Σύγκριση των τιμών πορώδους που δίδονται στους πίνακες 13 (Ti +NH 4 HCO 3 ) και 20 (Ti+HA μετά την θερμική κατεργασία) δείχνει μείωση του πορώδους περίπου κατά 40%-50 %, πιθανόν λόγω της αποτελεσματικής επίδρασης της ΜΑ και της επαρκούς θερμότητας πυροσυσσωμάτωσης. Το λαμβανόμενο πορώδες θεωρείται αποδεκτό διότι συνδέεται με τις μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε κάμψη) που είναι παρόμοιες με εκείνες του φυσικού οστού. Υπολογισμός του μέτρου ελαστικότητας κάθετα και κατά μήκος των δοκιμίων με υπέρηχους σε δοκίμια μετά την θερμική κατεργασία (πίνακες 21, 22) έδειξε ότι στα δοκίμια με 20%κ.β ΗΑ, το μέτρο ελαστικότητας αυξάνεται ανεξάρτητα της 182

5 θέσης μέτρησης, καθώς αυξάνεται ο χρόνος μηχανικής κραματοποίησης. Η συμπεριφορά αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως αναμενόμενη διότι αυξανομένου του χρόνου κραματοποίησης το υλικό γίνεται περισσότερο λεπτόκοκκο και μηχανικά ισχυρότερο με αποτέλεσμα να αυξάνεται η περιοχή ελαστικότητας και να μειώνεται η παραμόρφωση του. Γενικά οι τιμές του Ε που μετρώνται με υπέρηχους είναι υψηλότερες από τις αντίστοιχες τιμές που λαμβάνονται από καμπύλες εφελκυσμού ή συμπίεσης. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στην φύση του μετρούμενου σύνθετου υλικού. Στην προκειμένη περίπτωση η τιμή του Ε dynamic είναι σημαντικά υψηλότερη από την αντίστοιχη του Ε compression λόγω της ύπαρξης πόρων και κεραμικών σωματιδίων (ΗΑ). Η μέτρηση της αντοχής σε συμπίεση μετά τη θερμική κατεργασία δίδεται στα σχήματα Από την φύση της διεπιφάνειας μεταξύ μεταλλικού αφρού και κεραμικού ΗΑ καθορίζεται αν το σύνθετο υλικό θα συμπεριφερθεί ως ψαθυρό (brittle) υλικό, με μικρή συνεκτικότητα και μικρή πλαστική παραμόρφωση, επηρεαζόμενο από ελαττώματα ( flaws) ή ως συνεκτικό (tough) υλικό. Το διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης κράματος 5%κ.β Τi-ΗΑ μετά 10 ώρες κατεργασία κραματοποίησης (σχήμα 119) δείχνει ότι το δοκίμιο θρυμματίζεται σε μεγάλη παραμόρφωση. Το διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης παρουσιάζει δύο κορυφές. Από την εμφάνιση της καμπύλης θραύσης γίνεται αντιληπτή συνεκτική συμπεριφορά. Μπορεί να υποστηριχθεί ότι το σύνθετο υλικό παρουσιάζει μια «ψευδο-πλαστική» συμπεριφορά. Η πρώτη κορυφή υποδηλώνει αποκόλληση της μήτρας από την ενίσχυση ενώ η δεύτερη κορυφή υποδηλώνει την ολική αστοχία του σύνθετου. Η περιοχή μεταξύ των δύο κορυφών δηλώνει διαδοχικές μικροθραύσεις ( microcracking) και την μετακίνηση των ρωγματώσεων από τον ένα πόρο στον άλλο σε τάσεις πλησίον της μέγιστης τάσης. Η συμπεριφορά αυτή επιτρέπει στο σύνθετο υλικό να παραμορφώνεται και να διατηρεί το φορτίο του χωρίς να παρουσιάζει ψαθυρή θραύση. Η μήτρα και η ενίσχυση έχουν καλή πρόσφυση γιατί δεν καταρρέει λόγω της ύπαρξης του ΗA το δοκίμιο. Αυτό συμβαίνει γιατί το τιτάνιο είναι όλκιμο, έτσι συντελείται τμηματική κατάρρευση του υλικού και όχι άμεση. Αντίθετα η αύξηση του ΗΑ δείχνει να είναι ευεργετική σε ότι αφορά την αντοχή του σε θλίψη. Συγκριτικά φαίνεται ότι η μηχανική κραματοποίηση μίας ώρας (σχήμα 121) στο δοκίμιο 20% Ti-HA ang MA (1 hr) είναι πιο ωφέλιμη από αυτή των 10 ή 30 ωρών 183

