واژگان کلیدی:  زیرکونیا، هیدروکسی آپاتیت، فولاد ضد زنگ 316ال، تیتانیوم، فرایند پلاسمای الکترولیتی کاتدی   

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                              صفحه

 چکیده

فصل اول:کلیات

1-مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………. 2     

فصل دوم :تئوری

2-1- کاشتنی‌های فلزی و آلیاژی…………………………………………………………………………………….. 7

2-2- بیوسرامیک‌ها…………………………………………………………………………………………………….. 9

2-3- تاریخچه و گسترۀ بیوسرامیک‌ها…………………………………………………………………………….. 10

2-4- معرفی زیرکونیا………………………………………………………………………………………………….. 14

2-4-1- خواص ریزساختاری زیرکونیا …………………………………………………………………………….. 19

2-4-2- ترکیب و خواص زیرکونیا ………………………………………………………………………………….. 16

2-4-3- سازگاری زیستی زیرکونیا ………………………………………………………………………………….. 17

2-4-4- کاربرد زیرکونیا در پزشکی ………………………………………………………………………………… 18

2-4-5- پوشش زیرکونیا برای کاشتنی بدن ………………………………………………………………….. 20

2-5- معرفی هیدروکسی آپاتیت …………………………………………………………………………………….. 23

2-5-2- خواص هیدروکسی آپاتیت ……………………………………………………………………………….. 24

2-5-3- کاربرد هیدروکسی آپاتیت در پزشکی……………………………………………………………….. 26

2-5-4- تهیه هیدروکسی آپاتیت ……………………………………………………………………………………. 27

2-6-1- پوشش‌دهی به روش پاشش پلاسمایی……………………………………………………………… 28

2-6-2- پوشش‌دهی به روش رسوب دهی الکتریکی تعلیقی ………………………………………. 28

2-6-3- پوشش‌دهی به روش فشردن گرم(HIP)………………………………………………………….. 29

2-6-4- پوشش‌دهی به روش پراکنش پرتویونی و پراکنش فرکانس رادیویی………………. 29

عنوان                                                                                                                     صفحه

2-6-5- پوشش‌دهی به روش پاشش پرسرعت سوخت اکسیژن ………………………………….. 29

2-6-6-پوشش‌دهی به روش سل-ژل……………………………………………………………………….. 30

2-7- عملیات پوشش‌دهی پلاسمایی الکترولیتی ………………………………………………………….. 30

2-7-1- تاریخچه ……………………………………………………………………………………………………… 30

2-7-2- اصول فیزیکی و شیمیایی الکترولیزپلاسمایی…………………………………………………… 31

2-7-3- خصوصیات جریان- ولتاژ……………………………………………………………………………….. 33

2-7-4- مکانیزم‌های فرایند EPT………………………………………………………………………………….. 35

فصل سوم:روش تحقیق

3-1- تجهیزات و مواد مصرفی مورد نیاز ……………………………………………………………….39

3-2- آماده‌سازی نمونه‌ها…………………………………………………………………………………….. 39

3-3- تهیه هیدروکسی آپاتیت …………………………………………………………………………… 40

3-4- عملیات پوشش‌دهی به روش پلاسمای الکترولیتی کاتدی (PET)…………………… 40

3-5-تست ها و آنالیزهای پس از پوشش دهی……………………………………………………………….. 43

3-5-1- بررسی مورفولوژی و ریز ساختارها …………………………………………………………………… 43

3-5-2- تست سایش ……………………………………………………………………………………………. 43

3-5-3-تست ریز سختی………………………………………………………………………………………… 44

3-5-4- تست زبری …………………………………………………………………………………………….. 45

3-5-5- بررسی رفتار خوردگی …………………………………………………………………………. 45

عنوان                                                                                                            صفحه

 فصل چهارم: :بحث و نتیجه‌گیری

4-1- بهینه سازی محلول الکترولیت …………………………………………………………… 49

4-2-عملیات پلاسمای الکترولیتی کاتدی (PET) به منظور ایجاد پوشش Zro2……… 51

 

 

