پایان نامه سنتز هیدروکسی آپاتیت نانومتری با مورفولوژی میلهای شکل به روش رسوبگیری از محلول
اختصاصی از یارا فایل پایان نامه سنتز هیدروکسی آپاتیت نانومتری با مورفولوژی میلهای شکل به روش رسوبگیری از محلول دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .
فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:120
رساله کارشناسی ارشد
مهندسی مواد (گرایش سرامیک)
فهرست مطالب:
صفحه
فهرست مطالب ................................................................................................................. ه
فهرست جدولها .............................................................................................................. ی
فهرست شکل‌ها ................................................................................................................ ک
چکیده ..............................................................................................................................
1
مقدمه ..............................................................................................................
5-2
فصل اول: مرور منابع مطالعاتی ........................................................................................
34-6
1-1 هیدروکسیآپاتیت ...................................................................................................... 6
1-1-1 تاریخچه هیدروکسیآپاتیت .................................................................................... 6
1-1-2 ساختار کریستالی و کریستالوگرافی هیدروکسیآپاتیت ............................................. 7
1-1-3 خواص هیدروکسیآپاتیت ..................................................................................... 8
1-1-3-1 خواص بیولوژیکی ............................................................................................ 8
1-1-3-2 چگالی ............................................................................................................. 9
1-1-3-3 حلالیت در محیط آبی ....................................................................................... 9
1-1-3-4 خواص مکانیکی ............................................................................................... 9
1-1-4 ترمودینامیک هیدروکسیآپاتیت و تبدیلات فازی آن ................................................ 11
1-1-5 جایگزینی یونی در هیدروکسیآپاتیت ..................................................................... 15
1-2 کاربردهای هیدروکسیآپاتیت ..................................................................................... 16
1-2-1 کاربردهای پزشکی هیدروکسیآپاتیت ..................................................................... 16
1-2-2 کاربردهای غیرپزشکی ........................................................................................... 18
1-3 روش‌های تهیه هیدروکسیآپاتیت ................................................................................ 19
1-3-1 روش رسوب گیری از محلول (شیمی تر) ............................................................... 19
1-3-1-1 روش معمولی شیمی تر .................................................................................... 20
1-3-1-2 استفاده از الگوها یا مایسل‌ها ............................................................................. 24
1-3-1-3 استفاده از منابع انرژی برای کنترل فرایند رسوب‌گذاری ....................................... 28
1-3-1-3- الف) استفاده از امواج مافوق صوت در شیمی تر ............................................... 28
1-3-1-3- ب) استفاده از میکروویو در شیمی تر ............................................................... 29
1-3-1-3- ج) استفاده از انرژی مکانیکی در سنتز شیمی تر (روش مکانوشیمیایی) ................ 30
1-3-2 روش خشک ........................................................................................................ 31
1-3-3 روش هیدروترمال ................................................................................................. 32
1-3-4 سایر روش‌ها .........................................................................................................
33
فصل دوم: روش کار .......................................................................................................
48-35
2-1 مواد اولیه .................................................................................................................. 35
2-2 تجهیزات و وسایل مورد استفاده ................................................................................. 35
2-3 فرآیند تهیه پودر ......................................................................................................... 36
2-3-1 سنتز نمونه‌های فاز یک .......................................................................................... 36
2-3-2 سنتز نمونه فاز دو ................................................................................................. 37
2-3-2 سنتز نمونه‌های فاز سه ........................................................................................... 38
2-4 کدگذاری نمونه‌ها ...................................................................................................... 42
2-5 حرارت دادن نمونه‌ها ................................................................................................. 45
2-6 مطالعات میکروسکوپی ............................................................................................... 45
2-6-1 مطالعات میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ..................................................... 45
2-6-2 مطالعات میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) ..................................................... 47
2-7 بررسی‌های ساختاری ................................................................................................... 48
2-7-1 آنالیز توسط پراش اشعه ایکس (XRD) ................................................................... 48
2-7-2 آنالیز توسط انتقال فوریه مادون قرمز (FTIR) ..........................................................
48
فصل سوم: نتایج و بحث ...............................................................................................
