Bioaktiivisten huokoisten lasikappaleiden valmistus ja niiden ominaisuuksien karakterisointi
Vuori, Laura (2020)
Vuori, Laura
2020
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2020052513496
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2020052513496
Tiivistelmä
Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Bonalive Biomaterials Oy, joka valmistaa Turussa bioaktiivista lasia koostumukseltaan S53P4. Bioaktiivista lasia ja siitä valmistettuja lääkinnällisiä laitteita käytetään luupuutosten täyttöön, luun uudelleen muodostamiseen ja luun uudistumiseen.
Opinnäytetyön tarkoituksena oli valmistaa sintrausprosessin avulla huokoisia kappaleita kokoluokan 500-800 µm S53P4-granuloista. Huokoisuus lisää kappaleen kokonaispinta-alaa kiinteään kappaleeseen verrattuna, jolloin huokoinen kappale reagoi vesiympäristössä voimakkaammin. Tavoitteena oli valmistaa huokoisia kappaleita, jotka reagoivat vesiympäristössä samalla tavalla kuin irtonaiset granulat. Kappaleista pyrittiin saamaan mekaanisesti mahdollisimman kestäviä, niin että kappale ei sintrauksen aikana samalla kiteydy. Kiteytyminen heikentää kappaleen reagointikykyä. Kappaleita valmistettiin kolmea eri kokoa.
Valmistettujen kappaleiden mekaanista lujuutta testattiin mittaamalla niiden puristusvoimia pysty- ja sivusuunnasta. Kappaleiden mekaaninen lujuus testattiin myös vuorokauden TRIS-puskuriliuoksessa liuotuksen jälkeen. Kappaleille ja niistä valmistetulle murskalle tehtiin apatiittitesti, jolla testattiin, kykeneekö sintrattu lasi muodostamaan pinnalleen hydroksiapatiittikerroksen. Kappaleille ja sintratulle lasimurskalle tehtiin myös pH-testi ajan funktiona, jossa verrattiin näytteiden aikaansaamaa pH-kehitystä TRIS-puskurissa suhteessa sintraamattomaan S53P4-granulaan.
Työssä eri kokoisille kappaleille määritettiin niiden kestämät puristusvoimat, joista laskettiin pinta-alaan verrannolliset puristuslujuudet. Tässä työssä mitatut kappaleiden kestämät puristusvoimat jäivät kuitenkin pieniksi verrattuna ihmisen luukudoksen kestämään puristusvoimaan. Työssä tehdyssä apatiittitestissä todettiin, että sintratut lasigranulat muodostavat pinnalleen hydroksiapatiittikerroksen, mutta hitaammin kuin sintraamaton S53P4-granula. Työssä suoritetun pH-testin tulokset viittaavat sintratun lasigranulan pystyvän nostamaan pH:ta S53P4-granulan kaltaisesti. pH-testi vaatisi kuitenkin paranteluja testiasetelmaan luotettavan tuloksen varmistamiseksi. This Bachelor’s Thesis project was carried out at Bonalive Biomaterials Ltd, which is a manufacturer of bioactive glass of the composition S53P4. Bioactive glass and medical devices made from it are used to fill, reconstruct and regenerate bone defects.
The aim of the Bachelor’s Thesis project was to manufacture by a sintering process porous scaffolds using size fraction 500-800 µm granules made of S53P4 glass. A porous scaffold contains more surface area than a solid block of bioactive glass, which increases its ability to react in an aqueous environment. The aim was to manufacture porous scaffolds that would react similarly to loose S53P4 granules in an aqueous environment. The scaffolds were manufactured so that they were mechanically as strong as possible without the bioactive glass simultaneously becoming crystallized during the sintering process. Crystallization reduces the reactivity of the scaffolds. The scaffolds were made in three sizes.
The mechanical strength of the scaffolds was tested by measuring their compressive load vertically and sideways. The mechanical strength was measured from dry scaffolds and after soaking the scaffolds in TRIS buffer solution for 24 hours. The ability to form hydroxyapatite was tested from sintered glass scaffolds and sintered crushed scaffolds. In addition, a pH test was performed where sintered scaffolds and sintered crushed scaffolds were soaked in TRIS buffer solution and the pH behavior over time was compared to that of loose S53P4 granules.
