تحسين طلاء غرسات الاسنان المحضرة بتقنية الرش باللهب

اطروحة دكتوراه

اسم الباحث : نورا جميل حنتاو

اسم المشرف : أ.د. محمد عبد الحر كاظم أ.م.د مهند صلاح عبد الستار

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية العلوم

الاختصاص : علوم الفيزياء

سنة نشر البحث : 2025

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الخلاصة
على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق والنجاح السريري للمواد المعدنية في جراحات العظام والغرسات، لا تزال هناك تحديات كبيرة تتعلق باستقرارها طويل الأمد في البيئات البيولوجية. تشمل المخاوف الرئيسية ضعف الاندماج العظمي، والتآكل بعد الجراحة، وقابلية الإصابة بالعدوى البكتيرية. ونتيجةً لذلك، يتزايد الاهتمام بتحسين خصائص سطح الغرسات المعدنية لتعزيز اندماجها مع أنسجة العظام وتقليل مخاطر العدوى. في هذه الدراسة، طُبِّقت طلاءات متوافقة حيويًا على ركائز من سبائك التيتانيوم (Ti6Al4V) والفولاذ المقاوم للصدأ (316L) باستخدام تقنية الرش باللهب. تكوّنت الطلاءات من فوسفات الكالسيوم (CaP) إما بمفرده أو كمواد مركبة مع إضافات من الفضة (5%) والمغنيسيوم (5%) والفضة والمغنيسيوم (10%). قبل الطلاء، صُقلت الركائز باستخدام ورق كربيد السيليكون بحبيبات 500 لتحسين نعومة السطح. صُممت العينات المطلية لتكون بمثابة غرسات جراحية قادرة على تعزيز التصاق العظام ومنع استعمار البكتيريا. وُصفت الخصائص البنيوية والمورفولوجية والكيميائية للطلاءات باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، مجهر المسح الالكتروني بالانبعاث الميداني (FESEM)، مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، اختبار الالتصاق (ASTM D3359)، وقياسات قابلية البلل (زاوية التلامس).
تم تقييم الفعالية المضادة للبكتيريا ضد العقدية الطافرة باستخدام طريقة منطقة التثبيط، بينما تم تقييم التوافق الحيوي وسلوك إطلاق الأيونات بعد غمرالعينات لمدة شهر في سائل جسمي مُحاكي (SBF).
أكد حيود الأشعة السينية والمجهر الضوئي وجود هيدروكسي أباتيت (HA) في جميع الطلاءات، مع وجود قمم حيود إضافية تتوافق مع الفضة والمغنيسيوم في طبقات المركب. كشف تحليل FESEM عن مورفولوجيات طلاء مسامية بأحجام جسيمات نانوية للتيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. أكدت أطياف FTIR)) تكوين (HA) من خلال تحديد المجموعات الوظيفية المميزة واهتزازات الرابطة. أكد EDX التركيب العنصري للطلاءات ومستويات الشوائب الدنيا. أظهرت نتائج زاوية التلامس زيادة في محبة الماء بعد طلاء CaP مع البلل الكامل الملحوظ في العينات التي تحتوي على الفضة والمغنيسيوم، مما يشير إلى تحسن خصائص السطح. أشارت نتائج اختبار الالتصاق إلى التصاق ممتاز للطلاء، حيث حققت عينات Ti6Al4V والفولاذ المقاوم للصدأ المطلي المركب تصنيف ASTM B4 (إزالة <5٪)، بينما أظهرت عينات الفولاذ المقاوم للصدأ المطلي بـ CaP التصاقًا أقل قليلاً (ASTM 3B، <15٪). أظهرت نتائج اختبار مضادات البكتيريا أن جميع الطلاءات تمنع نمو ((Streptococcus mutans، حيث أظهر طلاء CaP-Ag-Mg على ركيزة التيتانيوم أعلى نشاط مضاد للبكتيريا. يُعزى ذلك إلى التأثير التآزري للفضة والمغنيسيوم داخل البنية النانوية، مما يعزز مقاومة البكتيريا ويقلل من خطر العدوى.
أظهر تحليل ما بعد الغمر في SBF التكوين التلقائي لطبقة هيدروكسي أباتيت جديدة. أظهرت صور FESEM أن جميع العينات تمتلك حجم حبيبي نانوي منتظم مع اختلافات تعتمد على نوع التركيبة. أظهرت تركيبة المغنيسيوم والفضة أصغر أحجام حبيبات وأكثرها تجانسًا، مما ساهم في تحسين مسامية السطح. كشفت صور المقطع العرضي أيضًا عن اختلافات في سمك الطبقة المترسبة، مع تسجيل أعلى سمك في العينات متعددة العناصر وخاصة بعد الغمر مما يشير إلى نشاط حيوي مرتفع وتكوين طبقة هيدروكسي أباتيت متصلة وموحدة. كشف مطياف الامتصاص الذري عن مستويات إطلاق أيونات الكروم والتيتانيوم أقل بكثير من الحدود السامة. وفي الختام، حسّنت الطلاءات المطورة بشكل كبير التوافق الحيوي والخصائص المضادة للبكتيريا وإمكانية التكامل العظمي للغرسات المعدنية، مما يشير إلى وعدها بتعزيز الأداء في التطبيقات الطبية الحيوية.