103-49
3-1 مطالعات میکروسکوپ الکترونی روبشی (شکل و ابعاد ذرات پودرها) ........................... 49
3-1-1 بررسی نمونه‌های سنتز شده به روش رسوبگیری از محلول .................................... 49
3-1-1-1 بررسی نمونه‌های فاز یک .................................................................................. 49
3-1-1-1-1 بررسی تأثیر کاهش pH سنتز بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش رسوبگیری از محلول ............................................................................
51
3-1-1-1-2 بررسی تأثیر تعدیل pH محلول‌های واکنش‌کننده در دو مرحله یکبار بعد از آماده سازی محلول فسفات و یکبار بعد از پایان واکنشگری بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش رسوبگیری از محلول .................................................
52
3-1-1-2 بررسی نمونه‌های فاز دو .................................................................................... 53
3-1-1-2-1 بررسی تأثیر عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش رسوبگیری از محلول .................................................
53
3-1-1-2-2 بررسی تأثیر کمک‌عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش رسوبگیری از محلول .................................................
56
3-1-1-2-3 بررسی تأثیر جرم مولکولی کمک‌عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش رسوبگیری از محلول ..................................
59
3-1-2 بررسی نمونه‌های سنتز شده به روش هیدروترمال (نمونه‌های فاز سه) ....................... 61
3-1-2-1 بررسی تأثیر عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش هیدروترمال .................................................................
61
3-1-2-2 بررسی تأثیر کمک‌عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش هیدروترمال .................................................................
62
3-1-2-3 بررسی تأثیر جرم مولکولی عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش هیدروترمال .................................................................
63
3-1-2-4 بررسی تأثیر دما بر روی مورفولوژی نمونه‌های سنتز شده به روش هیدروترمال و در حضور عامل فعال‌کننده سطحی و کمک‌عامل فعال‌کننده سطحی با جرم مولکولیهای مختلف
67
3-1-2-5 بررسی تأثیر غلظت کمک‌عامل فعال‌کننده سطحی بر روی مورفولوژی و نسبت طول به قطر ذرات هیدروکسیآپاتیت تهیه شده به روش هیدروترمال .............................................
73
3-2 بررسی تأثیر عملیات حرارتی بر روی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت ................................. 75
3-2-1 تأثیر عملیات حرارتی در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد بر روی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت سنتز شده به روش رسوبگیری از محلول ................................................
76
3-2-2 تأثیر عملیات حرارتی بر روی نانوذرات هیدروکسیآپاتیت سنتز شده به روش هیدروترمال ........................................................................................................................
76 93
3-3 مطالعات میکروسکوپ الکترونی عبوری ....................................................................... 81
3-4 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس .................................................................................. 84
3-4-الف) بررسی بلورینگی ............................................................................................... 84
3-4-ب) تعیین اندازه بلورک‌ها .......................................................................................... 85
3-4-ج) تخمین امکان رشد جهت‌دار بلورک‌ها .................................................................... 85
3-4-1 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر هیدروکسیآپاتیت سنتز شده به روش رسوبگیری از محلول (نمونه SW-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr) .........................
86
3-4-2 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر هیدروکسیآپاتیت سنتز شده به روش هیدروترمال ........................................................................................................................
88
3-4-2-1 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr ..................................................................................................................
88
3-4-2-2 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG400-22hr ..................................................................................................................
89
3-4-2-3 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-90-S0.168M-PEG400-22hr ..................................................................................................................
90
3-4-2-4 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M- PEG400-22hr-HT1000 ...................................................................................................
91
3-4-2-5 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr ..................................................................................................................
93
3-4-2-6 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT800 .....................................................................................................
94
3-4-2-7 بررسی الگوی پراش پرتو ایکس پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT1000 ...................................................................................................
95
3-5 مطالعات طیف سنجی فروسرخ به روش انتقال فوریه .................................................... 96
3-5-1 طیف FTIR نانوذرات هیدروکسیآپاتیت سنتز شده به روش رسوبگیری از محلول (نمونه SW-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr) ............................................................