6 στα δοκίμια 20% Ti-HA sph MA (10 hr) και 20% Ti-HA ang MA (30 hr) αντίστοιχα (σχήματα 122, 123).. Μελέτη των επιφανειών θραύσης των δοκιμίων με SEM ( σχήματα ) και EDS (σχήμα 129) δείχνει μικροαλλαγές στο σχήμα των πόρων από την συμπίεση καθώς και σπάσιμο αρκετών πόρων. Η διάδοση των ρωγμών αρχίζει από την εξωτερική περιφέρεια του δοκιμίου και οδηγεί στην κατάρρευση του εξωτερικού μέρους του δοκιμίου. Τα σχηματιζόμενα θραύσματα είναι μικρά, χωρίς να παρουσιάζουν αιχμηρές πλευρές, ενώ το μεγαλύτερο κομμάτι είχε την εμφάνιση κοίλου φακού και αποτελούσε τον εσωτερικό κεντρικό πυρήνα του δοκιμίου. Ανάλυση EDS (σχήμα129) έδειξε κορυφές τιτανίου, ασβεστίου, φωσφόρου και οξυγόνου λόγω του υδροξυπατίτη καθώς και μικρό ποσοστό οξειδίων τιτανίου. Γενικά δεν παρατηρείται διαφορά στα διαγράμματα EDS πριν και μετά την δοκιμασία συμπίεσης. Ανάλυση του πορώδους των δειγμάτων τιτανίου-υδροξυαπατίτη μετά την δοκιμασία συμπίεσης (πίνακας 24) έδειξε ότι οι κατανομές των πόρων στα δοκίμια μετά την δοκιμασία συμπίεσης δεν μεταβλήθηκαν σχεδόν καθόλου, ενώ τα ποσοστά της θεωρητικής πυκνότητας καθώς και το ολικό πορώδες αυξήθηκαν, επίσης λόγω της κατάρρευσης κάποιων πόρων. Ανάλυση με περίθλαση ακτινών Χ των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη μετά την δοκιμασία συμπίεσης (σχήματα ) έδειξαν τις κύριες κορυφές τιτανίου, Ti 3 P, CaTiO 3 (περοβσκίτης), του ασβεστίου, και σε μικρά ποσοστά του Τι 2 Ο (ρουτυλίου) και μίγματα οξειδίων του τιτανίου. Η διαφορική θερμική ανάλυση (DTA) και η θερμοβαρομετρία (TG) χρησιμοποιήθηκαν για να διαπιστωθεί εάν κατά την θερμική κατεργασία συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις ή σχηματισμός νέων φάσεων. DTA-TG ανάλυση των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη (σχήματα ) έδειξε μικρές διαφορές βάρους που μπορεί να οφείλονται σε απώλεια υγρασίας ή πρόσληψη ιχνών εγκλωβισμένου οξυγόνου από το τιτάνιο, χωρίς σημαντικές ενδείξεις ενδοθερμικής ή εξωθερμικής συμπεριφοράς που να δείχνουν απώλεια υδροξυλίων, ή γενικά ολική διάσπαση του υδροξυαπατίτη. Η εξωθερμική τάση που παρατηρείται σε όλες τις καμπύλες θα μπορούσε να αποδοθεί και στην διαφορά θερμοχωτηρικότητας μεταξύ του κράματος Τi-ΗΑ και του υλικού αναφοράς 110, 111 α-al 2 O 3. Συγκεκριμένα, Η κορυφή μικρής απώλειας βάρους της τάξης των 0.5% στην περιοχή των ο C οφείλεται στην απώλεια προσροφημένου ύδατος, γεγονός 184

7 που επιβεβαιώνεται από την αντίστοιχη ενδόθερμη κορυφή της DTA στην ίδια περιοχή. Η αύξηση του βάρους στην συνέχεια και σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 300 ο C πιθανόν να οφείλονται σε αντιδράσεις δημιουργίας επιφανειακού οξειδίου του τιτανίου ή άλλες αντιδράσεις. Η υπόθεση αυτή επιβεβαιώνεται από την αντίστοιχη εμφάνιση της πεπλατισμένης εξώθερμης κορυφής στην περιοχή ο C. Στην καμπύλη DTA εμφανίζεται επίσης μια μικρή ενδόθερμη κορυφή στους 660 ο C που ενδέχεται να αντιστοιχεί σε αντιδράσεις μικρής μερικής διάσπασης του ΗΑ. Στην καμπύλη TG δεν εμφανίζεται απώλεια βάρους στην περιοχή ο C γεγονός που δείχνει ότι δεν υπάρχουν απο-υδροξυλιώσεις. Στην καμπύλη DTA δεν παρατηρείται η ενδόθερμη κορυφή στους 794 ο C που είναι ενδεικτική του μετασχηματισμού του απατίτη σε β-tcp άρα μπορεί να θεωρηθεί ότι ο ΗΑ παραμένει αναλλοίωτος σε σημαντικό βαθμό. Αντίστοιχη συμπεριφορά παρατηρείται σε όλα τα δοκίμια με μικρές διακυμάνσεις στα ποσοστά απώλειας ή αύξησης βάρους. Ανάλυση φασματοσκοπίας υπερύθρου FTIR (Fourier Transform Infra Red) των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη μετά την δοκιμασία συμπίεσης (σχήματα ) δείχνει μια ενεργή συμπεριφορά σε μήκη κύματος στην περιοχή 1500 μέχρι 750 cm -1. Χαρακτηριστική είναι η κορυφή της φωσφορικής ρίζας στα 1084 ( λόγω έκτασης stretching- του δεσμού και 602 cm -1 (κάμψης του δεσμού). Υπάρχουν επίσης κάποιες ενδείξεις για την κορυφή του υδροξυλίου στα 630 cm -1 (λόγω ταλάντωσης του δεσμού) ενώ απουσίαζε εντελώς σε όλα τα δοκίμια η κορυφή υδροξυλίου στα cm -1 του υδροξυαπατίτη. Η κορυφή 962 cm -1 της φωσφορικής ρίζας (λόγω έκτασης του δεσμού) του υδροξυαπατίτη δεν εμφανίστηκε και αντί αυτής εμφανίστηκαν μικρότερες κορυφές στα και cm -1. Στα φάσματα FTIR παρατηρείται ότι οι κορυφές φωσφορικής ρίζα και υδροξυλίων του ΗΑ, με αύξηση του ποσοστού ΗΑ στο σύνθετο Τι-ΗΑ, γίνονται περισσότερο ευδιάκριτες. Το στοιχείο αυτό δείχνει την υψηλή ευαισθησία της τεχνικής FTIR. Συγκριτικά αναφέρεται ότι στο αντίστοιχο φάσμα XRD οι κορυφές ΗΑ δεν είναι ικανοποιητικά διακριτές. 185