4-2-عملیات پلاسمای الکترولیتی کاتدی (PET) به منظور ایجاد پوشش zro2-HA        52     

4-4-بررسی‌های ریزساختار و مورفولوژی سطح…………………………………………………. 54

4-4-1-بررسی مورفولوژی سطح فولاد ضد زنگ 316ال و تیتانیوم با پوشش زیرکونیا. 54

4-4-2- بررسی ریزساختار فولاد ضد زنگ 316ال و تیتانیوم با پوشش زیرکونیا………… 56

4-4-3-بررسی مورفولوژی سطح فولاد ضد زنگ 316ال و تیتانیوم با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت    59

4-4-4- بررسی ریز ساختار فولاد ضد زنگ 316ال و تیتانیوم با پوشش زیرکونیا-

 هیدروکسی آپاتیت ………………………………………………………………………. 62

4-5-خواص مکانیکی …………………………………………………………………………… 65

4-5-1- سختی سطح …………………………………………………………………………… 65

4-5-2-زبری ………………………………………………………………………………….. 66

4-6-خواص سایشی و اصطحکاک……………………………………………… 67

4-6-1- خواص سایشی و اصطحکاک فولاد ضد زنگ 316ال با پوشش زیرکونیا در

هوا……………………………………………………………………………. 67

4-6-2- خواص سایشی و اصطکاک تیتانیوم با پوشش زیرکونیا در هوا…………….. 70

4-6-3- خواص سایشی و اصطکاک فولاد ضد زنگ 316ال با پوشش زیر کونیا و زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت در محلول رینگر …………………………………. 73

4-6-4- خواص سایشی و اصطکاک تیتانیوم با پوشش زیرکونیا و زیرکونیا- هیدروکسی       آپاتیت در محلول رینگر           78

عنوان                                                                                                              صفحه

4-6-5- مقایسه بین فولاد ضد زنگ 316 ال تیتانیوم با پوشش زیرکونیا و زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت       83

4-6-6- خواص سایشی و اصطکاک فولاد ضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت در محلول بزاق مصنوعی   84

4-6-7- خواص سایشی و اصطکاک تیتانیوم بدون پوشش و تیتانیوم با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت در محلول بزاق مصنوعی……………….. 86

4-6-8- مقایسه بین فولاد ضدزنگ 316ال و تیتانیوم با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی

 آپاتیت ………………………. 90

4-7-بررسی رفتار خوردگی…………………………… 90

4-7-1- بررسی خوردگی در نمونه های فولاد ضد زنگ 316 ال بدون پوشش، با پوشش زیرکونیا و با پوشش زیرکونیا-هیدروکسی آپاتیت در محلول رینگر ……………. 90

4-7-2-  بررسی خوردگی در نمونه های تیتانیوم بدون پوشش، با پوشش زیرکونیا و با پوشش زیرکونیا-هیدروکسی آپاتیت در محلول رینگر ……………. 91

4-7-3- مقایسه خوردگی نمونه‌های تیتانیوم بدون پوشش و با پوشش زیرکونیا با نمونه فولاد ضد زنگ 316ال با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت در محلول رینگر…………. 92

4-7-4- بررسی خوردگی در نمونه های تیتانیوم بدون پوشش و تیتانیوم و فولاد ضد زنگ 316ال با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت در محلول بزاق مصنوعی………….. 93

فصل پنجم:نتیجه‌گیری

5-1-نتیجه‌گیری……………… 95

5-2-پیشنهادات………….. 96

• مقدمه

 واژه و اصطلاح بسیار نزدیک و مرتبطی که برای درک اهداف علم مواد زیستی- پزشکی مهم است و به فهم تعریف بیومواد کمک می‌کند سازگاری زیستی است[1] است. بر طبق تعریف ویلیامز، سازگاری زیستی یا زیست سازگاری عبارت است از: توانایی یک ماده برای ایفای نقش در یک کاربرد ویژه و اجرای یک وظیفه خاص به گونه‌ای که توام با دریافت پاسخ صحیح و مناسب از طرف بافت میزبان باشد[70]. همچنین ماده‌ای را می‌توان زیست سازگار نامید که در محیط زیستی (بیولوژیکی) کیفیت غیر مخرب داشته و تنها واکنش بدن در مقابل آن تشکیل بافت باشد این مواد شامل مثال‌هایی چون فولادهای ضد زنگ هستند[70].