96
3-5-2 طیف FTIR نانوذرات هیدروکسیآپاتیت سنتز شده به روش هیدروترمال .................. 97
3-5-3 بررسی چگونگی حذف مواد آلی از محصول ........................................................... 100
3-5-3-1 شستشو با الکل ................................................................................................. 100
3-5-3-2 تکنیک خشک کردن انجمادی ............................................................................ 102
فصل چهارم: نتیجه‌گیری .................................................................................................... 105-104
پیشنهادها ........................................................................................................................... 106
پیوست ها ......................................................................................................................... 114-107
پیوست الف- فهرست کارت‌های متداول برای کلسیم‌فسفات‌ها و کارت JCPDS 9-432 و JCPDS 9-169 .................................................................................................................
107
پیوست ب- عدد موج مربوط به پیوندهای موجود در هیدروکسیآپاتیت .......................... 110
مراجع ...............................................................................................................................
120-115
خلاصه انگلیسی ...............................................................................................................
فهرست جدولها
الف عمده‌ترین کلسیمفسفاتهای دارای کاربرد بیولوژیک ................................................... 5 10
1-1 مقایسه خواص مکانیکی HApبا استخوان‌های متراکم و اسفنجی ................................ 11
1-2 عمده‌ترین ترکیبات کلسیم فسفاتی بر مبنای رابطه 1-1 ............................................. 12
2-1 فهرست تجهیزات مورد استفاده ............................................................................... 35
2-2 مقدار مواد اولیه استفاده شده بر حسب نسبت Ca/P مورد نظر ................................... 36
2-3 کدگذاری نمونه‌ها ................................................................................................... 42
2-4 کدگذاری نمونه‌های فاز یک .................................................................................... 42
2-5 کدگذاری نمونه‌های فاز دو ..................................................................................... 43
2-6 کدگذاری نمونه‌های فاز سه ..................................................................................... 44
فهرست شکل‌ها
1-1 ساختار بلوری هیدروکسیآپاتیت (تصویر بر صفحه 001) ................................... 8
1-2 تغییرات چقرمگی شکست با درصد تخلخل در سرامیکهای آپاتیـتی .................... 10
1-3 تغییرات استحکام فشاری با درصد حجمی تخلخل در سرامیکهای HAP ........... 10
1-4 دیاگرام تعادلی فازی سیستم دوتایی CaO-P2O5 در حضور و عدم‌حضور بخار آب 14
1-5 ساختار آپاتیت و فلوروآپاتیت ........................................................................... 16
1-6 تغییر اجزای فسفاتی با pH در محلول H3PO4 ................................................... 23
1-7 تصویر TEM پودرهای هیدروکسیآپاتیت بدست آمده توسط Wang و همکاران . 26
1-8 نمایش مایسل کروی و مایسل میلهای شکل یا ریسمان مانند ............................... 27
2-1 محفظه اتوکلاو از جنس فولاد زنگ‌نزن با پوشش داخلی تفلون ........................... 36
2-2 نمودار جریان کار سنتز نمونه‌های فاز یک .......................................................... 39
2-3 نمودار جریان کار سنتز نمونه‌های فاز دو ........................................................... 40
2-4 نمودار جریان کار سنتز نمونه‌های فاز سه ........................................................... 41
2-5 میکروسکوپ الکترونی روبشی ......................................................................... 47
3-1 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه W-11-25-22hr ............................ 51
3-2 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه W-9-25-22hr............................... 51
3-3 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه W-4.5,7-25-22hr......................... 53
3-4 تصویر شماتیک نشان دهنده تطابق بار الکتریکی و ساختار فضایی بین کاتیون سرفکتنت و آنیون فسفات .................................................................................
55
3-5 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-25-S0.168M-22hr...... 55
3-6 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-25-S0.168M-PEG200-22hr ............................................................................................................... 58
3-7 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SW-4.5-25-S0.168M-PEG200-22hr ...............................................................................................................
59
3-8 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-25-S0.168M-PEG400-22hr ...............................................................................................................