8 4.3 Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν κατά τη δοκιμή βιοσυμβατότητας σε υγρό SBF. Η δοκιμή βιοσυμβατότητας έγινε σε υγρό SBF( Body Simulating Fluid) που περιέχει αποστειρωμένο διάλυμα μιας σειράς αλάτων ( NaHCO 3, Na 2 SO 4, MgCl 2 x 6H 2 O, KCl, K 2 HPO 4, NaCl, C 4 H 11 NO 3 ) για χρονικό διάστημα 2 έως 8 εβδομάδων σε δείγματα 20%Ti-HAsphMA(10hr) (σχήμα 143). Η σύσταση του SBF διαφέρει από το πλάσμα αίματος κατά το ότι έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε χλωριόντα και χαμηλότερη συγκέντρωση σε όξινα ανθρακικά ιόντα, που επιδρά στη σύσταση του in vitro σχηματιζόμενου προσομοιάζοντας σε οστό απατίτη Γενικά παρατηρήθηκε σχετικά παρόμοια συμπεριφορά, με μεταβολή του ΡΗ από την ουδέτερη περιοχή (ΡΗ 7.2) στην όξινη (ΡΗ 6.5) κατά την 6 η εβδομάδα επώασης. Η μεταβολή του ΡΗ αποδίδεται στην επικάθιση του φυσικού υδροξυαπατίτη από το υγρό SBF στο δοκίμιο. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης στα δοκίμια μετά από την παραμονή στο SBF (σχήματα ) δείχνει επικάθιση σε μορφή κόκκων, στην επιφάνεια του δοκιμίου, φυσικού υδροξυαπατίτη, γεγονός που επιβεβαιώθηκε και από την εμφάνιση των κύριων κορυφών ασβεστίου φωσφόρου και οξυγόνου με αναλύσεις ΕDS (σχήμα 149). Το αξιοπρόσεκτο σε αυτήν την ανάλυση είναι ότι οι κορυφές του ασβεστίου και του φωσφόρου έχουν αυξηθεί, λόγω της επικάθισης ιόντων ασβεστίου και φωσφόρου που αποτελούν τον φυσικό υδροξυαπατίτη πάνω στο δοκίμιο. Έτσι η ποσότητα του υδροξυαπατίτη που δημιουργείται βρίσκεται αθροιστικά από τις κορυφές του διαγράμματος. Η μεγαλύτερη αύξηση του αριθμού των κόκκων υδροξυαπατίτη εμφανίζεται κατά το διάστημα 4 η -6 η εβδομάδας, ενώ μεγαλύτεροι κόκκοι αναπτύχθηκαν κατά την 8 η εβδομάδα. Aντίθετα, σε δοκίμιο καθαρού πορώδους τιτανίου που για λόγους σύγκρισης τοποθετήθηκε υπό τις ίδιες συνθήκες με αυτές του δοκιμίου Τi-ΗΑ, δημιουργήθηκαν ελάχιστοι μικροί κόκκοι υδροξυαπατίτη. Ανάλυση με περίθλαση ακτινών Χ σε δοκίμια μετά την επώαση στο υγρό SBF σε χρονικά διαστήματα 2-8 εβδομάδων (σχήματα ), έδειξε την ύπαρξη κορυφών περοβσκίτη (CaTiO 3 ), συνθετικού υδροξυαπατίτη, ρουτυλίου και άλλων οξειδίων του τιτανίου καθώς και τις νέες κορυφές του φυσικού υδροξυαπατίτη που δημιουργήθηκε. Τέλος ανάλυση με FTIR των δειγμάτων Τi-HA μετά από επώαση 2-8 εβδομάδων (σχήματα ), έδειξε κορυφές που ανήκουν στην φωσφορική ομάδα (στα 1.084, 602 και 566 cm -1 ) και στο υδροξύλιο (3.574, 630 cm -1 ). 186

9 4.4 Συζήτηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν κατά τη δοκιμή βιοσυμβατότητας σε υγρό Ringer. Σκοπός της δοκιμής βιοσυμβατότητας των δοκιμίων σε υγρό Ringer είναι να εξεταστεί αν θα διαλυθεί μέρος τους ή αν ακόμα μεταβληθεί η σύσταση τους στο βιολογικό υγρό που προσομοιάζει τις αντιδράσεις του ανθρώπινου οργανισμού. Το υγρό Ringer είναι ένα διάλυμα χλωριούχου νατρίου, χλωριούχου καλίου, όξινου ανθρακικού νατρίου και χλωριούχου ασβεστίου σε αποσταγμένο νερό σε συγκεντρώσεις μικρότερες από τις αντίστοιχες των σωματικών υγρών. Το διάλυμα Ringer χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις προσδιορισμού των μηχανικών ιδιοτήτων in vitro. Σειρά δοκιμίων παρέμεινε για χρονικό διάστημα 2 έως 8 εβδομάδες στο υγρό Ringer. Η οξύτητα του διαλύματος μετά την 2 η εβδομάδα παρέμεινε σταθερή στην αλκαλική περιοχή ( ΡΗ=8) (σχήμα 162). Ανάλυση σε μικροσκόπιο SEM των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη μετά την παραμονή τους σε υγρό Ringer (σχήματα ) έδειξε ότι τα δοκίμια παρουσίασαν υψηλή σταθερότητα. Ανάλυση EDS στα δοκίμια μετά την παραμονή τους στο υγρό Ringer έδειξε τις κύριες κορυφές του φωσφόρου, του ασβεστίου και του τιτανίου, με την μεγαλύτερη να ανήκει στο τιτάνιο. Επίσης εμφανίζονται κορυφές οξυγόνου, λόγω του υδροξυπατίτη και μικρού ποσοστού των οξειδίων τιτανίου, και άνθρακας από την μικροεπικάλυψη για την παρατήρηση στο SEM. Ταυτόχρονη παρατήρηση στο SEM και ανάλυση στο EDS σε περιοχές υδροξυπατίτη και περιοχές τιτανίου έδειξε ότι μετά την επώαση στο υγρό Ringer ένα μέρος του υδροξυαπατίτη επαναδιαλύεται στο υγρό, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι κύριες κορυφές του ασβεστίου και του φωσφόρου. Το γεγονός αυτό είναι ενθαρρυντικό καθώς ο υδροξυαπατίτης μπορεί να αποβληθεί από τον οργανισμό ή να χρησιμοποιηθούν τα ιόντα που τον απαρτίζουν από τον οργανισμό. Συγχρόνως δεν παρατηρείται μεταβολή στο τιτάνιο, πράγμα που σημαίνει ότι κατά την παραμονή ενός εμφυτεύματος στον οργανισμό από Ti-HA, το τιτάνιο δεν θα διαλυθεί στα υγρά του οργανισμού και δεν θα περάσει στην κυκλοφορία του αίματος. Τέλος οι παρατηρούμενες μικρές κορυφές χλωρίου και νατρίου, προέρχονται από τα ιόντα του υγρού Ringer και έχουν παραμείνει στο δοκίμιο, διότι δεν έχει προηγηθεί πλύση του δοκιμίου πριν την ανάλυση EDS. 187