فولاد ضد زنگ آستنیتی و به ویژه نوع 316 ال[2] متداول‌ترین فولاد برای کاربرد کاشت‌ها محسوب می‌شود این فولاد قابلیت سخت شدن با کارسرد را دارد. فولاد 316ال خاصیت مغناطیسی نداشته و جذب آهنربا نمی‌شود و در مقایسه با فولادهای دیگر، مقاومت خوردگی بهتری دارد. حضور مولیبدن در آلیاژ، مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای[3] در آب نمک را افزایش می‌دهد. وجود نیکل در آلیاژ، پایداری فاز آستنیت را در دمای اتاق فراهم می‌سازد و علاوه بر آن مقاومت خوردگی را افزایش می‌دهد. پایداری فاز آستنیت می‌تواند بر اثر تغییر مقدار نیکل و کرم موجود در آلیاژ تحت تأثیر قرار گیرد[71].

جدول 1-1- ترکیب شیمیایی فولاد ضد زنگ 316ال

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کربن	منگنز	فسفر	گوگرد	سیلسیم	کروم	نیکل	مولیبدن
حداکثر   03/.	حداکثر   2	حداکثر   03/.	حداکثر   03/.	حداکثر   75/.	20-17	14-12	4-2

 دسته‌ای دیگر از بیومواد، مواد زیست خنثی هستند که هیچ گونه عنصری را آزاد نمی‌سازند ولی هیچ بر همکنش مثبتی را نیز با بافت زنده نشان نمی‌دهند. پاسخ بدن میزبان در مقابل آن‌ ها ایجاد اتصال با بافت است. از انواع معمول بیومواد زیست خنثی می‌توان به تیتانیوم و آلیاژهای آن اشاره کرد. در مورد تیتانیوم و آلیاژهای آن اظهار نظرهای متفاوتی و درگاهی موارد متناقضی وجود دارد برخی محققان تیتانیوم را جزء بیومواد زیست فعال دسته‌بندی کرده‌اند[73و70] در حالی که بعضی منابع آن را زیست خنثی دانسته‌اند[72].

مواد زیست فعال بر همکنش مثبتی رابا بافت زنده نشان می‌دهند. بر خلاف مواد زیست خنثی، پیوند شیمیایی با استخوان و در فصل مشترک برقرار می‌سازند. به دلیل وجود چنین پیوندهایی، تحمل تنش‌های برشی را نیز در فصل مشترک دارند[75و72].

اگر تیتانیوم خالص بدون حضور لایه رویین از جنس اکسید تیتانیوم در نظر گرفته شود، ماده زیست خنثی است و برهمکنشی با بافت میزبان ندارد ولی از آنجا که لایه رویین اکسیدتیتانیوم همواره و در هر محیطی که اندکی اکسیژن در آن وجود داشته باشد درکسری از ثانیه بر روی تیتانیوم تشکیل می شود موجب برهمکنش تیتانیوم با بافت اطراف شده و در نتیجه فعالیت زیستی از تیتانیوم مشاهده می گردد. دلیل اصلی وجود اختلاف نظر ذکر شده نیز آن است که در برخی مراجع تیتانیوم بدون لایه رویین در نظر گرفته شده است[74].

تیتانیوم به دلیل داشتن 5 مشخصه، به عنوان یک مادۀ کاشتنی دندانی مهم شناخته می‌شود: 1- مقاومت خوردگی عالی   2- استحکام بالا   3- نسبت استحکام به وزن بالا    4- چقرمگی بالا    5- خاصیت زیست خنثی یا زیست فعال بودن[76]

اما به منظور حصول موفقیت کلینیکی، مواد کاشتنی باید فصل مشترک پایداری با بافت اطراف خود تشکیل دهند تا با خواص مکانیکی بافت طبیعی سازگار شوند. با این که فلزاتی چون فولاد ضد زنگ 316ال و تیتانیوم بسیاری از الزامات بیومکانیکی کاشتنی ها را ارضاء می‌کنند ولی پیوند بین سطح فلزی و استخوان‌های اطراف ضعیف است برای غلبه بر چنین مشکلی باید از پوشش‌های بیوسرامیکی استفاده نمود[77].

