Optimalizace mrazícího procesu u metody freeze-casting pro přípravu kostních náhrad

Abstract

Práca sa zameriava na prípravu hydroxyapatitovej keramiky pomocou metódy freeze-casting. Hydroxyapatit je dôležitým keramickým materiálom, vďaka svojej biokompatibilite, biodegradibilite a bioaktivite, má širokú využiteľnosť v medicínskych aplikáciách, najmä pri náhradách kostného materiálu. Zvolená metóda freeze-casting disponuje flexibilitou, šetrnosťou k životnému prostrediu a môžeme ňou dosiahnuť vysokú poréznosť. Metóda zahŕňa procesy mrazenia, lyofilizácie a spekania, čoho výsledkom je porézna štruktúra pripravovaného materiálu. Cieľom práce bolo zistenie vplyvu mraziaceho procesu na vzniknutú porozitu výsledného materiálu a mechanické vlastnosti. Boli aplikované rýchlosti mrazenia 3, 4, 5, 6, 7 a 26 m/s. V experimentálnej časti bolo zistené, že rýchlosť mrazenia má výrazný vplyv na vzniknutú vnútornú mikroštruktúru, priamo ovplyvňuje medzilamelárne vzdialenosti a mechanickú vlastnosť, ktorou je pevnosť v tlaku. Mrazením pomocou tekutého dusíku pri rýchlosti mrazenia 26 m/s bola dosiahnutá mechanická pevnosť v tlaku 15 MPa a zároveň najmenšie medzilamelárne vzdialenosti 14-22 µm. Pomalším mrazením boli získané medzilamelárne vzdialenosti v priemere 40-150 µm a mechanická pevnosť na úrovni 2-4 MPa pri zrovnateľnej porozite.Bachelor thesis focuses on preparation of hydroxyapatite ceramics by freeze-casting. Hydroxyapatite is an important ceramic material, due to its biocompatibility, biodegradability and bioactivity it has a wide range of use in medicinal applications especially in replacement of bone material. The chosen method, freeze-casting, is flexible, eco-friendly and we are able to achieve a high level of porosity. The method includes freezing, freeze drying and sintering which creates a porous structure of the prepared material. Objective of this bachelor thesis was to find out the impact on the created porosity and mechanical properties of the final material. Freezing rates were applied 3, 4, 5, 6, 7 and 26 m/s. During the experimental part it was established that the freezing rate has a significant influence on the newly formed inner microstructure, it directly influences the interlamellar distances and mechanical property which is compressive strength. With liquid nitrogen with a speed of 26 m/s the achieved compressive strength was of 15 MPa as well as the shortest interlamellar distances of 14-22 µm. With slower freezing rate the average interlamellar distances were 40-150 µm and compressive strength of 2-4 MPa with comparable porosity.