پوشش‌دهی سرامیک ZrO2 و کامپوزیتZrO2 HA-با تکنولوژی پلاسمای الکترولیتی کاتدی(PET) بر روی فولاد ضد زنگ 316L و Ti و بررسی زیست‌سازگاری آن در محلول رینگر و بزاق مصنوعی

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

عنوان                                               صفحه

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

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 فرآیند 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

فهرست جداول

 

عنوان                                               صفحه

 

جدول 1-1- ترکیب شیمیایی فولاد ضد زنگ 316ال… 2

جدول2-1- انواع تماس بافت و بیوسرامیک‌ها…… 12

جدول2-2- نتایج ارزیابی بیولوژیکی زیرکونیا… 17

جدول 2-3- تأثیر نوع بیوماده بر نوع پیوند فصل مشترک ماده استخوان   25

جدول2-4- مقایسه خواص بیومواد مختلف………. 25

جدول3- 1-ترکیب شیمیایی فولاد ضد زنگ 316ال (درصد وزنی) 39

جدول3-2-ترکیب شیمیایی تیتانیوم خالص تجاری گرید دو (درصد وزنی) 39

جدول 3-3-ترکیب شیمیایی حمام الکترولیت (درصد وزنی)   41

جدول3-4-ترکیب شیمیایی محیط مشابه بدن- محلول رینگر (درصد وزنی) 47

جدول3-5- ترکیب شیمیایی محیط مشابه دهان- محلول بزاق مصنوعی    47

جدول 4-1- بیشترین ولتاژ و ترکیب شیمیایی حمام الکترولیت   49

جدول 4-2- بیشترین ولتاژ و ترکیب شیمیایی حمام الکترولیت   49

جدول 4-3- بیشترین ولتاژ و ترکیب شیمیایی حمام الکترولیت   50

جدول 4-4- بیشترین ولتاژ و ترکیب شیمیایی حمام الکترولیت   50

فهرست اشکال

 

عنوان                                                صفحه

 

شکل 2-1- ساختار بلوری هیدروکسی آپاتیت……. 24

شکل 2-2-فرآیندهای الکترودی در الکترولیز محلول آبی   31

شکل 2-3-منحنی مشخصه جریان-ولتاژ نمونه برای فرآیند هایEPT  در روش کاتدی33……………………………….

شکل 2-4- تصویر شماتیک از مکانیزمهای تولیدی در فرآیند EPT 37

شکل 3-1- منبع تغذیه سه فاز تولید کننده ولتاژ 42

شکل 3-2-تشکیل پلاسمای پایدار به رنگ نارنجی روشن  42

شکل 3-3- دستگاه تست سایش پین روی دیسک چرخان. 43

شکل 3-4- دستگاه تست ریز سخت ……………. 45

شکل 3-5- دستگاه زبری سنج……………….. 45

شکل 3-6- دستگاه پتانسیواستات …………… 46

شکل 3-7- سلول پلاریزاسیون و الکترودها…….. 46

شکل4-1-نمودار خصوصیت جریان- ولتاژ برای عملیات پلاسمای الکترولیتی کاتدی………………………………… 52

شکل4-2- تصویر SEM از مورفولوژی سطح نمونه پوشش داده شده (پوشش زیرکونیا)

  به روش پلاسمای الکترولیتی کاتدی الف) بر روی فولاد ضد زنگ 316 ال  ب) بر روی تیتانیوم……………………….. 55

شکل4-3-تصویر SEMاز سطح مقطع نمونه های پوشش داده شده (پوشش زیرکونیا)  الف) بر روی فولاد ضد زنگ 316 ال و ب) بر روی تیتانیوم  57

شکل4-4-نمودار XRD  پوشش زیرکونیا بر روی الف) فولاد 316 ال و ب) تیتانیوم……………………………… 58

شکل4-5- تصویر SEM از مورفولوژی سطح نمونه پوشش داده شده (پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت)  به روش پلاسمای الکترولیتی کاتدی الف وب) بر روی فولاد 316 ال ج و د) بر روی تیتانیوم… 61

شکل4-6-تصویر SEMاز سطح مقطع نمونه های پوشش داده شده (پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت)  الف) بر روی فولاد ضد زنگ 316 ال و ب) بر روی تیتانیوم……………………………… 63

