CHARACTERIZATION AND EVALUATION OF ALUMINA NANOPARTICLES DISPERSED ULTRAHIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE AS HARD TISSUE REPLACEMENTS
من أجل استبدال الأنسجة الصلبة التالفة جزئيا أو كليا، يبحث علماء المواد الحيوية عن مركبات البوليمرات السيراميكية الاصطناعية التي تناسب في التركيب والتكوين والخصائص مع خصائص الأنسجة الصلبة الطبيعية. يدخل البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي النقي (UHMWPE) ومركباته ذات الإضافات ناونوية الحجم في مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال الهندسة الطبية الحيوية نظرا لخصائصه الفائقة. يهدف هذا العمل إلى دراسة استخدام الجسيمات النانوية من أكسيد الألومينيوم / الألومينا (Al2O3) كعامل معزز لمصفوفة بوليمرية تعتمد على البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) . على الرغم من حقيقة أن السلاسل الطويلة للغاية والوزن الجزيني العالي تحدد الخصائص الفائقة للبولي إيثلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE)، فإنها تفرض في ذات الوقت قيودا على تصنيعة . لقد كان من المؤكد أن الزوجة الذوبان العالية للغاية للبولي إيثلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) تنبع من كثافة التشابك الهائلة في السلاسل البوليمرية الطويلة، والتي تعيق حركة السلسلة الجزيئية. في هذا السياق، من المتوقع أن يكون تقلیل مقدار التشابك بين السلاسل البوليميرية طريقة مجدية لتحسين قابلية تصنيع البولي إيثلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) باستخدام تقنية القولبة بالحقن (Injection molding)، والتي تمثل المعيار الذهبي بين تقنيات التصنيع الأخرى. وبالتالي، يجب إيجاد الظروف و المتغيرات المثلى لعملية القولبة بالحقن قبل إنتاج مركبات البولي إيثلين عالي الوزن الجزيئي المعززة بالجزيئات ناونية الحجم ( UHMWPE / nanofiller . تم تصنيع مجموعات من العينات تحت ظروف و متغيرات مختلفة مثل درجة حرارة إنبوب الانصهار، وضغط الحقن، ودرجة حرارة القالب ، و وقتي الانتظار في إنبوب الانصهار و القالب . باستخدام هذه الظروف والمتغيرات المثلى، تم تصنيع البولي إيثلين عالي الوزن الجزيئي المعزز بجسيمات الألومينا ناونية الحجم (alumina
dispersed UHMWPE) عند تركيزات مختلفة من جسيمات الألومينا. تم قياس الخواص الميكانيكية والحرارية والفيزيائية والكيميائية للعينات المقولبة بالحقن للتحقق من تأثير ظروف التصنيع المختلفة وتركيز
الجسيمات الألومينا النانوية. تم استخدام اختبارات مختلفة لفحص خصائص المادة. من بين هذه الاختبارات، اختبار الشد، تحليل القياسات الحرارية (TGA) ، قياس حرارة المسح التفاضلي ( DSC ، المسح المجهري الإلكتروني ( SEM ) ، التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء فورييه ( FTIR ) . علاوة على ذلك، تم إخضاع المركبات المحضرة على النحو الأمثل للتقييم في المختبر باستخدام خلايا جذعية من أمعاء الفئران التقييم إمكاناتها كبديل جزئي وكلي للأنسجة الصلبة. لقد لوحظ أن خصائص المواد المركبة المنتجة تعتمد بدرجة كبيرة على كمية حشو الألومينا النانوي. تم تحقيق تحسن ملحوظ بنسبة تقارب 23 ٪ و 361 % في الإجهاد العائد (Yield Stress) ومعامل المرونة ( Young's Modulus ) ، على التوالي ، وذلك بإضافة 25 ٪ بالوزن من الألومينا ( Al₂O₃ ) مقارنة مع البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي النقي . على العكس من ذلك، انخفض إجهاد الكسر (fracture Stress) و الإستطالة عند الكسر (Strain at Break) بحوالي 31 % و 89 ٪ على التوالي . هنالك ندرة في الأبحاث المتعلقة بتحسين ظروف تصنيع البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي النقي (UHMWPE) باستخدام تقنية القولبة بالحقن (Injection molding) ؛ لذلك ، هنالك طلب متزايد لإجراء المزيد من الأبحاث في هذا المجال . بناء على نتائج هذه الدراسة، تم تحديد أفضل ظروف التصنيع لإنتاج عينات قوية من البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) باستخدام تقنية القولبة بالحقن Injection) ( molding . تم استخدام هذه الظروف المثالية لاحقا لإنتاج مركبات البولي إيثلين عالي الوزن الجزيئي المعززة بجسيمات أكسيد الألومينا ناونية الحجم (alumina dispersed UHMWPE) عند تركيزات مختلفة من جسيمات الألومنيا .
Abstract
In order to partially or totally replace defective hard tissues, biomaterial scientists have been looking for synthetic ceramic-polymer composites to match the composition, microstructure, and properties of natural hard tissues. Pure Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) and its nanofiller composites have a broad range of applications in the biomedical engineering field due to their superior properties. This work aims at studying the use of alumina (Al₂O₃) nanoparticles as a reinforcing agent for a polymeric matrix based on ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE). In spite of the verity that extremely long chains and high molecular weight determines the superior properties of UHMWPE, it simultaneously imposes restrictions on its processing. It has been well established that the extremely high melt viscosity of UHMWPE originates from the immense entanglements density of the long polymeric chains, which hinder the molecular chain mobility. In that vein, decreasing entanglements density is anticipated as a feasible method to improve the processability of UHMWPE using injection molding, which represents the gold standard among other manufacturing techniques. Hence, the optimum injection molding processing parameters should be obtained before the production of UHMWPE/Nanofiller composites. Groups of UHMWPE samples have been prepared at different processing parameters such as barrel temperature, injection pressure, mold temperature, and holding time in both barrel and mold. Using these optimized injection molding parameters, alumina (Al₂O₃) nanoparticles dispersed UHMWPE samples were fabricated at different nanofiller concentrations. The mechanical, thermal, physical, and chemical properties of the injection-molded samples were measured to investigate the impact of processing parameters and Alumina nanoparticles concentration. Different characterization techniques were used. Among these, tensile testing, Thermo-Gravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Moreover, the optimally prepared composites were subjected to in vitro evaluation using mice gastric stem (MGS) cells to evaluate their potential as hard tissues‘ partial and total replacements. It has been noticed that the characteristics of the produced composites are highly dependent on alumina nanofiller concentration. A prominent improvement of almost 23% and 361% in the yield strength and Young‘s modulus, respectively, were achieved by the addition of 25 wt.% Al₂O₃compared to that of the neat UHMWPE. On the contrary, fracture strength and strain at break values were decreased by around 31% and 89%, respectively. The work relevant to optimizing the injection molding processing parameters for UHMWPE in literature is very scanty; therefore, there is an increasing demand to conduct more researches in this area. Based on the results of this study, optimum injection molding processing parameters were specified to produce robust UHMWPE samples. These optimum parameters were used later to produce UHMWPE/Nanofiller composites.