بررسی تاثیر جایگزینی CaO با CaF2 بر خواص زیست فعالی و استحکام فشاری شیشه سرامیک 45S5 سنتز شده از ضایعات شیشه سودا- لایم به روش حالت جامد

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 14، شماره 51، اردیبهشت 1402، صفحه 39-57   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2023.32642.2016

نویسندگان

بابک هاشمی^{* 1}؛ افسر نوروزیان²

¹استاد، بخش مهندسی مواد، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

²کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد، بخش مهندسی مواد، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

تاریخ دریافت: 02 آبان 1402،  تاریخ بازنگری: 08 آذر 1402،  تاریخ پذیرش: 11 آذر 1402 

چکیده

چکیده
مقدمه: در این تحقیق ابتدا شیشه سرامیکی با ترکیبی مشابه با شیشه سرامیک 45S5 به روش حالت جامد از ضایعات شیشه سود-لایم سنتز شد. سپس با جایگزینی فلوراید کلسیم به جای اکسید کلسیم با درصدهای وزنی مختلف، رفتار زیست فعالی این شیشه ها و همچنین استحکام مکانیکی آنها بررسی شد.
روش: آنالیز فازی نمونه‌ها پس از کلسینه کردن با آزمون پراش اشعه ایکس انجام شد. زیست فعالی نمونه ها با غوطه وری آنها در محلول شبیه سازی شده بدن برای در مدت زمانی مختلف و سپس اسکن سطح نمونه ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشاهده و بررسی و مقایسه رسوبات تشکیل شده انجام گرفت. رسوبات تشکیل شده بر سطح نمونه ها همچنین توسط آنالیز پراش اشعه ایکس در زاویه های کوچک شناسایی گردیدند. چگالی و استحکام فشاری نمونه ها پس از عملیات تف جوشی به ترتیب به روش ارشمیدسی و آزمون فشار تعیین شد.
یافته­ ها: نمودارهای پراش اشعه ایکس نمونه‌های شیشه ای که در دماهای مختلف تحت کلسیناسیون، قرار گرفته بودند فازهای بلوریNa₂Ca₂Si₃O₉  و CaNaPO₄   را نشان دادند که دلالت بر تبدیل نمونه­ های کلسینه شده به شیشه ­سرامیک می باشد.آنالیز پراش پرتو ایکس نمونه‌های شیشه سرامیک با درصدهای مختلف کلسیم فلوراید که در دمای c°800 کلسینه شده بودند علاوه بر فازهای بلوری قبلی  فاز Ca₅F(PO₄)₃ را نیز نشان دادند در واقع با افزوده شدن کلسیم فلوراید به نمونه‌ها، فاز فلوئورآپاتیت در نمونه ها تشکیل شده است.
انالیز فازی رسوبات تشکیل شده بر روی سطح نمونه ها پس از قرارگیری در مایع شبیه سازی شده بدن فازهای فلوئورآپاتیتCa₅F(PO₄)₃ ، هیدروکسی آپاتیت Ca₅(PO₄)₃ (OH) و کلسیم اولترا فسفاتCa₂P₆O₁₇  را مشخص نمودند که خاصیت زیست سازگاری مناسبی با بدن دارند
 
نتیجه­ گیری: . نتایج نشان دادند که ساخت شیشه سرامیک ها به روش حالت جامد از شیشه ضایعاتی موفقیت آمیز بوده و با جایگزینی کلسیم فلوراید بجای اکسید کلسیم خواص زیست فعالی و استحکام فشاری نمونه ها افزایش یافته است.    