60
3-9 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-25-S0.168M-PEG600-22hr ...............................................................................................................
60
3-10 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه H-4.5,7-120-22hr ........................ 61
3-11 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه H-4.5,7-120-S0.168M-22hr ....... 62
3-12 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG200-22hr ...............................................................................................
63
3-13 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG400-22hr ...............................................................................................
64
3-14 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168 M-PEG600-22hr ..............................................................................................
65
3-15 مایسل‌های منشعب ........................................................................................... 66
3-16 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-90-S0.168M-PEG200-22hr ...............................................................................................................
67
3-17 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr ...............................................................................................
69
3-18 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-90-S0.168 M-PEG400-22hr ...............................................................................................................
70
3-19 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG400-22hr ...............................................................................................
71
3-20 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-90-S0.168M -PEG600-22hr ...............................................................................................................
72
3-21 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M -PEG600-22hr ...............................................................................................
73
3-22 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG600-C(37.5cc)-22hr .............................................................................
74
3-23 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG600-C(50cc)-22hr ................................................................................
75
3-24 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr-HT1000 ................................................................................
76
3-25 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr-HT800 ..................................................................................
77
3-26 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr-HT1250 ................................................................................
78
3-27 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG400-22hr-HT1000 ................................................................................................
78
3-28 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT800 ..................................................................................
79
3-29 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT1000 .................................................................................................
80
3-30 تصاویر SEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT1250 ...............................................................................................
81
3-31 تصاویر TEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr ...............................................................................................
83
3-32 تصاویر TEM از ذرات پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr ................................................................................................
84
3-33 تصویر TEM و الگوی پراش پرتو ایکس برای نانوفایبرهای با نسبت طول به قطر حدود 1000 ...................................................................................................
86
3-34 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-25-S0.168M-PEG200-22hr ..... 87
3-35 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr ... 88
3-36 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG400-22hr .... 90
3-37 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-90-S0.168M-PEG400-22hr ..... 91
3-38 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG400-22hr-HT1000 .........................................................................................................
92
3-39 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr .... 94