شکل4-7-نمودار XRD  پوشش زیرکونیا – هیدروکسی آپاتیت بر روی الف) فولاد 316 ال و ب) تیتانیوم…………………… 64

شکل4-8- .نمودار ستونی مربوط به زبری نمونه فولاد ضد زنگ 316 ال بدون پوشش با پوشش زیرکونیا و با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت    66

شکل4-9- .نمودار ستونی مربوط به زبری تیتانیوم  بدون پوشش  با پوشش زیرکونیا و با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت 67

شکل4-10- تصاویرSEM از مکانیزم سایش در هوا در الف) فولاد ضد زنگ 316 ال و

 ب) فولاد ضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیا….. 69

شکل4-11- تصویر  SEMاز پر شدن فرورفتگی های سطح فولاد ضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیاتوسط ذرات سایشی پس از انجام تست سایش   69

شکل4-12- نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت طی شده در تست سایش در هوا

 الف) فولاد ضد زنگ 316 ال و ب) فولاد ضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیا 70

شکل4-13- تصاویرSEM از مکانیزم سایش در هوا در الف) تیتانیوم و ب) تیتانیوم با پوشش زیرکونیا………………. 72

شکل4-14.نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت طی شده در تست سایش در هوا

الف) تیتانیوم و ب) تیتانیوم با پوشش زیرکونیا 73

شکل4-15- تصاویرSEM از مکانیزم سایش درمحلول رینگر الف) الف) فولاد ضد زنگ 316 ال ب و ج) فولاد ضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیا د و ه) فولاد ضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیا – هیدروکسی آپاتیت   76

شکل4-16-. نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت طی شده در تست سایش در محلول رینگر الف) فولادضد زنگ 316 ال  ب) فولادضد زنگ 316 ال با پوشش زیرکونیا و ج) فولادضد زنگ 316 ال با پوشش زیر کونیا-هیدروکسی آپاتیت 77……………………………………..

شکل4-17- تصاویرSEM از مکانیزم سایش درمحلول رینگر الف و ب) تیتانیوم ج

و د) تیتانیوم با پوشش زیرکونیا ه و و)تیتانیوم با پوشش زیرکونیا – هیدروکسی آپاتیت……………………….. 81

شکل4-18-. نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت طی شده در تست سایش در محلول رینگر الف) تیتانیوم  ب) تیتانیوم با پوشش زیرکونیا و ج) تیتانیوم با پوشش زیر کونیا-هیدروکسی آپاتیت.. 83

شکل4-19- تصاویرSEM از مکانیزم سایش فولاد ضد زنگ 316 ال با  پوشش زیرکونیا – هیدروکسی آپاتیت درمحلول بزاق مصنوعی  85

شکل4-20-. نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت طی شده در تست سایش در محلول بزاق مصنوعی برای نمونه فولادضد زنگ 316 ال با پوشش زیر کونیا-هیدروکسی آپاتیت86………………………

شکل4-21- تصاویرSEM از مکانیزم سایش درمحلول بزاق مصنوعی الف و ب) تیتانیوم ج ود) تیتانیوم با پوشش زیرکونیا- هیدروکسی آپاتیت    88

شکل4-22-. نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت طی شده در تست سایش در محلول بزاق مصنوعی الف) تیتانیوم و ب) تیتانیوم با پوشش زیر کونیا-هیدروکسی آپاتیت……………………….. 89

شکل4-23-رفتار خوردگی در محلول رینگر برای نمونه های فولادضد زنگ 316 ال بدون پوشش با پوشش زیر کونیا و زیرکونیا-هیدروکسی آپاتیت    91

شکل4-24-رفتار خوردگی در محلول رینگر برای نمونه های تیتانیوم بدون پوشش  با پوشش زیر کونیا و زیرکونیا-هیدروکسی آپاتیت  92

شکل4-25-رفتار خوردگی در محلول رینگر برای نمونه های تیتانیوم بدون پوشش و با پوشش زیر کونیا و نمونه فولاد ضد زنگ316ال با پوشش زیرکونیا-هیدروکسی آپاتیت……………………….. 92

شکل4-26-رفتار خوردگی در محلول بزاق مصنوعی برای نمونه های تیتانیوم بدون پوشش و با پوشش زیر کونیا -هیدروکسی آپاتیت و نمونه فولاد ضد زنگ316ال با پوشش زیرکونیا-هیدروکسی آپاتیت… 93