Published October 13, 2021 | Version v1
Publication Open

Fabrication of mechanically enhanced hydroxyapatite scaffold with the assistance of numerical analysis

Creators

  • 1. Ahmadu Bello University
  • 2. Nigerian Institute for Trypanosomiasis Research

Description

Hydroxyapatite (HAp) has been found to be incompetent as it relates to its mechanical integrity, which somewhat restricts its use for load-bearing clinical applications. Several studies have been conducted doping HAp with foreign elements in order to enhance its mechanical integrity. However, it has been established that foreign elements usually trade off the phase structure and biological integrity of HAp. To avoid this challenge, this study presents a numerical analysis with the aim to fabricate a pure HAp scaffold with high mechanical strength, considering compaction and sintering protocols. The X-ray diffraction (XRD) and Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy of raw bovine bones (RB) and HAp sintered at 900, 1000, and 1100 °C showed calcium phosphate contents of the bulk materials. It was also observed that increase in sintering temperature made prominent characteristic peaks of HAp phase to become narrower on the XRD patterns. The scanning electron microscope (SEM) analysis on the powdery samples showed that sintering temperature reduced HAp particle size, which resulted to the enhancement noticed in the mechanical properties of the fabricated HAp. Taguchi design analysis on the individual hardness and compressive strength revealed 1100 °C as the optimal sintering temperature, but a disparity in compaction load displaying 5 KN for high hardness and 15 KN for high compressive strength. Conversely, Taguchi grey relational analysis gave common optimal settings for high hardness and compressive strength to fabricate mechanically enhanced HAp scaffold, and are 1100 °C sintering temperature and 5 KN compaction load. Significantly, this study revealed that compaction load has a very high percentage of contribution of 90.15% compared to sintering temperature having a contribution of 7.79%. Confirmation analysis also proved that the experimental grey relational grade of 0.7824 is within 95% confidence interval.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

وجد أن هيدروكسي أباتيت (HAp) غير كفء من حيث صلته بالسلامة الميكانيكية، مما يحد إلى حد ما من استخدامه في التطبيقات السريرية الحاملة. وقد أجريت العديد من الدراسات المنشطات HAp مع العناصر الغريبة من أجل تعزيز سلامتها الميكانيكية. ومع ذلك، فقد ثبت أن العناصر الأجنبية عادة ما تستبدل بنية الطور والسلامة البيولوجية لـ HAp. لتجنب هذا التحدي، تقدم هذه الدراسة تحليلاً عددياً بهدف تصنيع سقالة HAp نقية ذات قوة ميكانيكية عالية، مع مراعاة بروتوكولات الضغط والتلبيد. أظهر حيود الأشعة السينية (XRD) ومطياف فورييه المحول بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) لعظام الأبقار الخام (RB) و HAp الملبدة عند 900 و 1000 و 1100 درجة مئوية محتويات فوسفات الكالسيوم من المواد السائبة. ولوحظ أيضًا أن الزيادة في درجة حرارة التلبيد جعلت القمم المميزة البارزة لمرحلة HAp تصبح أضيق على أنماط XRD. أظهر تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على العينات المسحوقة أن درجة حرارة التلبيد قللت من حجم جسيمات HAp، مما أدى إلى التحسن الملحوظ في الخواص الميكانيكية لـ HAp المصنعة. كشف تحليل تصميم تاغوشي على الصلابة الفردية ومقاومة الانضغاط عن 1100 درجة مئوية كدرجة حرارة التلبيد المثلى، ولكن التفاوت في حمل الضغط يعرض 5 كيلو نيوتن للصلابة العالية و 15 كيلو نيوتن لمقاومة الانضغاط العالية. على العكس من ذلك، أعطى التحليل العلائقي الرمادي لتاغوشي إعدادات مثالية شائعة للصلابة العالية وقوة الانضغاط لتصنيع سقالة HAp المحسنة ميكانيكيًا، وهي درجة حرارة تلبد 1100 درجة مئوية وحمل ضغط 5 كيلو نيوتن. بشكل ملحوظ، كشفت هذه الدراسة أن حمل الضغط له نسبة مساهمة عالية جدًا تبلغ 90.15 ٪ مقارنة بدرجة حرارة التلبيد التي لها مساهمة بنسبة 7.79 ٪. أثبت تحليل التأكيد أيضًا أن الدرجة العلائقية الرمادية التجريبية البالغة 0.7824 تقع ضمن فاصل الثقة 95 ٪.

Translated Description (French)

L'hydroxyapatite (HAp) s'est avérée incompétente en ce qui concerne son intégrité mécanique, ce qui limite quelque peu son utilisation pour des applications cliniques porteuses. Plusieurs études ont été menées sur le dopage de l'HAp avec des éléments étrangers afin d'améliorer son intégrité mécanique. Cependant, il a été établi que les éléments étrangers compromettent généralement la structure de phase et l'intégrité biologique de l'HAp. Pour éviter ce défi, cette étude présente une analyse numérique dans le but de fabriquer un échafaudage HAp pur à haute résistance mécanique, en tenant compte des protocoles de compactage et de frittage. La diffraction des rayons X (DRX) et la spectroscopie infrarouge transformée de Fourier (IRTF) des os bruts de bovin (RB) et de l'HAp frittés à 900, 1000 et 1100 °C ont montré des teneurs en phosphate de calcium des matériaux en vrac. Il a également été observé que l'augmentation de la température de frittage rendait les pics caractéristiques importants de la phase HAp plus étroits sur les motifs DRX. L'analyse au microscope électronique à balayage (MEB) sur les échantillons pulvérulents a montré que la température de frittage réduisait la taille des particules de HAp, ce qui a entraîné l'amélioration observée dans les propriétés mécaniques du HAp fabriqué. L'analyse de la conception de Taguchi sur la dureté individuelle et la résistance à la compression a révélé 1100 °C comme température de frittage optimale, mais une disparité dans la charge de compactage affichant 5 KN pour une dureté élevée et 15 KN pour une résistance à la compression élevée. Inversement, l'analyse relationnelle du gris Taguchi a donné des paramètres optimaux communs pour une dureté élevée et une résistance à la compression pour fabriquer un échafaudage HAp mécaniquement amélioré, et une température de frittage de 1100 °C et une charge de compactage de 5 KN. De manière significative, cette étude a révélé que la charge de compactage a un pourcentage de contribution très élevé de 90,15% par rapport à la température de frittage ayant une contribution de 7,79%. L'analyse de confirmation a également prouvé que la note relationnelle grise expérimentale de 0,7824 se situe dans l'intervalle de confiance à 95 %.

