Comparative study of structure and properties of thermal spray coatings using conventional and nanostructured hydroxyapatite powder, for applications in medical implants

Gkomoza, Paraskevi; Γκομόζα, Παρασκευή

dc.contributor.author	Gkomoza, Paraskevi	en
dc.contributor.author	Γκομόζα, Παρασκευή	el
dc.date.accessioned	2017-07-13T05:56:32Z
dc.date.available	2017-07-13T05:56:32Z
dc.date.issued	2017-07-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45167
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7369
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Hydroxyapatite	en
dc.subject	Thermal spray coatings	en
dc.subject	Medical implants	eb
dc.subject	Υδροξυαπατίτης	el
dc.subject	Επιστρώματα θερμικού ψεκασμού	el
dc.subject	Ιατρικά εμφυτεύματα	el
dc.title	Comparative study of structure and properties of thermal spray coatings using conventional and nanostructured hydroxyapatite powder, for applications in medical implants	en
dc.title	Συγκριτική μελέτη δομής και ιδιοτήτων επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού συμβατικού κα νανοδομημένου υδροξυαπατίτη με απώτερο σκοπό τη χρήση τους σε ιατρικά εμφυτεύματα	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΑ ΥΛΙΚΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/143a52fda1803d0f0ae0d735ccc984a38260f051
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-06-29
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων επικαλύψεων θερμικών ψεκασμών συμβατικού και νανοδομημένου υδροξυαπατίτη, με απώτερο σκοπό τη χρήση του σε ιατρικά εμφυτεύματα. Συγκεκριμένα, παρήχθησαν τέσσερα δοκίμια με την τεχνική ψεκασμού με τόξο πλάσματος στις εγκαταστάσεις της ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ Α.Β.Ε.Ε.. Στα δύο εκ των τεσσάρων δοκιμίων το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του επιστρώματος ήταν εμπορική σκόνη υδροξυαπατίτη XPT-D-703, ενώ για τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκε νανοδομημένη σκόνη υδροξυαπατίτη PYRO 4, η οποία έχει δεχθεί μηχανική κατεργασία στην ΠΥΡΟΓΕΝΕΣΙΣ Α.Β.Ε.Ε.. Το υπόστρωμα όλων των δοκιμίων είναι ανοξείδωτος χάλυβας 304. Τέλος, οι συνθήκες ψεκασμού για τα δύο εκ των τεσσάρων δοκιμίων, το κάθε ένα με επίστρωμα κατασκευασμένο από διαφορετικό τύπο σκόνης, επιλέχθηκαν διαφορετικές με στόχο την επίτευξη μεγαλύτερου ποσοστού πορώδους. Στη συνέχεια, το πορώδες της επίστρωσης, καθώς και η μέση ακτίνα των πόρων εκτιμήθηκαν με δύο διαφορετικές μεθόδους, την ανάλυση εικόνας με το πρόγραμμα MIPAR και την ποροσιμετρία υδραργύρου, η οποία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του Τομέα Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών της Σχολής Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π., από τον κ. Α. Καραγιάννη-Μπακόλα. Η ανάλυση εικόνας παρέχει πληροφορίες για το «κλειστό» πορώδες στο εσωτερικό των επιστρωμάτων, ενώ η ποροσιμετρία υδραργύρου για το «ανοιχτό» πορώδες στην επιφάνεια των επιστρωμάτων. Και οι δύο μέθοδοι έδειξαν πως το δοκίμιο Νο. 4, κατείχε το υψηλότερο ποσοστό συνολικού πορώδους, ωστόσο κανένα από τα τέσσερα δοκίμια δεν κατείχε επαρκές πορώδες και ικανοποιητικό μέγεθος πόρων, ώστε να καλύψει τις απαιτούμενες προδιαγραφές για άμεση χρήση του σε ιατρικά εμφυτεύματα. Συν τοις άλλοις, τα δοκίμια εξετάστηκαν ως προς τη μικροδομή τους, την τραχύτητα, την κρυσταλλικότητα και τη μικροσκληρότητά τους, στο Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π.. Το δοκίμιο Νο. 4 χαρακτηρίστηκε από τη μεγαλύτερη τιμή τραχύτητας, η οποία έρχεται σε συμφωνία με την τιμή της τραχύτητας επιστρωμάτων ιατρικών εμφυτευμάτων που ήδη κυκλοφορούν στην αγορά. Παράλληλα, παρατηρείται πως το συγκεκριμένο δοκίμιο μετά τον ψεκασμό, διατήρησε σε πολύ μεγάλο βαθμό την κρυσταλλικότητα της αντίστοιχης σκόνης υδροξυαπατίτη πριν τον ψεκασμό, στα φάσματα που προέκυψαν από την περίθλασης ακτίνων Χ, η οποία έγινε με τη συμβολή της κα. Α. Καραμπέρη, στον Τομέα Χημικών Επιστημών της Σχολής Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π.. Η τιμές της μικροσκληρότητας που μετρήθηκαν ήταν ίδιες για όλα τα δοκίμια, με ελάχιστη απόκλιση. Ακόμη, πραγματοποιήθηκε έλεγχος βιοδραστικότητας in vitro της επίστρωσης των δοκιμίων, μέσω της εμβάπτισής τους, για επτά συνεχόμενες μέρες, σε διάλυμα που προσομοιάζει τη σύσταση και τις ιδιότητες των σωματικών υγρών (SBF solution), το οποίο παρασκευάσθηκε στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών Ε.Μ.Π.. Στη συνέχεια, τα δοκίμια εξετάστηκαν με το μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων, στο Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π., με τη βοήθεια της κα. Χ. Σαράφογλου, οπότε και ανιχνεύθηκε ο σχηματισμός απατιτικής φάσης στην επιφάνεια και των τεσσάρων επιστρωμάτων. Τέλος, με βάση τις δοκιμές πρόσφυσης που πραγματοποιήθηκαν στην ΠΡΟΓΕΝΕΣΙΣ Α.Β.Ε.Ε., αλλά και μέσω της παρατήρησης της μικροδομής στο οπτικό μικροσκόπιο και στο μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων, διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότερη πρόσφυση του επιστρώματος στο υπόστρωμα, των δοκιμίων που προήλθαν από ψεκασμό της νανοδομημένης σκόνης PYRO 4.	el