10 Ανάλυση με περίθλαση ακτινών Χ των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη μετά από παραμονή σε υγρό Ringer έδειξε κορυφές των οξειδίων του τιτανίου, του περοβσκίτη, του Ti-P, καθώς και υπολείμματα NaCl από το υγρό (σχήματα ). Θερμοανάλυση DTA-TG των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη μετά από παραμονή σε υγρό Ringer έδειξε (σχήματα ) παρόμοια συμπεριφορά με αυτή των δοκιμίων μετά την δοκιμασία συμπίεσης. Οι μικρές διαφορές βάρους μπορεί να οφείλονται σε απώλεια υγρασίας ή πρόσληψη ιχνών εγκλωβισμένου οξυγόνου από το τιτάνιο, χωρίς σημαντικές ενδείξεις ενδοθερμικής ή εξωθερμικής συμπεριφοράς που να δείχνουν απώλεια υδροξυλίων ή γενικά διάσπαση του υδροξυαπατίτη. Συγκριτική ανάλυση καθαρού πορώδους τιτανίου μετά από παραμονή σε υγρό Ringer δείχνει αυξημένες τιμές μεταβολής βάρους λόγω πιθανόν διάσπασης του επιφανειακού ΗΑ ή των οξειδίων του τιτανίου. Υπολογισμός του μέτρου ελαστικότητας με υπερήχους των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη, μετά από παραμονή σε υγρό Ringer (πίνακας 26), δείχνει ότι το δοκίμιο 10% Ti-HA ang MA (20 hr) έχει την υψηλότερη τιμή (99 GPa). Συγκριτικά να σημειωθεί ότι το μέτρο ελαστικότητας για το φυσικό οστό είναι της τάξης των 2-20 GΡa 108. Σύγκριση των τιμών μέτρου ελαστικότητας πριν και μετά την επώαση στο υγρό Ringer δείχνει σημαντική αύξηση του μέτρου ελαστικότητας για όλα τα δοκίμια γεγονός που πιθανόν να οφείλεται στην διάλυση του επιφανειακού ΗΑ στο υγρό Ringer. Αποτελέσματα αντοχής των δειγμάτων Ti-HA, μετά από παραμονή σε υγρό Ringer, κατά την δοκιμασία συμπίεσης ( σχήματα ) δείχνουν ότι τα δοκίμια 20% Ti-HA sph MA (1 hr) χρειάστηκαν την υψηλότερη δύναμη συμπίεσης της συσκευής ενώ τα δοκίμια καθαρού πορώδους τιτανίου δεν έσπασαν στο όριο συμπίεσης της συσκευής. Η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης δείχνει (σχήμα178) ότι η παραμονή στο υγρό Ringer εξάλειψε την δεύτερη κορυφή που είχε παρατηρηθεί στις αντίστοιχες καμπύλες χωρίς την επίδραση του υγρού Ringer. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στη διάλυση του ΗA στο διάλυμα, και την προκαλούμενη φαινομενική ομογενοποίηση του υλικού, το οποίο δρα ουσιαστικά σαν ένα σώμα. Δεν παρουσιάζεται εμφανής πλαστική περιοχή ενώ η παραμόρφωση % είναι αρκετά αυξημένη. Λόγω του ίδιου μεγέθους της τάσης σ αυτό το διάγραμμα και στο αντίστοιχο διάγραμμα του δοκιμίου 5 % Ti-HA Fritsch MA(10 hr) χωρίς την παραμονή σε Ringer (σχήμα 119) είναι πιθανόν ότι η πρώτη κορυφή στο σχήμα 121 να οφείλεται σε διάδοση ρωγμής η οποία συμβαίνει και εδώ σε παραμόρφωση 50%. 188

11 Σε σύγκριση με το αντίστοιχο διάγραμμα του δοκιμίου 10% Ti-HA ang MA(10 hr) (σχήμα 120) χωρίς παραμονή σε Ringer, συμπεραίνεται ότι η παραμονή στο Ringer έχει ευεργετικά αποτελέσματα ως προς το ποσό απορρόφησης ενέργειας που δίδεται από το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη. Εδώ παρουσιάζεται ένα σχετικά όλκιμο υλικό με σχετικά μεγάλη παραμόρφωση θραύσης. Αν τα διαγράμματα των σχημάτων 178 και 179 έχουν διαφορετικές παραμέτρους, η μεμονωμένη επίδραση των οποίων δεν μπορεί να εξακριβωθεί μόνο από την δοκιμασία συμπίεσης, είναι εμφανές ότι η παραμονή στο Ringer δίνει περισσότερο αποδεκτές μηχανικές ιδιότητες τάσης και παραμόρφωσης. Αυτό εξηγείται γιατί κατά την διάλυση του ΗA από όλες τις εξωτερικές επιφάνειες του δοκιμίου καθώς και από τις εσωτερικές επιφάνειες των πόρων στο υγρό, το υλικό χάνει την ψαθυρότητα που του προσδίδει η ενίσχυση του υδροξυαπατίτη. Το τιτάνιο όμως δεν επηρεάζεται από το υγρό και έτσι το δοκίμιο διατηρεί την ελατότητα του τιτανίου που πλησιάζει σε τιμές τάσης- παραμόρφωσης το καθαρό τιτάνιο. Στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης 20%Τι-ΗΑ (σχήμα 180) δεν φαίνεται καθόλου η φάση του ΗA. Το σύνθετο υλικό τείνει να συμπεριφερθεί σαν καθαρό τιτάνιο, μετά από σύγκριση και με το παρακάτω διάγραμμα του καθαρού πορώδους τιτανίου (σχήμα 181) που εμφανίζει ελαστική συμπεριφορά. Ο υδροξυαπατίτης που υπάρχει στο δοκίμιο δεν φαίνεται να επιδρά στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού γιατί η μηχανική κραματοποίηση μιας ώρας ίσως δεν είναι αρκετή για την δημιουργία χημικών αλληλεπιδράσεων που θα διατηρούσαν με μεγαλύτερη συνοχή τους κόκκους του ΗA στη δομή του σύνθετου κατά την παραμονή του δοκιμίου στο Ringer. Στο διάγραμμα αυτό (σχήμα 181) παρατηρείται σε παραμόρφωση από 0 μέχρι 6% περιοχή που αντιπροσωπεύει τις μηχανικές ιδιότητες του πορώδους υλικού. Από παραμόρφωση 6 μέχρι 14% παρατηρείται πλαστική κατάρρευση των κυψελίδων. Έτσι παραμόρφωση μέχρι 14% παρατηρείται συμπεριφορά πορώδους τιτανίου και από κει και πέρα το δοκίμιο έχει συμπεριφορά ουσιαστικά συμπαγούς τιτανίου. Ανάλυση των δειγμάτων σε μικροσκόπιο SEM, με στοιχειακή μικροανάλυση EDS, τιτανίου- υδροξυαπατίτη, μετά από παραμονή σε υγρό Ringer και μετά την δοκιμασία συμπίεσης, (σχήματα ) έδειξε μεγάλες αλλαγές στο σχήμα των πόρων από την συμπίεση καθώς και διάρρηξη αρκετών πόρων, με διάδοση των ρωγμών από την εξωτερική περιφέρεια του δοκιμίου και κατάρρευση του εξωτερικού μέρους του δοκιμίου. Τα μικρά θραύσματα, όπως και το υπόλοιπο των δοκιμίων που δημιουργήθηκαν δεν ήταν αιχμηρά. Το μεγαλύτερο κομμάτι που απέμεινε είχε 189