As part of this thesis project, the compressive loads on the scaffolds were determined, and the area-related compressive strength of each scaffold was calculated therefrom. The compressive strengths of the scaffolds, however, were small when compared to the compressive strength of human bone tissue. In the apatite tests sintered S53P4 glass granules were found to form a hydroxyapatite layer but more slowly than unsintered S53P4 glass granules. The pH tests conducted in this thesis indicated that sintered glass would be able to raise pH similarly to unsintered S53P4 granules. The pH test, however, would need improvements to ensure reliable results.
Opinnäytetyön tarkoituksena oli valmistaa sintrausprosessin avulla huokoisia kappaleita kokoluokan 500-800 µm S53P4-granuloista. Huokoisuus lisää kappaleen kokonaispinta-alaa kiinteään kappaleeseen verrattuna, jolloin huokoinen kappale reagoi vesiympäristössä voimakkaammin. Tavoitteena oli valmistaa huokoisia kappaleita, jotka reagoivat vesiympäristössä samalla tavalla kuin irtonaiset granulat. Kappaleista pyrittiin saamaan mekaanisesti mahdollisimman kestäviä, niin että kappale ei sintrauksen aikana samalla kiteydy. Kiteytyminen heikentää kappaleen reagointikykyä. Kappaleita valmistettiin kolmea eri kokoa.
Valmistettujen kappaleiden mekaanista lujuutta testattiin mittaamalla niiden puristusvoimia pysty- ja sivusuunnasta. Kappaleiden mekaaninen lujuus testattiin myös vuorokauden TRIS-puskuriliuoksessa liuotuksen jälkeen. Kappaleille ja niistä valmistetulle murskalle tehtiin apatiittitesti, jolla testattiin, kykeneekö sintrattu lasi muodostamaan pinnalleen hydroksiapatiittikerroksen. Kappaleille ja sintratulle lasimurskalle tehtiin myös pH-testi ajan funktiona, jossa verrattiin näytteiden aikaansaamaa pH-kehitystä TRIS-puskurissa suhteessa sintraamattomaan S53P4-granulaan.
Työssä eri kokoisille kappaleille määritettiin niiden kestämät puristusvoimat, joista laskettiin pinta-alaan verrannolliset puristuslujuudet. Tässä työssä mitatut kappaleiden kestämät puristusvoimat jäivät kuitenkin pieniksi verrattuna ihmisen luukudoksen kestämään puristusvoimaan. Työssä tehdyssä apatiittitestissä todettiin, että sintratut lasigranulat muodostavat pinnalleen hydroksiapatiittikerroksen, mutta hitaammin kuin sintraamaton S53P4-granula. Työssä suoritetun pH-testin tulokset viittaavat sintratun lasigranulan pystyvän nostamaan pH:ta S53P4-granulan kaltaisesti. pH-testi vaatisi kuitenkin paranteluja testiasetelmaan luotettavan tuloksen varmistamiseksi.
The aim of the Bachelor’s Thesis project was to manufacture by a sintering process porous scaffolds using size fraction 500-800 µm granules made of S53P4 glass. A porous scaffold contains more surface area than a solid block of bioactive glass, which increases its ability to react in an aqueous environment. The aim was to manufacture porous scaffolds that would react similarly to loose S53P4 granules in an aqueous environment. The scaffolds were manufactured so that they were mechanically as strong as possible without the bioactive glass simultaneously becoming crystallized during the sintering process. Crystallization reduces the reactivity of the scaffolds. The scaffolds were made in three sizes.
The mechanical strength of the scaffolds was tested by measuring their compressive load vertically and sideways. The mechanical strength was measured from dry scaffolds and after soaking the scaffolds in TRIS buffer solution for 24 hours. The ability to form hydroxyapatite was tested from sintered glass scaffolds and sintered crushed scaffolds. In addition, a pH test was performed where sintered scaffolds and sintered crushed scaffolds were soaked in TRIS buffer solution and the pH behavior over time was compared to that of loose S53P4 granules.
As part of this thesis project, the compressive loads on the scaffolds were determined, and the area-related compressive strength of each scaffold was calculated therefrom. The compressive strengths of the scaffolds, however, were small when compared to the compressive strength of human bone tissue. In the apatite tests sintered S53P4 glass granules were found to form a hydroxyapatite layer but more slowly than unsintered S53P4 glass granules. The pH tests conducted in this thesis indicated that sintered glass would be able to raise pH similarly to unsintered S53P4 granules. The pH test, however, would need improvements to ensure reliable results.