مقاله اصلاح سطح کاشتنی های آلیاژ تیتانیوم ۶Al4V-ELI به روش اکسیداسیون با جرقه میکرو

اصلاح سطح کاشتنی های آلیاژ تیتانیوم ۶Al4V-ELI به روش اکسیداسیون با جرقه میکرو

چکیده :
تیتانیوم و آلیاژهایش، علیرغم داشتن خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مناسب جهـت سـاخت انـواع کاشـتنیهای مورد نیاز درمان بیماران، با سطح اصلاح نشده از خاصیت بیواکتیویته کـافی برخـوردار نمـیباشـند؛ بـه منظـور بهبـود خـواص بیواَکتیویته کاشتنی ها از فرآیندهای مختلف اصلاح سطح (تغییر و تبدیل) استفاده می شود. در ایـن پـژوهش هـدف، افـزایش خاصیت زیست فعالی سطح آلیاژ بیومواد تیتانیوم و بررسی نتایج حاصـله از روشـهای مختلـف اصـلاح سـطح مـی باشـد. روش اکسیداسیون آندی پلاسما یا میکرو جرقه (MAO) جهت اصلاح سطح استفاده شده است. در فرآیند اکسیداسیون آندی پلاسما یا میکرو جرقه بسته به متغیرهایی نظیر محلول الکترولیت، ولتاژ و زمان می توانیم پوششـی بـا ضـخامت و تخلخلهـای متنـوع داشته باشیم.تخلخلهای ایجاد شده در این فرآیند با اندازه متوسط ۱۰ میکرون، توزیعنسبتاً مناسب با عمق بالا در حـد ۵۰ تـا ۱۰۰میکرون جهت بهبود بیواکتیویته آلیاژ تیتانیوم بسیار مناسب می باشد. نتایج حاصل از میکروسکوپ الکترونـی روبشـی و پراش اشعه ایکس نیز موید این امر می باشد. از ویژگی های مهم مواد زیست فعال، تشـکیل سـریع لایـه هیدروکسـی کربنـات آپاتیت بر روی سطح بهنگام فرآیند اصلاح می باشد. فاز هیدروکسی کربنات آپاتیت از نظر ترکیب شیمیایی و ساختار، شبیه فاز معدنی استخوان است. خاصیت زیست فعالی این نوع ماده کاشتنی داخل بدن، با در نظر گرفتن شرایط محیطی بـدن و سـایر عوامل تاثیر گذار بر آن بررسی می شود.

کلید واژه- اکسیداسیون با جرقه میکرو ، پلاسما در محیط مایع ، زیست فعالی آلیاژ تیتانیوم

-۱ مقدمه

تیتــانیوم و تعــدادی از آلیاژهــای آن بطــور گســترده ای در ساخت وسایل پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است، بـویژه بعنوان جـایگزین هـای بافـت سـخت در کاربردهـای قلبـی، قلبی- عروقی اُرتوپدیو. دلیل استفاده گسترده آن، خـواص مطلــوب آنهــا از قبیــل مــدول الاستیســیتهنســبتاً پــایین، استحکام خستگی خوب، قابلیت شکل پذیری نسـبتاً خـوب، قابلیت ماشین کاری، مقاومت خوردگی و زیسـت سـازگاری می باشد.[۱] تخلخل کافی در سطح منجر بـه انتقـال مـواد مغـذی و متـابولیکی، کنتـرل عملکـرد بیولـوژیکی و تکثیـر سلول ها می گردد .[۲] امروزه کاربرد تیتـانیوم و آلیاژهـای آن با سـطح اصـلاح شـده کـه از خاصـیت بیواکتیـو کـافی برخوردار است، جهت ساخت انواع کاشتنی های مـورد نیـاز در درمان بیمـاران رو بـه افـزایش اسـت. بـه منظـور بهبـود خـواص بیواکتیـویتی از فرآینـدهای مختلـف اصـلاح سـطح (تغییر و تبدیل) استفاده می شـود. در کاربردهـای پزشـکی، ترکیــب شــیمیایی ســطح، یکــی از عوامـل تعیــین کننــده بیواکتیویته است. چرا که سطح بیومواد، در تماس مسـتقیم با محـیط فیزیولوژیـک و بافتهـای بیولوژیـک قـرار خواهنـد داشت.[۳]
فرآیندهای سطحی مختلفی برای اصـلاح سـطح تیتـانیوم و آلیاژهــایش بکــار مــی رود کــه شــامل فرآینــدهای اصــلاح
مکــانیکی، فرآینــد اســپری حرارتــی، فرآینــدس ــل- ژل، فرآینــدهای اصــلاح شــیمیایی و الکتروشــیمیایی و فرآینــد کاشت یونی است. تحقیقات نشـان داده اسـت کـه مقاومـت سایشی، مقاومت خوردگی و خـواص بیولـوژیکی تیتـانیوم و آلیاژهایش می تواند بطور انتخابی بـا اسـتفاده از تکنیکهـای مختلف اصلاح سطح مناسب، بهتر شود.[۲]