3-40 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT800 ...........................................................................................................
95
3-41 الگوی XRD پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG600-22hr-HT1000 .........................................................................................................
96
3-42 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SW-4.5,7-S0.168M-PEG200-22hr ........... 97
3-43 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG200-22hr ..... 98
3-44 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-90-S0.168M-PEG400-22hr ....... 99
3-45 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-120-S0.168M-PEG400-22hr ..... 99
3-46 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG400-22hr ..... 100
3-47 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG400-22hr+ شستشو با الکل ................................................................................................
102
3-48 تصویر دستگاه خشک‌کن انجمادی .................................................................... 103
3-49 طیف FTIR پودر مربوط به نمونه SH-4.5,7-150-S0.168M-PEG400-22hr+ freeze drying ................................................................................................
103
چکیده
سنتز هیدروکسیآپاتیت، مادهای با ساختار مشابه جزء معدنی بافت سخت بدن انسان و دارای زیست سازگاری مناسب، در این پژوهش مورد مطالعه قرار گرفت. نانوذرات هیدروکسیآپاتیت با مورفولوژی میلهای شکل با استفاده از Ca(NO3)2.4H2O و (NH4)2HPO4 به عنوان منابع کلسیم و فسفر و اسیداستیک و آمونیاک به عنوان تنظیم‌کننده pH به روش رسوبگیری از محلول به همراه عملیات تکمیلی هیدروترمال تهیه شد. از عامل فعال‌کننده سطح کاتیونی ستیل‌تری‌متیل‌آمونیوم‌برماید (CTAB) و کمک‌عامل فعال‌کننده سطح غیر یونی پلی‌اتیلن‌گلایکول (PEG) برای کنترل تغییرات مورفولوژی استفاده گردید. تأثیر عواملی چون pH محلول‌های واکنش کننده، عملیات تکمیلی هیدروترمال، درجه حرارت، جرم مولکولی و غلظت PEG و شستشوی رسوب بر ترکیب، ساختار، مورفولوژی و اندازه ذرات با استفاده از تکنیک‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، اسپکتروسکوپی مادون قرمز با انتقال فوریه (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مورد بررسی قرار گرفت و شرایط بهینه برای تشکیل هیدروکسیآپاتیت با مورفولوژی میلهای و در ابعاد نانومتری مشخص گردید. نتایج تحقیق نشان داد که با تنظیم pH در دو مرحله یکبار بعد از آماده سازی محلول فسفات و یکبار بعد از پایان واکنشگری، نانوذرات از حالت کروی خارج شده و تمایل به رشد جهت‌دار دارند و اعمال عملیات تکمیلی هیدروترمال بر این نانوذرات، باعث تغییر مورفولوژی آنها به نانوذرات میلهای با نسبت طول به قطر حدود 8 الی 12 و قطر میله حدود 30 تا 50 نانومتر می‌شود. استفاده از CTAB و PEG به عنوان الگو و کمک‌الگو، به همراه عملیات تکمیلی هیدروترمال منجر به ایجاد ذرات میلهای و در مواردی سوزن‌مانند گردید. تغییر جرم مولکولی پلی‌اتیلن‌گلایکول منجر به پیدایش مورفولوژی‌های متفاوت شامل میلهای، سوزن مانند، روبان مانند و گل قاصدکی شد. استفاده از جرم مولکولی کمتر باعث تشکیل ذرات طویل‌تر در مقایسه با جرم مولکولیهای بیشتر گردید. علاوه بر آن افزایش غلظت PEG اثر نامطلوبی بر مورفولوژی و نسبت طول به قطر ذرات دارد. عملیات تکمیلی هیدروترمال علاوه بر بهبود نسبت طول به قطر، مورفولوژی و بلورینگی منجر به نزدیک شدن ساختار و ترکیب کلسیم فسفات سنتز شده به هیدروکسیآپاتیت می‌گردد. بر اساس نتایج به دست آمده، به نظر می‌رسد که پودر آپاتیت تهیه شده در حضور CTAB و PEG به همراه عملیات هیدروترمال، برای بهبود خواص مکانیکی بیومتریال‌های مناسب است.
مقدمه
بسیاری از اندیشمندان برآنند که از آغاز قرن بیست و یکم، سال‌های بالندگی و شکوفایی بیوتکنولوژی آغاز شده است. از سویی دیگر دانشمندان و متخصصان علم و مهندسی مواد هزاره سوم را عصر سرامیک نامیده‌اند. در سال‌هایی که خواهد آمد بیوتکنولوژی در شمار مهمترین چالش‌هایی خواهد بود که در قلمرو علم و فن فراروی انسان قرار خواهند گرفت و نقشی که بیوسرامیک‌ها در این میان بر عهده خواهند داشت بی‌گمان برجسته و انکارناپذیر خواهد بود.
سابقه جستجو برای یافتن موادی که بتوانند جایگزین اعضای ناسالم یا از دست رفته بدن شوند تقریباً به دیرینگی خود انسان است. جراحان از همان آغاز پیدایش حرفه‌شان در جهت به کارگیری مواد مناسبی که قابلیت تعویض با اعضای طبیعی بدن را داشته باشند بی‌وقفه تلاش کرده‌اند. در طول قرن‌های متمادی مواد گوناگونی آزمایش شدهاند و نتایج به دست آمده با درجات مختلفی از موفقیت یا ناکامی همراه بوده است. در چند دهه اخیر، حجم پژوهش‌های به انجام رسیده در زمینه مواد قابل استفاده در بدن چنان به طور تصاعدی افزایش یافته است که اکنون شاخه مستقلی از علم و مهندسی مواد با نام مواد زیستی به وجود آمده است. مواد زیستی در مفهوم گسترده و عام خود موادی هستند که قادر به جایگزینی اعضای زنده بدن باشند. در سال 1982 در یکی از گردهمایی‌های مربوط به مواد زیستی در ایالات متحده آمریکا، تعریفی جامع به شرح زیر برای ماده زیستی ارائه شد:
ماده زیستی یک ماده یا ترکیبی از چند ماده است، غیر از دارو، با منشاء طبیعی یا مصنوعی که بخشی از آن یا تمام آن را می‌توان به هر مدت به منظور معالجه، ترمیم و جایگزینی هر نوع بافت، عضو یا عملکرد در بدن به کار برد [5].