12 συμπαγή επίπεδη εμφάνιση και αποτελούσε τον εσωτερικό κεντρικό πυρήνα του δοκιμίου. Ανάλυση πορώδους των δειγμάτων τιτανίου-υδροξυαπατίτη, μετά από παραμονή σε υγρό Ringer και μετά την δοκιμασία συμπίεσης (πινάκας 28) έδειξε ότι δοκίμια καθαρού πορώδους τιτανίου είχαν τους μεγαλύτερους πόρους και την ευρύτερη κατανομή μεγέθους πόρου. Tα δοκίμια 5%Ti-HA ang MA(10hr) είχαν την καλύτερη θεωρητική τιμή πυκνότητας και τα δοκίμια 10%Ti-HA sph MA(20hr) το μεγαλύτερο ολικό πορώδες. Τέλος ανάλυση FTIR των δειγμάτων τιτανίου- υδροξυαπατίτη, μετά από παραμονή 2 έως 8 εβδομάδων σε υγρό Ringer και μετά την δοκιμασία συμπίεσης ( ), έδειξε όπως είχε δείξει προηγουμένως και στο υγρό SBF παρατηρήθηκαν κορυφές που ανήκουν στη φωσφορική ομάδα και το υδροξύλιο. Επίσης είναι δυνατό κάποιες από τις κορυφές που παρατηρούνται να ανήκουν και στο δικαρβονικό αμμώνιο που χρησιμοποιήθηκε για την αφροποίηση των δοκιμίων καθώς σε μόρια από το διάλυμα Ringer. Συγκεκριμένα, κορυφές υδροξυλίου του υδροξυαπατίτη εμφανίζονται στα και 630 cm -1, της φωσφορικής ρίζας του υδροξυαπατίτη στα 1.084, 602 και 566 cm -1. Η κορυφή υδροξυλίου cm -1 του υδροξυαπατίτη δεν παρατηρήθηκε στα φάσματα όλων των δοκιμίων, καθώς και η κορυφή 962 cm -1 της φωσφορικής ρίζας του υδροξυαπατίτη. 190

13 4.5 Γενική συζήτηση Εμφάνιση δοκιμίων Γενικά, η εμφάνιση όλων των δοκιμίων γενικά μετά την θερμική κατεργασία ήταν αναμενόμενη. Η επιφάνεια των δοκιμίων είχε τραχιά και πορώδη μεταλλική εμφάνιση και σε μεγαλύτερη μεγέθυνση φαίνονταν καθαρά οι πόροι καθώς και το είδος τους. Ο μεταλλικός-κεραμικός αφρός που δημιουργήθηκε ανήκει στην κατηγορία ημι-ανοικτού κελιού (semi-open cell), δηλαδή οι πόροι μεταξύ τους επικοινωνούν σε κάποιο βαθμό αλλά παρεμβάλλονται και κλειστοί πόροι που δεν συνδέονται μεταξύ τους. Η δομή των δοκιμίων ήταν ομοιόμορφη με ομοιόμορφη κατανομή των πόρων σε όλον τον όγκο του δοκιμίου, γεγονός που θεωρείται ότι οφείλεται στη διαδικασία ανάμιξης του μίγματος των κόνεων και του παράγοντα αφροποίησης με μηχανική κραματοποίηση. Το βέλτιστο ποσοστό του παράγοντα αφροποίησης για την περίπτωση του πορώδους σύνθετου βιοϋλικού τιτανίου και υδροξυαπατίτη είναι 10% κ.β NH 4 HCO 3 90% κ.β τιτάνιο+ υδροξυαπατίτης. Οι διαφοροποιήσεις που παρατηρήθηκαν στα δείγματα των 15 λεπτών και 1 ώρας, τα οποία παρουσιάζουν μια διτασική (bimodal) συμπεριφορά σε κοκκομετρική ανάλυση κατά όγκο, πιθανόν να οφείλεται στον περιορισμένο χρόνο μηχανικής κραματοποίησης όπου τα σωματίδια έχουν αυξηθεί σε μέγιστη διάμετρο και αρχίζει η ελάττωση της διαμέτρου με αποτέλεσμα να υπάρχουν και πολύ μικροί κόκκοι αλλά και μεγάλα συσσωματώματα ταυτόχρονα. Η μεγαλύτερη μέση διάμετρος πόρων ήταν 0.54 μm, με κατανομή μm, και ολικό πορώδες 33.51% πριν την δοκιμασία συμπίεσης, και 7.78 μm, με κατανομή μm, και ολικό πορώδες % μετά την δοκιμασία συμπίεσης. Αυτή η αύξηση στις παραπάνω τιμές δικαιολογείται λόγω της θραύσης κάποιων πόρων και τη δημιουργία νέων μεγαλύτερων πόρων, καθώς και την αύξηση της διαμέτρου των δοκιμίων μετά τη δοκιμασία συμπίεσης. Το επιθυμητό πορώδες είναι 19-34% και συνδέεται με μηχανικές ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του φυσικού οστού. Η τελική μορφή των κόκκων του δοκιμίου στο τέλος της κατεργασίας δείχνει να αποτελείται από τιτάνιο στο κέντρο το οποίο περιβάλλεται από στρώμα ενδιάμεσης φάσης (πιθανώς τιτάνιο και υδροξυαπατίτης ως TiCaPO3 ή το επιφανειακό TiO,που δημιουργείται κυρίως λόγω της απουσίας αδρανούς ατμόσφαιρας κατά την ΜΑ, και υδροξυαπατίτη) και όλο αυτό επικαλύπτεται από υδροξυαπατίτη. 191

