Příprava a hodnocení mechanických vlastností biokeramiky

Taťána Fenclová

Doctoral thesis

Preparation and evaluation of mechanical properties of bioceramics

Anotácia:

Dizertační práce je zaměřena na přípravu a charakterizaci porézního biokeramického materiálu pro biomedicínské aplikace na bázi nitridu křemíku. Nitrid křemíku je velmi perspektivním biomateriálem díky kombinaci jeho mechanických vlastností, odolnosti vůči opotřebení, chemické inertnosti, nízké hustotě a dobré biokompatibilitě. Teoretický rozbor a popis problematiky biomateriálů a jejich vlastností je v první části práce, kde jsou popisovány také použité materiály a jejich využití v podobě náhrady kostní tkáně. Důležitou problematikou je také struktura trabekulární kostní tkáně, která bude materiálem nahrazována. Prvním cílem práce bylo připravit sférické keramické částice s definovanou pórovitostí a se zvýšenou bioaktivitou a jejich charakterizace. Druhým cílem bylo využití pórovitých částic pro přípravu kompozitních materiálů s využitím kalcium fosfátového cementu. Experimentální část se věnuje přípravě porézních keramických částic připravených z keramické suspenze obsahující nitrid křemíku, který je bioinertní složkou s dobrými mechanickými vlastnostmi, a fosforečnan vápenatý jako bioaktivní složka. Částice byly připravovány rozprašováním stabilní keramické suspenze do kapalného dusíku a její následnou lyofilizací a spékáním. V další části práce jsou připravené částice hodnoceny z pohledu struktury, velikosti, pórovitosti, mechanických a biologických vlastností. S charakterizací materiálu byly popsány také vlivy jednotlivých parametrů výroby na chemické a fázové složení finálních produktů. V poslední části jsou navrženy a experimentálně ověřeny možné metody využití částic v kompozitních biomateriálech. Celá práce je počátečním návrhem výroby nového materiálu na bázi nitridu křemíku s širokým biomedicínským využitím.

Abstract:

Thesis is focused on the preparation and characterization of porous bioceramic material for biomedical applications based on silicon nitride. Silicon nitride is a very promising biomaterial due to the combination of its mechanical properties, wear resistance, chemical inertness, low density and good biocompatibility. Theoretical analysis and description of biomaterials and their properties is in the first part of the thesis, where the used materials and their use in the form of bone tissue replacement are also described. Another important issue is the structure of the trabecular bone tissue, which will be replaced by the material. The first aim of the work was to prepare spherical ceramic particles with defined porosity and increased bioactivity and their characterization. The second goal was to use porous particles for the preparation of composite materials using calcium phosphate cement. The experimental part is focused to the preparation of porous ceramic particles prepared from a ceramic suspension containing silicon nitride, which is a bioinert component with good mechanical properties, and calcium phosphate as a bioactive component. The particles were prepared by spraying a stable ceramic suspension into liquid nitrogen and then lyophilizing and sintering. In the next part of the work, the prepared particles are evaluated in terms of structure, size, porosity, mechanical and biological properties. With the characterization of the material, the effects of individual production parameters on the chemical and phase composition of the final products were also described. In the last part, possible methods of particle utilization in composite biomaterials are proposed and experimentally verified. The whole work is an initial design for the production of a new material based on silicon nitride with a wide range of biomedical uses.

Kľúčové slová

biokeramika, nitrid křemičitý, porézní sférické částice, tepelné zpracování, mechanické vlastnosti, náhrada kostní tkáně, drug delivery systém

Keywords

bioceramics, silicon nitride, porous spherical particles, heat treatment, mechanical properties, bone tissue replacement, drug delivery system

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 13. 4. 2021

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 27. 5. 2021
• Vedúci: Petr Jonšta
• Oponent: Pavol Hvizdoš, Libor Beneš, Vlastimil Matějka

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme:
Materiálové vědy a inženýrství