در فرآینــدهای رایــج اکسیداســیون الکتروشــیمیایی کــه از ولتاژهای زیر ۱۰۰ ولت استفاده می شـود مقاومـت اکسـید منجر به کاهش سرعت اکسیداسیون و توقف آن می گـردد. لکن اگر فرآیند آنودایزینگ در ولتاژهای بـالاتر از حـد ۱۰۰ ولت انجام شود، اکسید، مقاومـت کـافی بـرای جلـوگیری از جریان جاری بعدی را نخواهد داشت. در ولتـاژ بـالا فرآینـد، منجر به افزایش انبساط گاز شده مکرراًو جرقه می زند. این نوع آنودایزینگ اغلب به آنودایزینگ همراه با جرقه توصـیف می شود کهمعمولاً بـه تشـکیل فـیلم هـای اکسـیدی غیـر یکنواخت و با تخلخل بیشتر منجر می شود.[۴]

روش ساده تعیین پتانسـیل اتصـال کاشـتنی بـا اسـتخوان، غوطه وری این مـواد، در محلـول شـبیه سـازی شـده بـدن (SBF) می باشد. جهت رشـد اسـتخوان در محـیط In vivo تشکیل لایه فسفات کلسیم، بر روی سـطح مـاده اسـت کـه معمولا آپاتیت شبه استخوان نامیده می شـود. ایـن آپاتیـت شبه استخوان، که بعنوان پروتئینهای سیگنالی فعال به نظـر می رسند و سلولهای آماده به واکنشهای آبشاری هستند که نتیجه آن تشکیل لایه استخوانی می گـردد کـه لایـه هـای سطحی با تکنیک هایی نظیر SEM، XRD ، XPS ، AFM ، Raman Spectroscopy ، Ellipsometry مورد مطالعه قرار می گیرند.[۵]
با استفاده از فرآیند MAO می توان پوشش هایی با کیفیـت بالا، با سختی میکرو بالا، چسـبندگی، اسـتحکام و مقاومـت سایش بالا تهیه نمود. کیفیت پوشش MAO با پارامترهـایی چون ترکیب الکترولیت، درجه حـرارت الکترولیـت، ترکیـب آلیاژ، ولتاژ، چگالی جریان، زمان تعیین می شود. پوششـهای با کیفیت بالا مـی توانـد بـا اسـتفاده از پارامترهـای رسـوب نشانی مناسب تهیه شـود.[۵] بعـلاوه، فرآینـد MAO بـرای ایجاد زیرکار متنوع با هندسه پیچیده بسیار مناسـب اسـت.

پوششهای اکسیداسیون با جرقه میکـرو، اغلـب چسـبندگی خوبی به زمینه نشان می دهند. بنـابر گزارشـات موجـود در منابع، پوششهای بر پایه اکسید تیتانیوم، شامل Ca , P .Ti و آلیاژهــای آنهــا فرآینــد اکسیداســیون بــا جرقــه میکــرو در الکترولیت هـای محتـوی اسـتات کلسـیم (CA) ، گلیسـرو فسفات کلسیم (Ca-GP)، یا فسفات دی هیدروژن کلسیم و غیره بدست آمده است.[۶]

سطح تیتـانیوم متخلخـل شـده در فرآینـد MAO ، فرآینـد بیومیمیک را شتاب می دهد. لـذا زمانیکـه سـطح تیتـانیوم آماده شـده در محلـول قلیـایی و یـا سـطح آمـاده شـده در محلـول قلیـایی و عملیـات حرارتـی شـده در محلـول SBF غوطه ور می شود، یک لایه یکنواخـت و متـراکم از آپاتیـت شبه استخوان روی سطح تشکیل می شود. یون سدیم، لایـه سطحی از گروههای را در روی سطح ایجاد کـرده و فعالیت یونی باعث تشکیل آپاتیت در محلول SBF می شود.

