Development of Vat-photopolymerized Bioactive Scaffolds with Nano-Hydroxyapatite and Magnesium Hydroxide for Enhanced Bone Regeneration. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mahlet Tsedalu Adane Thesis book Last.pdf Restricted to Repository staff only until 10 May 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُعدّ العيوب العظمية الناتجة عن الأمراض والتقدّم في العمر والحوادث تحديًا طبيًا كبيرًا، خصوصًا عندما تتجاوز القدرة الطبيعية للعظام على الالتئام والتجدد. فالعظم عبارة عن بنية مسامية تدعم الأحمال الميكانيكية وتساعد على نقل المغذّيات، إلا أن قدرته على التجدد تكون محدودة في العيوب الكبيرة. ومع إجراء أكثر من مليوني عملية ترقيع عظمي سنويًا، تزداد الحاجة إلى حلول فعّالة تعتمد على الهياكل الداعمة. تركز هذه الدراسة على تطوير هياكل مسامية ومتوافقة حيويًا ذات أداء ميكانيكي وبيولوجي محسّن لتطبيقات هندسة أنسجة العظام. تم اعتماد منهجية منظّمة لتصميم وتصنيع هذه الهياكل. واستُخدمت تراكيب الأسطح الدنيا الدورية ثلاثية الأبعاد لمحاكاة البنية المسامية الطبيعية للعظم، نظرًا لامتلاكها شبكات مسامية مترابطة وسلوكًا ميكانيكيًا مناسبًا. وتم اختيار عدة أشكال هندسية من هذه التراكيب، تشمل البنية الماسية والبنية الحلزونية والبنية الأولية، وتصنيعها بكثافات تعبئة مختلفة بلغت 35% و40% و45%، بهدف تقييم تأثيرها على أداء الهياكل الداعمة. كما جرى تحسين معايير الطباعة ثلاثية الأبعاد الأساسية للحصول على بنية مسامية وأداء ميكانيكي مناسبين. بعد ذلك، تم تطوير راتنجات مركبة من خلال إضافة كربونات الكالسيوم المستخلصة من قشور البيض في المشروع الأول، بالإضافة إلى هيدروكسي أباتيت نانوي مع هيدروكسيد المغنيسيوم في المشروع الثاني بتراكيز مختلفة. وتم توصيف الهياكل المطبوعة باستخدام حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه، والمجهر الإلكتروني الماسح، والتصوير المقطعي المجهري، بينما جرى تقييم الخصائص الميكانيكية عبر اختبارات الضغط، وتقييم النشاط الحيوي باستخدام سائل الجسم المحاكى. في كلا المشروعين، أتاحت معايير الطباعة المحسّنة تصنيع هياكل مسامية ناجحة بخصائص تشريحية مخصصة للمرضى. وتم اختيار نسب الحشو 2.5% و5% و7.5% وزنيًا استنادًا إلى الدراسات السابقة لضمان قابلية الطباعة وتحقيق الأداء المطلوب. وكانت العلاقة بين مصفوفة الراتنج والمواد المالئة في الأساس علاقة فيزيائية، مما ساهم في تعزيز الخصائص الميكانيكية دون تكوين روابط كيميائية. في المشروع الأول، أدى إدخال مسحوق قشور البيض، الذي بلغ حجمه نحو 6 ميكرومتر، إلى انخفاض مقاومة الضغط مع زيادة نسبة الحشو، ويرجع ذلك أساسًا إلى كبر حجم الجسيمات وصعوبة توزيعها بشكل متجانس. ومع ذلك، تحسن النشاط الحيوي بشكل ملحوظ عند زيادة نسبة الحشو، كما ظهر من خلال زيادة تكوّن الأباتيت. ومن المهم الإشارة إلى أن مقاومة الضغط بقيت ضمن المجال من 2 إلى 12 ميغاباسكال، وهو مجال مماثل للعظم الإسفنجي. أما في المشروع الثاني، فقد ساهم الهيدروكسي أباتيت النانوي، الذي يقل حجمه عن 200 نانومتر، في تحسين مقاومة الضغط حتى نسبة 5% وزنيًا، حيث تم تحقيق أفضل أداء ميكانيكي. بينما أدى رفع النسبة إلى 7.5% إلى انخفاض المقاومة نتيجة تكتّل الجسيمات. كما ازداد النشاط الحيوي بزيادة محتوى الهيدروكسي أباتيت النانوي، وهو ما تأكد من خلال تكوّن طبقة من الهيدروكسي أباتيت ظهرت في صور المجهر الإلكتروني الماسح. بالإضافة إلى ذلك، وفّر هيدروكسيد المغنيسيوم نشاطًا مضادًا للبكتيريا، حيث أظهر قدرة على تثبيط بكتيريا الإشريكية القولونية. وفي كلا المشروعين، أظهر الهيكل الماسي أعلى مقاومة للضغط، يليه الهيكل الحلزوني ثم الهيكل الأولي. علاوة على ذلك، أدى رفع كثافة التعبئة من 35% إلى 45% إلى تحسين مقاومة الضغط، وذلك بسبب زيادة كمية المادة وتعزيز قدرة الهياكل على تحمّل الأحمال.

