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Vapor transport sintering of calcium phosphate ceramics

Schlosser, Margarete :
Vapor transport sintering of calcium phosphate ceramics.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Vapor transport sintering of calcium phosphate ceramics
Language: English
Abstract:

In modern plastic and reconstructive surgery the application of biocompatible materials with adequate mechanical and chemical properties has become indispensable. For the treatment of skeletal defects, hydroxyapatite (HA) is well-established as a bone graft material. As its chemical composition is very similar to the mineralized part of human bone, this material offers excellent biocompatibility and direct mechanical bonding to the host tissue. The healing process can be further enhanced by mixing HA with the more soluble tricalcium phosphate (TCP) to adjust the implant’s resorption rate to that of new tissue formation. Moreover, to stimulate bone ingrowth, it is crucial to produce ceramic scaffolds with interconnected porosity and pore diameters of 100-500 µm. Various processing methods have been proposed for the fabrication of such scaffolds. However, due to both technical and economic considerations, few of them have been scaled up for industrial production. Our motivation was to explore vapor transport sintering (VTS) as a novel and potentially cost-effective process for the near-net shape manufacturing of custom-made implants. Starting from synthetic powder precursors, the microstructure development of HA and TCP ceramics, as well as biphasic mixtures thereof, was studied for systems with both halide acids and solid chloride agents. Chemical and phase analysis were performed to monitor potential substitutional reactions and phase conversions upon processing. Analyses were carried out with scanning electron microscopy (SEM) with integrated energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray fluorescence (XRF). Furthermore, for gathering a theoretical understanding of the vapor transport process, thermodynamic calculations were carried out for various systems. Among the foremost aims of the investigation was the identification of suitable halide reagents to enhance material transport through the vapor phase, as well as the validation whether large enough pore diameters could be generated by this processing method. As it turned out, pore coarsening stagnates after reaching diameters of about 5 µm. Thus, the combination of VTS with other processing techniques is necessary to create adequate macroporosity. The promising results obtained for sintering in AgCl atmosphere, suggested the combination of macroporous precursors with vapor transport sintering as a potential technique to create a novel composite material. For this purpose, coral skeletons and sea urchin spines were hydrothermally converted into calcium phosphate scaffolds. Subsequent AgCl-sintering not only stimulated enhanced material transport through the vapor phase, but also caused the condensation of fine Ag-bearing particles throughout the ceramic scaffold. The resulting surface modification lends antibacterial properties to the composite material which are expected to decrease post-surgical inflammation risks.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der modernen plastischen und rekonstruktiven Chirurgie ist der Einsatz biokompatibler Materialien mit geeigneten mechanischen und chemischen Eigenschaften unverzichtbar geworden. Für die Behandlung von Knochendefekten hat sich Hydroxylapatit (HA) als ein Werkstoff mit hervorragender Biokompatibilität erwiesen. Da seine chemische Zusammensetzung der des mineralisierten Anteils des menschlichen Knochens weitgehend entspricht, bietet dieses Material hervorragende Biokompatibilität und direkte mechanische Anbindung an das Gewebe. Der Heilungsprozess lässt sich durch Beimischung des leichter löslichen Tricalciumphosphats (TCP) zu HA weiter verbessern, da auf diese Weise die Resorptionsrate des Implantats an die Neubildungsrate von Knochengewebe angepasst werden kann. Um die Versorgung der knochenbildenden Zellen mit Nährstoffen zu gewährleisten, ist es von entscheidender Bedeutung, keramische Gerüste mit interkonnektierender Porosität und Porendurchmessern von 100-500 µm herzustellen. Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen wurde eine Vielzahl von Herstellungsverfahren für derartige „Scaffolds" vorgeschlagen. Aufgrund von technischen und wirtschaftlichen Erwägungen wurden bisher jedoch nur wenige zur industriellen Produktionsreife geführt. Unser Forschungsinteresse galt Gasphasensintern als einem neuartigen und potentiell kostengünstigen Verfahren zur endkonturnahen Herstellung individuell gefertigter Implantate. Von synthetischen Pulvern ausgehend wurde die Gefügeentwicklung von HA, TCP und biphasischen Mischungen der beiden Stoffe (BCP) für Systeme untersucht, denen entweder Halidsäuren oder feste Chloride als Sinteradditiv zugegeben waren. Chemische Analysen und Phasenbestimmungen wurden durchgeführt, um mögliche Substitutionsreaktionen und Phasenumwandlungen während des Herstellungsprozesses nachzuvollziehen. Die Untersuchungen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit integrierter energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgendiffraktometrie (XRD), Fourier-transformierte Infrarot-Spektroskopie (FTIR) und wellenlängendispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) vorgenommen. Um darüber hinaus ein theoretisches Verständnis des Gasphasenprozesses zu erhalten, wurden für zahlreiche Systeme thermodynamische Berechnungen durchgeführt. Zu den wesentlichen Zielen der Untersuchung zählte einerseits die Identifizierung geeigneter Halid-Reagenzien, um den Materialtransport in der Gasphase entscheidend zu verbessern, andererseits die Überprüfung, ob mit diesem Herstellungsverfahren ausreichend große Porendurchmesser erzielt werden können. Wie sich herausstellte, stagniert die Porenvergröberung nach Erreichen von Durchmessern in der Größenordnung von 5 µm. Um eine adäquate Makroporosität zu erzeugen, ist daher die Kombination von Gasphasensintern mit anderen Verfahren erforderlich. Die vielversprechenden Ergebnisse der Sinterversuche in AgCl-Atmosphäre legten nahe, makroporöse Ausgangsmaterialien dem Gasphasensintern zu unterziehen, um einen neuartigen Kompositwerkstoff herzustellen. Zu diesem Zweck wurden Korallenskelette und Seeigelstacheln hydrothermal in Calciumphosphat-Gerüste umgewandelt. Anschließendes AgCl-Sintern verstärkte nicht nur den Materialtransport in der Gasphase, sondern führte außerdem zur Kondensation fein verteilter Ag-haltiger Partikel im Inneren des keramischen Gerüsts. Diese Oberflächenmodifikation verleiht dem Kompositwerkstoff antibakterielle Eigenschaften, von denen eine Senkung post-operativer Entzündungsrisiken zu erwarten ist. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: vapor transport sintering, gas phase sintering, calcium phosphate, hydroxyapatite, ceramic scaffolds, porosity
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Gasphasensintern, Calciumphosphat, Hydroxylapatit, keramische Gerüste, PorositätGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
Date Deposited: 21 Jan 2013 14:49
Last Modified: 21 Jan 2013 14:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-32448
Referees: Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 14 December 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3244
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