اما این تعریف چندان مورد پذیرش همگانی قرار نگرفت. چند سال بعد در گردهمایی دیگری که در سال 1986 در انگلستان برگزار گردید، بر روی تعریف ساده‌تری توافق شد:
ماده زیستی مادهای غیر زنده است که در افزارهای پزشکی به کار برده می‌شود تا با سیستم‌های بیولوژیک بر هم کنش کند [6].
از این رو، گاهی از عبارت biomedical materials به عنوان مترادف واژه biomaterial استفاده می‌شود.
امروزه موادی که در پزشکی و جراحی مورد استفاده قرار می‌گیرند، گستره وسیعی از فلزات، پلیمرها، سرامیک‌ها و کامپوزیت‌ها را شامل می‌شوند. هر چند فرآیند ساخت فلزات و پلیمرها به دلیل برخوداری آنها از شکل‌پذیری مناسب به مراتب آسانتر از سرامیک‌ها است، اما این مواد – به ویژه فلزات – وقتی که در بدن قرار می‌گیرند مشکلاتی را به وجود می‌آورند که عمدتاً ناشی از کمبود مقاوت شیمیایی آنها و ناسازگاری فیزیولوژیک بین آنها و بافت زنده است. در تلاش برای چیره شدن بر این محدودیت است که امروزه دسته‌ای دیگر از مواد زیستی موسوم به بیوسرامیک‌ها در کانون توجهات پژوهشگران قرار گرفته‌اند. این در حالی است که به عنوان مثال کمتر از سی سال از آن زمان که برای اولین بار پیشنهاد استفاده از هیدروکسیآپاتیت به عنوان یک سرامیک کلسیم‌فسفاتی برای ترمیم استخوان‌های آسیب دیده در بدن مطرح شد گذشته است. از آن زمان تاکنون پیشرفت بیوسرامیک‌ها جهشی آشکار داشته است. در طول دو دهه مواد سرامیکی به عنوان مفصل مصنوعی، ریشه دندان مصنوعی و بسیاری از موارد دیگر به کار برده شدند. امروزه نه تنها فعالیت‌های تحقیق و توسعه در خصوص استفاده از سرامیک‌ها به عنوان جانشین بافت سخت به انجام می‌رسد، بلکه در زمینه استفاده از آنها در بافت‌های نرم نظیر رگ‌های خونی و اعضای بدن نیز پژوهش‌هایی دشوار با علاقه و جدیت پیگیری می‌شود. همچنین اکنون این امکان به وجود آمده است تا با بهره‌گیری از برخی از ویژگی‌های بیوسرامیک‌ها از آنها در بیوشیمی و نیز برای جداسازی و تخلیص مواد شیمیایی استفاده گردد.
بیوسرامیک‌ها دسته‌ای از مواد سرامیکی، طبیعی یا مصنوعی، هستند که به منظور ترمیم، تقویت یا تعویض قسمت‌هایی از بافت و اعضای معیوب یا از کار افتاده بدن انسان به مدت محدود یا نامحدود به کار برده می‌شوند. اساس برتری مواد زیستی سرامیکی نسبت به انواع فلزی و پلیمری، سازگاری بسیار خوب سرامیک‌ها با ساز و کارهای موجود زنده است. این سازگاری در وهله اول از آنجا ناشی می‌شود که بیوسرامیک‌ها عمدتاً از عناصری نظیر کلسیم، پتاسیم، فسفر، سدیم و منیزیم تشکیل شدهاند که به طور طبیعی در محیط‌های فیزیولوژیک یافت می‌شود.
همچنین سرامیک‌ها بر خلاف فلزات حتی پس از قرار گرفتن در محیط فیزیولوژیک به مدت طولانی، دچار تغییرات شیمیایی شدید نمی‌شوند. به علاوه، چنانچه در دراز مدت تخریب مکانیکی و شیمیایی در آنها رخ دهد، غلظت محصولات ناشی از تخریب در همسایگی بافت زنده به آسانی توسط ساز و کارهای طبیعی بدن قابل مهار است.