heal.abstract	The aim of this paper is to study and compare the structure and properties of thermal spray coatings prepared with conventional and nanostructured hydroxyapatite powder, regarding their use in medical implants. More specifically, four specimens were prepared via atmospheric plasma spray process (APS) at PYROGENESIS SA. Two kinds of feedstock material were employed for the spray process, namely, commercial XPT-D-703 hydroxyapatite powder for half the samples and nanostructured PYRO 4 hydroxyapatite powder, which was mechanically treated on the premises of PYROGENESIS SA, for the remaining samples. The substrate of all the samples is stainless steel 304. Finally, the plasma spray parameters were altered for two out of the four specimens, each with a coating made of a different type of powder, in order for a greater amount of porosity to be achieved. Subsequently, the percentage of coating porosity, as well as the mean pore radius were evaluated by two different methods; MIPAR image analysis program and mercury porosimetry, at the Department of Materials Science and Engineering, School of Chemical Engineering, NTUA, by Mr. A. Karagiannis-Mpakolas. Image analysis provides information regarding the "closed" porosity content, which is enclosed within the body of the coating, while mercury porosimetry measures the "open" porosity content, which is present on the surface of the coating. Both methods showed that Specimen No. 4 had the highest percentage of total porosity, although none of the four specimens owned neither sufficient porosity, nor desirable pore size, in order to meet the required specifications for immediate use in medical implants. In addition, the specimens were examined with regard to their microstructure, roughness, crystallinity and microhardness, at the Shipbuilding Technology Laboratory, School of Naval Architecture and Marine Engineering, NTUA. Specimen No. 4 is characterized by the highest roughness values, which comes in agreement with the roughness values that accompany medical implants already accommodated on the market. At the same time, it is observed that the specific specimen retained, after spraying, the crystallinity of the corresponding hydroxyapatite powder prior to spraying, as revealed by the intensity peaks of the spectra resulted from X-ray diffraction, acquired with the aid of Mrs. A. Karamperi, at the Department of Chemical Sciences, School of Chemical Engineering, NTUA. The measured microhardness values were the same for all the samples, except for a minimum deviation. Furthermore, in vitro bioactivity test was performed on the hydroxyapatite coatings, by immersion of the specimens, for seven consecutive days, into a solution that emulates the composition and properties of somatic fluids (SBF solution), which was prepared at the Laboratory of Physical Metallurgy, School of Mining and Metallurgical Engineering, NTUA. Subsequently, the samples were retrieved from the solution and examined by scanning electron microscopy, at the Shipbuilding Technology Laboratory, School of Naval Architecture and Marine Engineering, NTUA, with the assistance of Mrs. Ch. Sarafoglou, when the formation of apatite phase was detected on the surface of all the specimens. Finally, based on the adhesion tests that were carried out in PROGENESIS SA, as well as through observation of the microstructure via optical and also, scanning electron microscopy, it is revealed that the samples coming from spraying of the nanostructured PYRO 4 hydroxyapatite powder, present the most satisfying adhesion of the coating onto the underlying substrate.	en
heal.advisorName	Παντελής, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Παντελής, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Τσετσέκου, Αθηνά	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	143 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true