حضور گروههای Ti-OH موجب شتاب بخشیدن بـه هسـته سازی آپاتیت می شوند.[۱۰]

-۲ آماده سازی و روش ساخت

-۱-۲ مشخصات و آماده سازی نمونه ها :

جهت افزایش قدرت اتصال کاشتنی های ارتوپدی و دنـدانی به بافت استخوانی اطراف، می توان سطح را اصلاح شیمیایی فیزیکی نمود. درهرصورت، هدف ایجاد سـطحی بـا تعـداد تخلخل های بالا ولکن تا حد امکان ریز است تا سـطح ویـژه تماس بافت و کاشتنی افزایش یافتـه و درنتیجـه سـینیتیک نفوذ یونهای کلسیم و فسفات به داخل بافت تقویت گردیده اتصال قویتری بین کاشتنی تیتانیومی با بافـت اسـتخوانی ایجاد کند.

ابتدا صفحات آلیاژ تیتانیوم ۶Al4V_ELI به ابعاد ۲۰×۱۰×۲ میلیمتر مکعـب توسـط کاغـذهای سـنباده پـولیش شـدند، سپس برای تهیه محلول %۱۰) HF وزنـی) و ۱۵) HNo3 درصد وزنی)، مقدار ۱۰ میلی لیتـر HF و ۱۵ میلـی لیتـر HNo3 را بـا هـم مخلـوط کـرده و در ۷۵ میلـی لیتـر آب مقطر، رقیق می کنیم. نمونه های پولیش شده بـه مـدت ۲ دقیقه در محلول غوطه ور می شـوند. در نهایـت، نمونـه هـا توسط استون به صورت التراسوند و آب مقطر شسته شـده و در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد، خشک شدند.[۷]

-۲-۲ فرآیند آندایزینگ میکرو جرقه :

مواد اولیه مورد نیاز از شرکتم رک تهیه گردیـد. صـفحات تیتانیومی آماده سازی شده به عنوان آنـد و صـفحات فـولاد

زنگ نزن به عنـوان کاتـد، در حمـام الکترولیـت، قـرار داده شدند. الکترولیت تازه با استفاده از اضـافه نمـودن ترکیبـات Ca(CH3COO)2.H2O (13.2 gl-1)-,Ca(H2PO4)2.H2O (6.3 gl-1), EDTA- 2Na (44.66 gl-1) و NaOH(2M) بــه آب دیونیزه شده، آماده شدند. در فرآیند MAO ولتاژ بکار رفته، سیکل تناوبی و زمـان اکسیداسـیون، بـه ترتیـب : ۳۰۰ تـا ۵۵۰ ولـت، ۶۰۰ هرتـز و ۱/۵ تـا ۳۰ دقیقـه بودنـد. دمـای الکترولیــت، در ۴۰ درجــه ســانتیگراد، توســط سیســتم سرمایشی ، نگاه داشته شد.[۸]

-۱-۲-۲ روش ساخت محلول الکترولیت : MAO

ابتدا ۱/۵ لیتر آب دیونیزه را در یک بشر ۲ لیتـری ریختـه و همزن مغناطیسی را داخل محلول قـرار مـی دهـیم. سـپس برای این مقدار آب دیونیزه، مقادیر محاسبه شـده از مـواد را به آرامی و با فاصله زمانی معین اضافه می کنیم. pH محلول آماده شده می بایست در حدود ۱۴ باشد. تنظیم نهـایی pHمحلول با اضافه نمودن هیدروکسید سدیم ۲ مـولار صـورت می گیرد. محلول بدست آمـده از ایـن روش بایسـتیکـاملاَ شفاف و بدون هیچگونه رسـوب باشـد. بـا توجـه بـه اینکـه فرآیند انحلال اجزاء اضافه شده بهکُندی انجام پـذیر اسـت، محلول می بایست حداقل به مدت ۲۴ ساعت توسـط همـزن مغناطیسی همزده شود و به منظور موازنه شـدن، محلـول را حداقل یک هفته در دمای اتاق قرار می دهیم.[۱۰-۱۳]