پوشش‌های بیوسرامیکی به منظور بهبود مقاومت سایشی و خوردگی کاشتنی‌های فلزی، همچنین برای اصلاح و بهبود عملکرد و کاربرد کاشتنی‌های تحت بار ارتوپدی و دندانی در بدن، تحت بررسی و مطالعه و مورد استفاده قرار گرفته‌اند[77و 62].

در اکثر پژوهش‌ها، توجه اصلی به پوشش زیر کونیا برای اصلاح مقاومت خوردگی زیر لایه فلزی کاشتنی بوده است]74]. زیر کونیا هیچگونه فرایند خوردگی یا تجزیه و اضحلال را در محیط‌های بیولوژیکی متحمل نمی‌شود و از آنجا که ساختار مولکولی کاملاً متفاوت با بافتهای بدن دارد عموماً در بدن موجود زنده پایدار می‌ماند. همچنین زیر کونیا به طور چشمگیری توسط بافت اطراف مورد پذیرش قرار می‌گیرد. اما با استخوان پیوند شیمیایی برقرار نمی‌کند و به عنوان بیوماده خنثی شناخته شده است[78].

یکی دیگر از پوشش‌های بیوسرامیکی هیدروکسی آپاتیت می‌باشد که به عنوان پوشش بر روی کاشتنی های فلزی استفاده می شود. یکی از دلایل استفاده از هیدروکسی آپاتیت در پوشش‌دهی کاشتنی‌ها، تثبیت سریع‌تر کاشتنی در محیط استخوانی اطراف آن است. دلیل دیگر، افزایش عمر عملکرد کاشتنی است. پوشش‌های هیدروکسی آپاتیت در مجاورت محیط استخوانی، بهترین پاسخ بافت را موجب خواهند شد. اما پوشش هیدروکسی آپاتیت با پیوند ضعیف از کاشتنی جدا می‌شود و موجب از بین رفتن سطح کاشتنی نیز خواهد شد[62]. در حقیقت پایین بودن استحکام پیوند بین لایه پوشش هیدروکسی آپاتیت و زیر لایه فلزی کاشتنی، نقطه ضعف پوشش هیدروکسی آپاتیت در کاربرد پزشکی و پروتزهای بدن بوده است. طی پژوهشای مختلف تلاش شده تا با افزودن زیر کونیا به هیدروکسی آپاتیت، اصلاح و بهبود استحکام پیوند پوشش هیدروکسی آپاتیت حاصل گردد. با افزودن زیرکونیا، خواص مکانیکی پوشش هیدروکسی آپاتیت بهبود یافته و تشکیل اکسید کلسیم که فازی ترد و نامطلوب در پوشش است، کاهش می‌یابد[62].

یکی از مهمترین پارامترهای پوشش دهی، استفاده از روش مناسب جهت ایجاد پوششی با تراکم و یکنواختی و چسبندگی مناسب می‌باشد[31].

روش الکترولیت پلاسما می‌تواند به عنوان تکنیکی برای ایجاد پوشش سرامیکی بر روی فلزات به کار رود. پیدایش این تکنیک به دهه 1930 بر می‌گردد، هنگامی که Gunterschulze و Betz برای اولین بار تخلیه الکتریکی را بر روی یک سطح آندی بررسی کردند. در سال‌های اخیر این روش به عنوان تکنیکی برای انجام عملیات سطحی بر روی سطح فلزات به کار گرفته شده است. نتایج گزارش شده از تحقیقات حاکی از آن است که پوشش‌های ایجاد شده به این روش باعث ایجاد مقاومت خوردگی عالی و خصوصیت ضد سایش در سطح فاز می‌شود[23].