بررسي پوشش شيشه‌-‌سراميك نانوساختار سيستم SiO2-CaO-P2O5 بر روي فلز تيتانيوم

كارشناسي ارشد

با توجه به رشد جمعيت پير كشور، درخواست براي كاشتني‌هاي تيتانيومي رشد خواهد كرد. چالش مهم در اين زمينه، افزايش سرعت تشكيل، استحكام و يكپارچگي ساختاري بين استخوان زنده و سطح كاشتني كاشته شده است. ثابت شده است كه مي‌توان با ايجاد پوشش شيشه زيست‌فعال بر روي سطح تيتانيوم قابليت اتصال تيتانيوم به استخوان را بهبود بخشيد. بااين‌حال، شيشه‌هاي زيست‌فعال داراي ضريب انبساط حرارتي بالاتري نسبت به تيتانيوم هستند، به‌طوري‌كه تلاش‌هاي دانشمندان براي كاهش ضريب انبساط حرارتي منجر به افزايش ميزان تبلور فازهاي خنثي در زمان پخت پوشش و درنتيجه كاهش زيست¬فعالي آن‌ها شده است؛ بنابراين، هدف از انجام اين پروژه طراحي يك پوشش شيشه‌اي يا شيشه¬-سراميكي زيست‌فعال با ضريب انبساط حرارتي متوسط (مطابق با تيتانيوم) بود كه در طول فرايند پخت پوشش در صورت تبلور، فازهاي زيست¬فعال رسوب داده و بتواند زيست¬فعالي مناسبي از خود نشان دهد. در اين راستا، با توجه به مدل¬هاي پيش¬بيني زيست‌فعالي بر اساس تركيب شيميايي، تركيب شيشه تجاري‌سازي شده ®Ceravital با افزودن B2O3 و كاهش اكسيدهاي قليايي خاكي تغيير داده شده و سه نوع تركيب شيشه با ضريب انبساط حرارتي متوسط، طراحي و توسط فرايند سل¬-¬ژل سنتز شد. پودر شيشه¬هاي سنتز شده سپس به كمك آناليز حرارتي هم-زمان، پراش پرتو X، ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به آناليز طيف‌سنجي پراش اشعه X و تخلخل¬سنجي جذب و واجذب N2 مورد ارزيابي قرار گرفت. بررسي‌هاي فراوان متغيرهاي فرايند سل-ژل و ساختار ژل‌هاي سنتز شده نشان داد كه استفاده از نمك‌هاي كلريدي و همچنين اسيدهيدروكلريك با غلظت 2 مولار با نسبت وزني (H_2 O)/(جامد ماده پيش)=20 و نسبت مولي 5 EtOH/TEOS= شرايط ساده و نسبتاً كم‌هزينه‌اي براي سنتز ژل آمورف و با درجه پليمريزاسيون مناسب براي شفافيت و همگني ساختار توليد شده هستند. ژل‌هاي آمورف سنتز شده پس از عمليات حرارتي جهت پايدارسازي و پخت به شيشه‌هاي مورد نظر تبديل شدند. پودرهاي شيشه سنتز شده به روش سل-ژل مزومتخلخل، داراي سطح ويژه حدود 15 تا 30 مترمربع برگرم و اندازه متوسط تخلخل‌هاي حدود 20 تا 30 نانومتر بودند. بررسي‌هاي زيست‌فعالي شيشه‌ها در محلول مايع شبيه‌سازي‌شده بدن در دماي 37 درجه سانتي¬گراد انجام شده و سپس به‌وسيله پراش پرتو X و ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به آناليز طيف سنجي پراش اشعه X، اثر تغيير تركيب شيميايي شيشه¬ها بر روي خواص آنها بررسي شد. با افزايش دماي پخت تا 800 درجه سانتي¬گراد در زمان 30 دقيقه، شيشه‌ها به شيشه-سراميك تبديل شدند. اثر تبديل شيشه‌ها به شيشه-سراميك بر روي زيست‌فعالي مورد ارزيابي قرار گرفت كه اين نتايج نااميدكننده بود. بنابراين تركيب شيشه با بيشترين زيست¬فعالي با روش غوطه¬وري در سل بر روي زيرلايه تيتانيومي پوشش داده شد. همچنين اثر زمان و دماي پخت بر ايجاد پوشش چسبنده و عاري از ترك بررسي شد و دما و زمان بهينه براي پخت پوشش انتخاب شد. با توجه به تبديل‌شدن شيشه، به شيشه-¬سراميك در دماي 830 درجه سانتي¬گراد و زمان 45 دقيقه، فازهاي رشديافته بر روي پوشش به‌وسيله آناليز پراش پرتو X به روش Grazing، ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به آناليز طيف سنجي پراش اشعه X شناسايي شد كه نتايج حاكي از نفوذ اتم¬هاي تيتانيوم در درون پوشش و رشد فازهاي زيست¬فعال تيتانيت، كلروآپاتيت، ديوپسايد به‌علاوه كمي فاز روتايل در زمينه شيشه¬اي بود. سپس زيست¬فعالي پوشش شيشه--سراميكي پديد آمده توسط 21 روز غوطه¬وري در محلول مايع شبيه‌سازي‌شده بدن در دماي 37 درجه سانتي¬گراد، بررسي شد كه با توجه به اثبات تشكيل شدن فاز زيست¬فعال كلروآپاتيت، زيست¬فعالي مناسبي از خود نشان داد. پس‌ازآن با استفاده از روش Pull-Off چسبندگي پوشش به زيرلايه مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج بيانگر چسبندگي پوشش به زيرلايه با مقدار ميانگين تنش كششي 24 مگاپاسكال بود. همچنين به‌منظور مقايسه رفتار خوردگي نمونه‌هاي تيتانيومي پوشش¬داده‌شده و بدون پوشش، آزمون طيف¬سنجي امپدانس الكتروشيميايي در محلول فيزيولوژيكي مايع شبيه‌سازي‌شده بدن انجام گرفت كه نتايج حاكي از بهبود مقاومت به خوردگي زيرلايه تيتانيومي داراي پوشش شيشه¬-¬سراميكي نسبت به نمونه¬هاي بدون پوشش بود.

196344

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مواد

دكتر بيژن افتخاري يكتا - دكتر حميدرضا راضايي