14 4.5.2 Μηχανική κραματοποίηση Η μηχανική κραματοποίηση επέδρασε θετικά στην δομή του σύνθετου βιοϋλικού με μείωση του μεγέθους του κόκκου, δημιουργία καινούργιων σχεδόν κρυσταλλικών φάσεων, δημιουργία αμόρφου φάσης, επανακατανομή των διαβαθμίσεων των διαμεταλλικών ενώσεων, μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης των χημικών αντιδράσεων ανταλλαγής σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, και επέκταση του στερεού διαλύματος. Το τιτάνιο είναι πιο ελατό σε σχέση με τον υδροξυαπατίτη, και έτσι κατά την μηχανική ανάδευση τα σωματίδια του υδροξυαπατίτη σπάνε σε άλλα μικρότερα και δεν παραμορφώνονται πλαστικά. Το τιτάνιο παραμορφώνεται και τα σωματίδια του συγκολλούνται κατά την επεξεργασία. Τα σπασμένα κομμάτια του υδροξυαπατίτη επικολλούνται στην επιφάνεια των ελατών σωματιδίων του τιτανίου, όπως η άμμος σε πλαστελίνη. 192

15 4.5.3 Δοκιμασία συμπίεσης Το υπολογισμένο μέτρο ελαστικότητας των δοκιμίων κυμαίνεται στα 51 GPa και είναι σχετικά κοντά στο μέτρο ελαστικότητας του φυσικού οστού που κυμαίνεται από 2-20 GPa 108. α. Δοκίμια χωρίς βιολογικές κατεργασίες (non- treated) Αν και η αύξηση στο ποσοστό του υδροξυαπατίτη στο βιοϋλικό φαίνεται να έχει κάποια ευεργετική επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου, για την χρήση του ως βιοϋλικό για εμφυτεύματα, η παρατεταμένη ΜΑ έχει σαν συνέπεια την εν γένει ψαθυροποίηση του υλικού το οποίο έχει σαν συνέπεια να ελαττώνεται η παραμόρφωση θραύσης ε από το 40% στο 12-13%. Στην περίπτωση μεγαλύτερου χρόνου ΜΑ, το υλικό δρα σαν ένα υλικό και όχι σαν σύνθετο. Η ύπαρξη δεύτερης φάσης υποδηλώνεται από την εμφάνιση δύο εμφανών κορυφών που κινούνται μεταξύ του 5 και 15% ε στα διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης (βλ. Κεφ. 3). Βέβαια πρέπει να τονιστεί ότι η διαφοροποίηση όσον αφορά την τάση σ αυτά τα διαγράμματα δείχνει αναμφίβολα την ικανότητα της μήτρας για συνοχή με την ενισχυτική φάση του υδροξυαπατίτη. Έτσι συνεπάγεται ότι περαιτέρω ανάμιξη των πρωτογενών κόνεων έχει σαν συνέπεια την ψαθυροποίηση του υλικού και μπορεί να συμβαίνει είτε λόγω των διαδικασιών κραματοποίησης στα όρια των κόκκων οι οποίες πιθανών λαμβάνουν χώρα κατά την ΜΑ, είτε λόγω χημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ενίσχυσης και μήτρας. Στα περισσότερα διαγράμματα παρατηρούνται δύο κορυφές. Η πρώτη κορυφή υποδηλώνει την αποκόλληση της μήτρας από την ενίσχυση. Το δοκίμιο εδώ σπάει λόγω της παραμόρφωσης και όχι της τάσης. Στο σημείο αυτό η παραμόρφωση αντιπροσωπεύει το σύνθετο υλικό. Η περιοχή μεταξύ των δύο κορυφών δηλώνει την μετακίνηση των ρωγματώσεων από τον ένα πόρο στον άλλο. Η δεύτερη κορυφή υποδηλώνει την ολική αστοχία του σύνθετου. Η μήτρα και η ενίσχυση έχουν καλή πρόσφυση γιατί δεν καταρρέει λόγω της ύπαρξης του ΗΑ το δοκίμιο. Αυτό συμβαίνει γιατί το τιτάνιο είναι όλκιμο, έτσι συντελείται τμηματική κατάρρευση του υλικού και όχι άμεση. Σε ορισμένα δοκίμια δεν παρατηρήθηκε η αναμενόμενη παραπάνω συμπεριφορά. Σ αυτά τα διαγράμματα φαίνεται ότι η ύπαρξη του ΗΑ έχει σαν 193

16 συνέπεια την καλύτερη συμπεριφορά του υλικού όσον αφορά την αντοχή του σε θλίψη. Σε σύγκριση με την πρώτη κατηγορία διαγραμμάτων φαίνεται ότι από ένα σημείο και μετά η προσθήκη του ΗΑ σε ποσοστό 10%κ.β στο σύνθετο είναι ωφέλιμη, σε σχέση με το 5% κ.β ΗΑ της πρώτης κατηγορίας. β. Δοκίμια μετά από παραμονή στο υγρό Ringer Εδώ παρατηρείται η εξάλειψη της δεύτερης κορυφής που δικαιολογείται με την διάλυση του ΗΑ στο διάλυμα, και έτσι την φαινομενική ομογενοποίηση του υλικού, το οποίο δρα ουσιαστικά σαν ένα σώμα. Δεν παρουσιάζεται εμφανής πλαστική περιοχή ενώ η % παραμόρφωση είναι αρκετά αυξημένη. Η παραμονή στο Ringer έχει ευεργετικά αποτελέσματα ως προς το ποσό απορρόφησης ενέργειας που δίδεται από το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη των διαγραμμάτων. Εδώ παρουσιάζεται ένα σχετικά όλκιμο υλικό με σχετικά μεγάλη παραμόρφωση θραύσης. Είναι εμφανές ότι η παραμονή στο Ringer δίνει πιο θεμιτές μηχανικές ιδιότητες τάσης και παραμόρφωσης. Αυτό εξηγείται γιατί κατά την διάλυση του ΗΑ από όλες τις εξωτερικές επιφάνειες του δοκιμίου καθώς και από τις εσωτερικές επιφάνειες των πόρων στο υγρό, το υλικό χάνει την ψαθυρότητα που του προσδίδει η ενίσχυση του υδροξυαπατίτη. Το τιτάνιο όμως δεν διαλύεται στο υγρό και έτσι το δοκίμιο διατηρεί την ελατότητα του τιτανίου που πλησιάζει σε τιμές τάσηςπαραμόρφωσης το καθαρό τιτάνιο. Όταν ο χρόνος κατεργασίας ΜΑ είναι μικρός η μηχανική συμπεριφορά του συστήματος Τi-HA τείνει προς εκείνη του καθαρού τιτανίου ( η φάση ΗΑ είναι ουσιαστικά απούσα. Έτσι π.χ. σε δοκίμιο με ΜΑ 1 ώρας ο ΗΑ που υπάρχει στο δοκίμιο δεν φαίνεται να επιδρά στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού, πιθανόν γιατί ο χρόνος δεν είναι αρκετός για την δημιουργία χημικών αλληλεπιδράσεων που θα κρατούσαν με μεγαλύτερη συνοχή τους κόκκους του ΗΑ στη δομή του σύνθετου κατά την παραμονή του δοκιμίου στο Ringer. Στο διάγραμμα αυτό παρατηρείται σε παραμόρφωση από 0 μέχρι 6% περιοχή που αντιπροσωπεύει τις μηχανικές ιδιότητες του πορώδους υλικού. Από παραμόρφωση 6 μέχρι 14% παρατηρείται πλαστική κατάρρευση των κυψελίδων. Έτσι μέχρι παραμόρφωση 14% παρατηρείται συμπεριφορά πορώδους τιτανίου και από κει και πέρα το δοκίμιο έχει συμπεριφορά ουσιαστικά συμπαγούς τιτανίου. 194