Translated Description (Spanish)

Se ha encontrado que la hidroxiapatita (HAp) es incompetente en lo que se refiere a su integridad mecánica, lo que restringe un poco su uso para aplicaciones clínicas de carga. Se han realizado varios estudios de dopaje de HAp con elementos extraños con el fin de mejorar su integridad mecánica. Sin embargo, se ha establecido que los elementos extraños generalmente compensan la estructura de fase y la integridad biológica de HAp. Para evitar este desafío, este estudio presenta un análisis numérico con el objetivo de fabricar un andamio de HAp puro con alta resistencia mecánica, considerando los protocolos de compactación y sinterización. La difracción de rayos X (XRD) y la espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR) de huesos bovinos crudos (RB) y HAp sinterizados a 900, 1000 y 1100 °C mostraron contenidos de fosfato de calcio de los materiales a granel. También se observó que el aumento de la temperatura de sinterización hizo que los picos característicos prominentes de la fase HAp se volvieran más estrechos en los patrones de XRD. El análisis del microscopio electrónico de barrido (SEM) en las muestras en polvo mostró que la temperatura de sinterización redujo el tamaño de partícula de HAp, lo que resultó en la mejora observada en las propiedades mecánicas del HAp fabricado. El análisis del diseño de Taguchi sobre la dureza individual y la resistencia a la compresión reveló 1100 °C como la temperatura de sinterización óptima, pero una disparidad en la carga de compactación que muestra 5 KN para alta dureza y 15 KN para alta resistencia a la compresión. Por el contrario, el análisis relacional gris de Taguchi proporcionó ajustes óptimos comunes para una alta dureza y resistencia a la compresión para fabricar andamios HAp mecánicamente mejorados, y tienen una temperatura de sinterización de 1100 °C y una carga de compactación de 5 KN. Significativamente, este estudio reveló que la carga de compactación tiene un porcentaje muy alto de contribución del 90,15% en comparación con la temperatura de sinterización que tiene una contribución del 7,79%. El análisis de confirmación también demostró que el grado relacional gris experimental de 0.7824 está dentro del intervalo de confianza del 95%.

Files

latest.pdf.pdf

Files (516.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5b04557c64d79e4f7c12c3a3d5778bb3
516.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصنيع سقالة هيدروكسي أباتيت معززة ميكانيكيًا بمساعدة التحليل العددي
Translated title (French)
Fabrication d'un échafaudage d'hydroxyapatite amélioré mécaniquement à l'aide d'une analyse numérique
Translated title (Spanish)
Fabricación de andamios de hidroxiapatita mecánicamente mejorados con la ayuda del análisis numérico

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3207860260
DOI
10.1007/s00170-021-08184-y

Is supplement to
https://openalex.org/W2937962211 (Other)
https://openalex.org/W2141801573 (Other)
https://openalex.org/W3146752240 (Other)
https://openalex.org/W2378086236 (Other)
https://openalex.org/W3013719031 (Other)
https://openalex.org/W2470504773 (Other)
https://openalex.org/W2365145484 (Other)
https://openalex.org/W1991354250 (Other)
https://openalex.org/W2215607484 (Other)
https://openalex.org/W2383968488 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Nigeria

References

  • https://openalex.org/W1513595735
  • https://openalex.org/W1987530640
  • https://openalex.org/W2010716771
  • https://openalex.org/W2016733359
  • https://openalex.org/W2045039170
  • https://openalex.org/W2054509210
  • https://openalex.org/W2056239380
  • https://openalex.org/W2076472740
  • https://openalex.org/W2094978344
  • https://openalex.org/W2468332419
  • https://openalex.org/W2493764815
  • https://openalex.org/W2516632728
  • https://openalex.org/W2594535019
  • https://openalex.org/W2596957367
  • https://openalex.org/W2610878372
  • https://openalex.org/W2760241309
  • https://openalex.org/W2763373476
  • https://openalex.org/W2765442053
  • https://openalex.org/W2791580165
  • https://openalex.org/W2890006623
  • https://openalex.org/W2891689278
  • https://openalex.org/W2913583893
  • https://openalex.org/W2921033007
  • https://openalex.org/W2972098807
  • https://openalex.org/W2972943471
  • https://openalex.org/W3008632336
  • https://openalex.org/W3045272434
  • https://openalex.org/W3045524473
  • https://openalex.org/W3158873068
  • https://openalex.org/W3166795268
  • https://openalex.org/W3177357595
  • https://openalex.org/W3207059552
  • https://openalex.org/W4200428055