Improving the Coating of Dental Implants Prepared by Flame Spraying Technique

Abstract
Despite the widespread application and clinical success of metallic materials in orthopaedic surgeries and implants, significant challenges remain regarding their long-term stability within biological environments. Key concerns include poor osseointegration, postoperative corrosion, and susceptibility to bacterial infections. Consequently, there is growing interest in improving the surface properties of metallic implants to enhance their integration with bone tissue and reduce infection risks.
In this study, biocompatible coatings were applied to titanium alloy (Ti6Al4V) and stainless steel (316L) substrates using the flame spray technique. The coatings consisted of calcium phosphate (CaP) either alone or as composites with silver (5%), magnesium (5%), and silver-magnesium (10%) additives. Prior to coating, the substrates were polished using 500-grit silicon carbide paper to optimize surface smoothness. The coated samples were intended to serve as surgical implants capable of promoting bone bonding and preventing bacterial colonization.The structural, morphological, and chemical properties of the coatings were characterized using X-ray diffraction (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FESEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), adhesion testing (ASTM D3359), and wettability measurements (contact angle).
Antibacterial efficacy was evaluated against Streptococcus mutans using the zone of inhibition method, while biocompatibility and ion release behavior were assessed following a one-month immersion in simulated body fluid (SBF).
XRD and optical microscopy confirmed the presence of hydroxyapatite (HA) in all coatings, with additional diffraction peaks corresponding to silver and magnesium in the composite layers. FESEM analysis revealed porous coating morphologies with Nano-scale particle sizes for titanium and stainless steel. FTIR spectra verified the formation of HA by identifying characteristic functional groups and bond vibrations. EDX confirmed the elemental composition of the coatings and minimal impurity levels. Contact angle results showed enhanced hydrophilicity after CaP coating with complete wetting observed in samples containing silver and magnesium, indicating improved surface properties. Adhesion test results indicated excellent coating adhesion, with Ti6Al4V and composite-coated stainless steel samples achieving ASTM classification B4 (<5% removal), while CaP-coated stainless steel samples showed slightly lower adhesion (ASTM 3B, <15%).
Antibacterial test results showed that all coatings inhibited the growth of Streptococcus mutans, with the CaP–Ag–Mg coating on the titanium substrate exhibiting the highest antibacterial activity. This is attributed to the synergistic effect of silver and magnesium within the nanostructure, enhancing bacterial resistance and reducing the risk of infection. Post-immersion analysis in SBF showed the spontaneous formation of a new hydroxyapatite layer. FESEM images showed that all samples possessed uniform nanoscale partical sizes with variations depending on the type of formulation. The magnesium-silver formulation exhibited the smallest and most homogeneous grain sizes, contributing to improved surface porosity. Cross-section images also revealed variations in the thickness of the deposited layer, with the highest thickness recorded in the multi-element samples, especially after immersion, indicating high bioactivity and the formation of a continuous and uniform hydroxyapatite layer. Atomic absorption spectrometry revealed ion release levels of chromium and titanium well below toxic limits.
In conclusion, the developed coatings significantly improved the biocompatibility, antibacterial properties, and osseointegration potential of metallic implants, indicating their promise for enhanced performance in biomedical applications.