17 4.5.4 Μηχανισμός θραύσης Κατά την μελέτη του μηχανισμού θραύσης μετά από την δοκιμασία συμπίεσης παρατηρήθηκαν τα εξής: Αρχικώς παραμορφώθηκαν τα όρια των πόρων με αλλαγή του σχήματος τους από σφαιρικό σε ελλειπτικό. Το υλικό μεταξύ των πόρων οδηγήθηκε σε θραύση στα σημεία με τα λεπτότερα όρια (σχήμα 189). Στην συνέχεια, όσες δυνάμεις συμπίεσης δεν μπόρεσαν να εκτονωθούν με μικροθραύσεις μεταφέρθηκαν στις εξωτερικές πλευρές των δοκιμίων από όπου και ξεκίνησαν ρωγματώσεις προς όλες τις κατευθύνσεις. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν να παραμείνει σχεδόν ακέραιος ο πυρήνας των δοκιμίων και να καταστρέφεται το περιφερειακά σ αυτόν υλικό 112. Σχήμα 189. Απεικόνιση της παραμόρφωσης των πόρων 112. Γενικά παρατηρήθηκαν μικρο-αλλαγές στο σχήμα των πόρων από την συμπίεση καθώς και σπάσιμο αρκετών πόρων. Η διάδοση των ρωγμών ξεκίνησε από την εξωτερική περιφέρεια του δοκιμίου και οδήγησε στην κατάρρευση του εξωτερικού μέρους του δοκιμίου. Τα μικρά θραύσματα, όπως και το υπόλοιπο των δοκιμίων που δημιουργήθηκαν δεν ήταν αιχμηρά. Το μεγαλύτερο κομμάτι που απέμεινε είχε την εμφάνιση κοίλου φακού και αποτελούσε τον εσωτερικό κεντρικό πυρήνα του δοκιμίου. 195

18 4.5.5 Ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ Οι αναλύσεις XRD συνολικά έδειξαν την πιθανή ύπαρξη μιας ένωσης μεταξύ του υδροξυαπατίτη και του τιτανίου, του περοβσκίτη CaTiO 3 καθώς και της ένωσης CaTi 4 (PO 4 ) 6 και Ca0.5(Ti 2 P 3 O 12 ) που υποδεικνύουν πιθανή ένωση του τιτανίου με τμήμα του υδροξυαπατίτη λόγω της ψυχρής συγκόλλησης κατά την μηχανική κραματοποίηση. Κατά την μηχανική κραματοποίηση ο υδροξυαπατίτης από κρυσταλλικός μετατρέπεται σε άμορφο, και ποσοστό του τιτανίου μετατρέπεται σε οξείδιο του τιτανίου. Η δημιουργία του οξειδίου του τιτανίου οφείλεται στο ότι το τιτάνιο έχει μεγάλη τάση να ενώνεται με το οξυγόνο προς οξείδια. Το τιτάνιο παίρνει το οξυγόνο για αυτή την διαδικασία από την ατμόσφαιρα κυρίως ή από τον υδροξυαπατίτη κατά την διάσπασή του στην ΜΑ. Το οξυγόνο που προσροφάται στα κενά μεταξύ των κόκκων του τιτανίου είναι ελεύθερο και μη στοιχειομετρικό, και προκαλεί αλλαγή του bcc πλέγματος του τιτανίου. Το οξυγόνο μπαίνει σε intesticial ενδιάμεσες θέσεις και μεταβάλλει την κυψελίδα του κρυστάλλου, μεγαλώνοντας, έτσι, το πλέγμα του τιτανίου. Ο χημικός τύπος που εκφράζει αυτό το οξείδιο του τιτανίου είναι TiO x 113 (σχήμα 190). Κυψελίδα Τi Άτομο Οξυγόνο Σχήμα 190. Απεικόνιση του κρυσταλλικού πλέγματος του ΤiOx Το τιτάνιο επιφανειακά δεν οξειδώνεται όλο προς οξείδιο. Ένα μέρος του επικαλύπτεται από υδροξυαπατίτη κατά την μηχανική κραματοποίηση, ο οποίος ενδεχομένως να αντιδρά χημικά με το τιτάνιο και δημιουργεί μια προστατευτική επικάλυψη. Όσο τιτάνιο δεν πρόλαβε να περιβληθεί από υδρoξυαπατίτη οξειδώνεται. Η ύπαρξη των οξειδίων του τιτανίου δεν είναι απαραίτητα μειονέκτημα. Λόγω χημικής συγγένειας με τον υδροξυαπατίτη, τα οξείδια που δημιουργούνται πιθανώς να διευκολύνουν και αυτά την δημιουργία φυσικού υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια του εμφυτεύματος κατά την παραμονή του στον οργανισμό. 196