کلیدواژه‌ها

شیشه سرامیک 45S5؛ زیست سازکاری؛ استحکام فشاری؛ شیشه سودا لایم

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of replacing CaO with CaF2 on bioactivity and compressive strength of 45S5 glass ceramic synthesized from soda-lime glass waste by solid state method

نویسندگان [English]

Babak Hashemi¹؛ Afsar Norozian²

¹Prof. of Materials Engineering, Department of Materials Science and Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran

²MSc of Materials Engineering, Department of Materials Science and Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: In this research, at first, glass ceramic with the same composition as 45S5 glass ceramic was synthesized by solid state method from soda lime glass waste. Then, by substituting calcium fluoride instead of calcium oxide with different weight percentages, the bioactivity behavior of these glasses and also their mechanical strength were investigated
Methods: Phase analysis of the samples after calcination was done by X-ray diffraction. The bioactivity of the samples was investigated by immersing them in the simulated body solution for different periods of time and then scanning the surface of the samples with a scanning electron microscope to observe and compare the sediments formed. The sediments formed on the surface of the samples were also identified by X-ray diffraction analysis at small angles. After that, the density and compressive strength of the samples after sintering were determined by Archimedes method and pressure test, respectively.
Findings: X-ray diffraction diagrams of glass samples subjected to calcination at different temperatures showed the crystalline phases of Na₂Ca₂Si₃O₉ and CaNaPO₄, which indicates the transformation of the calcined samples into glass-ceramics. X-ray diffraction analysis of the samples with different percentages of calcium fluoride that were calcined at a temperature of 800°C showed the Ca₅F(PO₄)₃ phase in addition to the previous crystalline phases. In fact, with the addition of calcium fluoride to the samples, the fluorapatite phase has been formed.
Phase analysis of sediments formed on the surface of the samples after placing them in simulated body fluid determined the phases of fluorapatite Ca₅F(PO₄)₃, hydroxyapatite Ca₅(PO₄)₃ (OH) and calcium ultra-phosphate Ca₂P₆O₁₇ which have the characteristic of biocompatibility with the body.
The results showed that the synthesis of glass ceramics by the solid-state method from waste glass was successful and by substituting calcium fluoride instead of calcium oxide, the bioactive properties and compressive strength of the samples increased.

کلیدواژه‌ها [English]

Glass Ceramic 45S5, Bioactivity, Compression Strength, Soda- lime Glass

مراجع

1- Fernandes, H. R., Gaddam, A., Rebelo, A., Brazete, D., Stan, G. E., & Ferreira, J. M. (2018). Bioactive glasses and glass-ceramics for healthcare applications in bone regeneration and tissue engineering. Materials, 11(12), 2530.

2- Hench, L. L. (1993). Bioceramics: from concept to clinic. American Ceramic Society Bulletin, 72(4), 93-98.

3-مارقوسیان، و. (1381).  شیشه ساختار،خواص و کاربرد. تهران، ایران: مرکز انتشارات دانشگاه علم و صنعت.

4- Höland, W., Rheinberger, V., & Schweiger, M. (2003). Control of nucleation in glass ceramics. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 361(1804), 575-589.

5- Kapoor, S., Goel, A., Tilocca, A., Dhuna, V., Bhatia, G., Dhuna, K., & Ferreira, J. M. (2014). Role of glass structure in defining the chemical dissolution behavior, bioactivity and antioxidant properties of zinc and strontium co-doped alkali-free phosphosilicate glasses. Acta biomaterialia, 10(7), 3264-3278.

6- Kannan, S., Goetz‐Neunhoeffer, F., Neubauer, J., & Ferreira, J. M. F. (2008). Ionic substitutions in biphasic hydroxyapatite and β‐tricalcium phosphate mixtures: structural analysis by Rietveld refinement. Journal of the American Ceramic Society, 91(1), 1-12.

7- Lusvardi, G., Malavasi, G., Cortada, M., Menabue, L., Menziani, M. C., Pedone, A., & Segre, U. (2008). Elucidation of the structural role of fluorine in potentially bioactive glasses by experimental and computational investigation. The Journal of Physical Chemistry B, 112(40), 12730-12739

8- Goodridge, R. D., Wood, D. J., Ohtsuki, C., & Dalgarno, K. W. (2007). Biological evaluation of an apatite–mullite glass-ceramic produced via selective laser sintering. Acta biomaterialia, 3(2), 221-231.

9- Monem, A. S., ElBatal, H. A., Khalil, E. M., Azooz, M. A., & Hamdy, Y. M. (2008). In vivo behavior of bioactive phosphate glass-ceramics from the system P 2 O 5–Na 2 O–CaO containing TiO 2. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 19(3), 1097-1108.