English Abstract

Bone defects caused by disease, aging and accidents remain a major clinical challenge, particularly when they exceed the natural healing capacity of bone. Bone is a porous structure that supports mechanical loads and nutrient transport, but its regeneration is limited in large defects. With over two million bone grafting procedures performed annually, there is a growing need for effective scaffold-based solutions. This study focuses on developing porous, biocompatible scaffolds with optimized mechanical and biological performance for bone tissue engineering applications. A systematic approach was employed to design and fabricate the scaffolds. Triply Periodic Minimal Surface structures were used to mimic the porous architecture of natural bone due to their interconnected pore networks and favorable mechanical behavior. Different Triply Periodic Minimal Surface geometries, including Diamond, Gyroid, and Primitive structures, were selected and fabricated with varying infill densities of 35%, 40%, and 45% to evaluate their influence on scaffold performance. Key three-dimensional printing parameters were optimized to achieve suitable pore architecture and mechanical performance. Composite resins were then developed by incorporating eggshell-derived calcium carbonate (Project 1) and nano-hydroxyapatite with magnesium hydroxide (Project 2) at varying concentrations. The printed scaffolds were characterized using X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and micro-computed tomography, while mechanical properties were evaluated through compression testing and bioactivity was assessed using simulated body fluid. For both projects, optimized printing parameters enabled the successful fabrication of porous scaffolds with patient-specific anatomical features. Filler loadings of 2.5, 5, and 7.5 wt% were selected based on literature to ensure printability and performance. The interaction between the resin matrix and fillers was primarily physical, contributing to mechanical reinforcement without chemical bonding. In Project 1, the incorporation of eggshell powder (around 6 micrometer) led to a decrease in compressive strength with increasing filler content, mainly due to larger particle size and dispersion limitations. However, bioactivity improved significantly with higher loading, as evidenced by enhanced apatite formation. Importantly, the compressive strength remained within the range of 2-12 MPa, comparable to cancellous (spongy) bone. In Project 2, nano-hydroxyapatite (<200 nano meter) improved compressive strength up to 5 wt%, where the maximum performance was achieved. Further increase to 7.5 wt% resulted in reduced strength due to particle agglomeration. Bioactivity increased with nano-hydroxyapatite content, confirmed by hydroxyapatite layer formation observed in scanning electron microscopy analysis. Additionally, magnesium hydroxide provided antibacterial activity, demonstrating inhibition against Escherichia coli. For both projects, the Diamond structure exhibited the highest compressive strength, followed by Gyroid and Primitive structures. Furthermore, scaffolds infill density from 35% to 45% resulted in improved compressive strength due to the higher material content and enhanced load-bearing capability of the scaffolds.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Fahad Alam,
Thesis Committee Members:	Qasem Drmosh, Muhammad Baig,
Depositing User:	MAHLET ADANE (g202320590)
Date Deposited:	11 May 2026 10:12
Last Modified:	11 May 2026 10:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144202