INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF PRASEODYMIUM DOPING ON THE STRUCTURAL PROPERTIES OF HYDROXYAPATITE: AN EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDY

Abstract

Kalsiyum ortofosfatlar, tıbbi amaçlar için, özellikle sert doku mühandisliği için, yaygın olarak kullanılan kullanılan bir grup biyoseramikleridir. Daha yakın bir zamanda, bu tür biyoseramiklerdeki çalışma ve gelişme, insan yaşamının sağlığı ve kalitesine önemli katkılarda bulunmuştur. Hidroksiapatit (Ca10(PO4)6(OH)2, HAp), kalsiyum fosfat ailesinin önemli bir ferdidir ve yüksek biyouyumluluğa, osteokondüktifliğe ve biyoaktifliğe sahiptir. HAp, doğal insan kemikleriyle kimyasal bileşim olarak benzerliği sebebiyle insan iskelet sisteminin zarar görmüş kısımlarının tedavisinde implant malzemesi olarak kullanılabilir. Bu yüksek lisans tezi için, farklı miktarlarda (2, 4, 6, 8 and 10 at.%) praseodim (Pr) karkılı beş hidroksiapatit (HAp) numunesi yaş kimyasal yöntem kullanılarak sentezlendi ve Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, X-ışını kırınımı (XRD), enerji dağılımlı X-ışını (EDX) ve taramalı electron mikroskopisi (SEM) teknikleri, sitotoksisite testi, termogravimetrik ve diferansiyel termal analiz kullanılarak deneysel olarak karakterize edildi. İlave olarak, tüm numuneler Quantum Espresso yazılımı kullanılarak modellendi ve yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) kullanılarak teorik olarak karakterize edildi. Pr'un HAp'nin Kristal örgüsüne nüfuz ettiği gözlendi. Kristal büyüklüklerinde, örgü parametresi a ve birim hücre hacminde kademeli bir artış bulunurken ve kristalleşme derecesinde kademeli bir düşüş tespit edildi. %2 den %10'a (at.%) Pr içeriği HAp'in termal kararlılığını etkilemedi. Teorik sonuçlar Pr ilavesiyle bant aralığı enerjisinin 3.82 eV'tan 1.32 eV'a sürekli düştüğünü gösterdi ve durum yoğunlukları da Pr içeriğinden etkilendi. Hücre canlılığı testleri, tüm sentezlenen numuneler arasında en iyi biyouyumlu özelliklerin %10 (at.%) Pr ile katkılanan numune için bulunduğunu gösterdi. %6 (at.%) Pr'a sahip numune haricinde geri kalan tüm numunelerin biyomedikal uygulamalar için iyi birer potansiyel aday oldukları bulundu.Calcium orthophosphates are a group of bioceramics that have been extensively used for medical purposes, especially for hard tissue engineering. More recently, the study and improvement in such bioceramics have made significant contributions to the health and quality of human life. Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, HAp) is an important member of the calcium orthophosphate family and has high biocompatibility, osteoconductivity, and bioactivity. HAp can be used as an implant material for the damaged part of the human skeleton system because it has a similar chemical composition to natural human bones. For this master thesis, five samples of hydroxyapatite (HAp) doped with praseodymium (Pr) at various amounts (2, 4, 6, 8 and 10 at.%) were synthesized by using the wet chemical route and characterized experimentally by using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray (EDX) and scanning electron microscopy (SEM) techniques, cytotoxicity test, thermogravimetric and differential thermal analyses. Additionally, all samples were modeled by using the Quantum Espresso software and theoretically characterized by using the density functional theory (DFT). The influence of Pr into the crystal lattice of HAp was observed. While a gradual increase in the crystallite sizes, lattice parameter a and unit cell volume was found, and a gradual decrease in the crystallinity degree was detected. Pr content from 2 to 10 at.% did not affect the thermal stability of HAp. The theoretical results showed that the bandgap energy of HAp decreased steadily from 3.82 eV to 1.32 eV with adding of Pr, and the density of states (DOS) was also affected by Pr content. The cell viability tests showed that among all the as-synthesized samples the best biocompatible properties were found for the sample, which is doped with 10 at.% Pr. Except for the sample having 6 at.% Pr, all the remaining samples were found to be potentially good candidates for biomedical applications.