علاوه بر مطالب فوق باید توجه کرد که سرامیک‌ها به دلیل برخورداری از پیوندهای قوی کووالانت، یونی یا ترکیبی از این دو، دارای ساختارهایی هستند که در آنها عموماً الکترون آزاد وجود ندارد. در نتیجه، در بدن – که به دلیل وجود مایعات و انواع یون‌ها الکترولیت محسوب می‌گردد – دچار خوردگی ناشی از تشکیل پیل الکتروشیمیایی نمی‌شوند.
مجموع عواملی که به آنها اشاره شد، باعث گردیده است که سرامیک‌ها از نظر سازگاری زیستی مناسب‌ترین مواد مصنوعی در دسترس قلمداد شوند. اما باید توجه داشت که در نهایت تنها ماده کاملاً سازگار با محیط زنده، بافتی است که در همان محیط توسط بدن به وجود آمده باشد.
در بین بیوسرامیک‌ها، خانواده کلسیم‌فسفات‌ها از اهمیت بیشتری برخوردارند. زیرا این خانواده دارای شباهت ساختاری و شیمیایی با بافت سخت بدن (استخوان‌ها و دندان‌ها) هستند و همچنین اجزای سازنده آنها که یون فسفات و کلسیم می‌باشند، جزو یون‌هایی هستند که به طور طبیعی در بدن انسان موجود می‌باشند. این دو موضوع باعث شده است که این خانواده از بیوسرامیک‌ها از زیست‌سازگاری فوق‌العاده بالایی برخوردار باشند. جدول الف اعضای این خانواده را معرفی می‌کند.
از بین کلسیمفسفاتهای ذکر شده در جدول الف، از نظر ترمودینامیکی، هیدروکسیآپاتیت (HAP) پایدارترین فاز در دما و شرایط بدن است. ساختار بلوری این ماده، کاملاً مشابه فاز معدنی تشکیل‌دهنده استخوان و دندان انسان می‌باشد. به عبارتی، HAP با توجه به شباهت بسیار زیادی که با فاز معدنی بافت سخت بدن دارد، مهمترین بیوسرامیک شناخته شده توسط بشر است که در حال حاضر کاربردهای بی‌شماری در حوزه بیومتریال دارد. پس طبیعی است که سنتز این ماده، با قابلیت کنترل خواص نهایی پودر به دست آمده، مورد توجه دانشمندان و مهندسان بیومتریال قرار بگیرد. اگر چه به علت زیست سازگاری فوق العاده عالی و عدم سمیت، هیدروکسیآپاتیت به عنوان یک بیوسرامیک مورد توجه است، محدودیت عمده در استفاده کلینیکی از آن به عنوان یک ایمپلنت متحمل بار، ترد بودن مکانیکی است. عموماً استحکام شکست و تافنس شکست مواد سرامیکی با توزیع و پخش کردن کریستال‌های میله‌ای‌شکل و یا ویسکرها در مواد به طور مؤثری بهبود می‌یابد. از آنجایی که استفاده از ویسکرهای غیر آلی به خاطر مشکل سرطان‌زایی محدودیت دارد و از طرف دیگر چون هیدروکسیآپاتیت سازگاری بیولوژیکی فوق العاده‌ای دارد، انتظار می‌رود ویسکرهای هیدروکسیآپاتیت بی‌ضرر باشند. لذا به نظر می‌رسد کریستال‌های میلهای شکل و یا ویسکرهای هیدروکسیآپاتیت می‌توانند به عنوان موادی جهت بهبود خواص مکانیکی بیومتریال‌های سنتزی مفید باشند. به علاوه، کاهش قطر یا اندازه طول فیبرها (میله‌ها) استحکام را به طور چشمگیری افزایش میدهد. از اینرو، تهیه هیدروکسیآپاتیت در ابعاد نانومتری و با مورفولوژی میلهای شکل در این تحقیق مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.