10- رفیعی نیا، م. بنکدار، ش. (1392). بیومتریال­ها (اصول و کاربردها). تهران، ایران: انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر.

11- Baino, F., Verné, E., & Vitale-Brovarone, C. (2009). 3-D high-strength glass–ceramic scaffolds containing fluoroapatite for load-bearing bone portions replacement. Materials Science and Engineering: C, 29(6), 2055-2062.

12- Brauer, D. S., Anjum, M. N., Mneimne, M., Wilson, R. M., Doweidar, H., & Hill, R. G. (2012). Fluoride-containing bioactive glass-ceramics. Journal of Non-Crystalline Solids, 358(12-13), 1438-1442.

13- Wang, G., Wang, S., Bian, C., Li, Y., & Shao, J. (2019). Tribological behavior evaluation of dental fluorapatite glass ceramic. Journal of the Australian Ceramic Society, 55(2), 363-370.

14- Jmal, N., & Bouaziz, J. (2018). Fluorapatite-glass-ceramics obtained by heat treatment of a gel synthesized by the sol-gel processing method. Materials Letters, 215, 280-283.

15- Manafi, S., Mirjalili, F., & Reshadi, R. (2019). Synthesis and evaluation of the bioactivity of fluorapatite–45S5 bioactive glass nanocomposite. Progress in biomaterials, 8(2), 77-89.

16- Masjedi, M. R., & Hashemi, B. (2019). Investigation of Effect of Heat Treatment on Produced Phases in 45S5 Glass-Ceramics Synthesized in the Forms of Powder and Pellet, and Investigation of Their Bioactivity, Journal of New Materials, 9(34), 1-16

17- Abbasi, M., & Hashemi, B. (2014). Fabrication and characterization of bioactive glass-ceramic using soda–lime–silica waste glass. Materials Science and Engineering: C, 37, 399-404.

18- Mneimne, M., Hill, R. G., Bushby, A. J., & Brauer, D. S. (2011). High phosphate content significantly increases apatite formation of fluoride-containing bioactive glasses. Acta Biomaterialia, 7(4), 1827-1834.

19- Gubler, M., Brunner, T. J., Zehnder, M., Waltimo, T., Sener, B., & Stark, W. J. (2008). Do bioactive glasses convey a disinfecting mechanism beyond a mere increase in pH. International endodontic journal, 41(8), 670-678.

20- Lee, J., Hsu, C., & Wu, Y. (2001). Kinetic studies on devitrification of calcium phosphate glass with TiO2, Al2O3, and SiO2 additions. Thermochimica Acta,  367–368, 279-283.

21- Kasuga, T., Ota, Y. & Abe, Y. (1996). High strength calcium phosphate glass composite containing β-Ca(PO3)2 fiber. Phosphorus Research Bulletin, 6, 75-78.

22- Bahremandi, E., Karbasi, S. & Salehi, H. (2019). Potential of an electrospun composite scaffold of poly(3-hydroxybutyrate)-chitosan/alumina nanowires in bone tissue engineering application. Materials Science & Engineering C 99 1075-1091.

23- Karlsson, K. H., Fröberg, K., & Ringbom, T. (1989). A structural approach to bone adhering of bioactive glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 112(1-3), 69-72.

 24- Brauer, D. S., Al-Noaman, A., Hill, R. G., & Doweidar, H. (2011). Density–structure correlations in fluoride-containing bioactive glasses. Materials Chemistry and Physics, 130(1-2), 121-125.

25- Loh, Z. W., Hafiz, M. Zaid, M. & Cheong, W. M., (2022) Effect of CaF2/P2O5 ratios on physical and mechanical properties of novel CaO–Na2O–B2O3–SiO2 glasses, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 171,  110991.

26- Prasad. S., Ganisetti, S. & Biswas, K. (2020) Elucidating the effect of CaF2 on structure, biocompatibility and antibacterial properties of S53P4  glass Journal of Alloys and Compounds, 831( 5), 154704.