19 4.5.6 Διαφορική θερμική και θερμοβαρομετρική ανάλυση Σχεδόν σε όλα τα δοκίμια παρατηρήθηκε κορυφή μικρής απώλειας βάρους 0.5% στην περιοχή των 120 ο C που πιθανός να οφείλεται στην απώλεια προσροφημένου ύδατος, γεγονός που επιβεβαιώνεται από την αντίστοιχη ενδόθερμη κορυφή της DTA στην ίδια περιοχή. Στη συνέχεια η αύξηση βάρους σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 300 ο C πιθανόν να οφείλεται σε αντιδράσεις δημιουργίας επιφανειακού οξειδίου του τιτανίου ή άλλες αντιδράσεις. Η υπόθεση αυτή επιβεβαιώνεται από την αντίστοιχη εμφάνιση της πεπλατισμένης εξώθερμης κορυφής στην περιοχή ο C. Στην καμπύλη DTA εμφανίζεται επίσης μια μικρή ενδόθερμη κορυφή στους 660 ο C που ενδέχεται να αντιστοιχεί σε αντιδράσεις μικρής μερικής διάσπασης του ΗΑ. Στην καμπύλη TG δεν εμφανίζεται απώλεια βάρους στην περιοχή ο C γεγονός που δείχνει ότι δεν υπάρχουν απο-υδροξυλιώσεις. Στην καμπύλη DTA δεν παρατηρείται η ενδόθερμη κορυφή στους 794 ο C που είναι ενδεικτική του μετασχηματισμού του απατίτη σε β-tcp άρα μπορεί να θεωρηθεί ότι ο ΗΑ παραμένει αναλλοίωτος σε σημαντικό βαθμό. 197

20 4.5.7 Ανάλυση με υπέρυθρη φασματοσκοπία FTIR Η ανάλυση FTIR των δοκιμίων έδειξε την ύπαρξη φωσφορικής ρίζας. Πιθανώς να υπάρχει μικρό ποσοστό δεσμευμένων κρυσταλλικών υδροξυλίων. Παρόλα αυτά, και η απώλεια της κορυφής στα 962 cm -1 σχεδόν για όλα τα δοκίμια δείχνει τις δομικές αλλαγές του υδροξυαπατίτη κατά τη θερμική κατεργασία, και τη μερική μετατροπή του από υδροξυ-απατίτη σε απατίτη και τέλος σε α-tcp. Ο χαρακτηρισμός των δομών αυτών δείχνει την ύπαρξη μερικώς αφυδατωμένου υδροξυαπατίτη και άμορφου φωσφορικού ασβεστίου, καθώς και άλλων φάσεων όπως τριφωσφορικό ασβέστιο, που δημιουργούνται κατά την πυροσυσσωμάτωση. Το ποσοστό ασβεστίου-φωσφόρου του υδροξυαπατίτη στα θερμικά κατεργασμένα δοκίμια ήταν πολύ κοντά στο στοιχειομετρικό ποσοστό ασβεστίου- φωσφόρου, πράγμα που υποδεικνύει ότι δεν πραγματοποιήθηκαν στοιχειομετρικές αλλαγές στον υδροξυαπατίτη. 198

21 4.5.8 Βιολογική δοκιμή σε υγρό SBF Γενικά παρατηρείται σχετικά παρόμοια συμπεριφορά σε όλα τα δοκίμια, με μεταβολή του ΡΗ από την ουδέτερη περιοχή (ΡΗ 7.2) στην όξινη (ΡΗ 6.5) κατά την 6 η εβδομάδα επώασης. Η μεταβολή του ΡΗ αυτή σχετίζεται με την επικάθιση του φυσικού υδροξυαπατίτη από το υγρό SBF στο δοκίμιο. Κατά την παραμονή του δοκιμίου σε υγρό προσομοίωσης SBF το μίγμα οξειδίων του τιτανίου (τιτανία) που σχηματίζεται στην επιφάνεια του δοκιμίου αλληλεπιδρά με ιόντα ασβεστίου και φωσφόρου από το διάλυμα 114. Επιπρόσθετα, η ύπαρξη του υδροξυαπατίτη στο βιοϋλικό βοηθά την περαιτέρω ανάπτυξη φυσικών κόκκων υδροξυαπατίτη, μέσω της προαναφερθείσας εναπόθεσης. Μια διαγραμματική απεικόνιση δίδεται παρακάτω, στο σχήμα 191. Σχήμα 191.Χημική αλληλεπίδραση με ανταλλαγές ιόντων μεταξύ τιτανίου, ασβεστίου και φωσφόρου 114 Οι κόκκοι του υδροξυαπατίτη που δημιουργήθηκαν στην επιφάνεια του δοκιμίου από το SBF αρχικά ήταν πολλοί και μικροί και με το πέρασμα του χρόνου αυξάνονταν σε όγκο. Σ αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί ότι σε δοκίμιο καθαρού τιτανίου η δημιουργία κόκκων φυσικού υδροξυαπατίτη ήταν πολύ μικρή. 199

22 4.5.9 Βιολογική δοκιμή σε υγρό Ringer Η παραμονή σε υγρό Ringer οδηγεί σε διάλυση του υδροξυαπατίτη από το δοκίμιο στο διάλυμα από όλες τις επιφάνειες του δοκιμίου εξωτερικά και εσωτερικά με αποτέλεσμα το δοκίμιο να έχει στο τέλος μηχανικές ιδιότητες που τείνουν στις μηχανικές ιδιότητες καθαρού πορώδους τιτανίου. Αυτό βέβαια εξαρτάται από το ποσοστό κ.β του υδροξυαπατίτη στο δοκίμιο, και από τον χρόνο της ΜΑ όπου φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος της μηχανικής κραματοποίησης τόσο καλύτερα συνδεδεμένος είναι ο ΗΑ στο τιτάνιο και τόσο πιο δύσκολα διαλύεται στο Ringer. Το γεγονός αυτό είναι ενθαρρυντικό καθώς ο υδροξυαπατίτης μπορεί να αποβληθεί από τον οργανισμό ή να χρησιμοποιηθούν τα ιόντα που τον απαρτίζουν από τον οργανισμό. Συγχρόνως δεν παρατηρείται μεταβολή στο τιτάνιο, πράγμα που σημαίνει ότι κατά την παραμονή του εμφυτεύματος στον οργανισμό το τιτάνιο δεν θα διαλυθεί στα υγρά του οργανισμού και δεν θα περάσει στην κυκλοφορία του αίματος. 200