پس از آماده سازی محلـول، جهـت انجـام فرآینـد MAO از یک بشر ۲ لیتری و تجهیزات آند و کاتـد و سیسـتم خنـک کننده حمام الکترولیت، استفاده می گردد. بـدلیل اینکـه در این سیستم، دمای پلاسمای ایجاد شده به ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰

درجه کلوین می رسد منجر به افزایش سریع درجه حـرارت حمام می گردد. با سیسـتم خنـک کننـده طراحـی شـده و توسط چرخش آب خنک درون سیستم، دما را در حدود ۴۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد نگه می داریم. در طول فرآیند MAO آمپر جریان عبوری، در هر لحظه، توسط آمپرسنج بررسـی و گزارش می گردد. همینطور ولتاژاعمال شده بین آند و کاتد توسط ولت متر در هر لحظه، مورد ارزیابی قرار می گیرد.

-۳-۲ آنالیز توسط پراش اشعه ایکس : (XRD )

ترکیب شیمیایی سطح پوشش های ایجـاد شـده بـا فرآینـد MAO برروی آلیاژ تیتـانیوم ۶Al4V_ELI بـه روش پـراش اشعه ایکس شناسایی می شود. محدوده زوایای مورد مطالعه ۲θ  ۵ −۸۰ درجه بود.

-۴-۲ بررسی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی : (SEM)

سطح پوشش های ایجاد شده با فرآیند MAO بـرروی آلیـاژ تیتانیوم ۶Al4V_ELI توسط میکروسکوپ الکترونی روبشـی مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی مورفولوژی، انـدازه و میزان تخلخلهای بدست آمده و ضخامت لایـه زیسـت فعـال ایجاد شده برروی سطح تیتانیوم، از میکروسـکوپ الکترونـی روبشی مدل TESCAN ساخت شرکت VEGA استفاده شد

-۳ نتایج

-۱-۳ بررسی مورفولوژی سطح نمونه های حاصل از فرآینـد اکسیداسیون میکرو جرقه : (MAO )

مورفولوژی سطح پوشش های ایجاد شده بـا فرآینـد MOA برروی زیر کار آلیـاژ تیتـانیوم ۶Al4V_ELI در شـکل۱ و ۲
نشان داده شده اند. دو نمونه دراعمال ولتـاژ ۴۵۰ ولـت، در زمانهــای ۱۰ و ۲۰ دقیقــه مقایســه مــی گردنــد. در ســطح متخلخل پوشش MAO حفـرات در حـدود ۵ میکرومتـر بـا عمقنسبتاً بالا (در مقایسه با ۵ میکرومتر) حضور دارنـد. در بزرگنمایی بالاتر، عمق حفرات سـطح پوشـش MAO قابـل لمس تر است. بـدین ترتیـب پوشـشMAO ، سـطح زبـر و متخلخلی حاوی تعداد کثیـری ریـز پولـک، در حـدود ۱۰۰ نانومتر می باشد. (شکل۱و۲ ، الف تا د). ضخامت پوششـهای MAO همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است، بسته به مدت زمانا عمال ولتاژ، افـزایش مـی یابـد. بطوریکـه در مدت زمان ۱۰ دقیقـه در حـدود ۳۲ میکرومتـر و در مـدت زمان ۲۰ دقیقه در حدود۵۰ میکرومتر می باشد. یکنـواختی توزیع تخلخلهـای حاصـل شـده در مـدت زمـان ۲۰ دقیقـه بیشتر از تخلخلهای حاصل شده در مـدت زمـان ۱۰ دقیقـه می باشد.

شکل: ۳ تصاویر SEM از مورفولـوژی سـطح پوشـش ایجـاد شده در فرآیند اکسیداسیون میکرو جرقه بـرروی زیـر کـار آلیاژ تیتانیوم ۶Al4V_ELI با ولتاژا عمالی ۴۵۰ ولت

شکل : ۴ آنالیز EDXS (تشخیص عناصر بر اسـاس اخـتلاف انرژی آنها) از لایه سطحی در فرآینـد اکسیداسـیون میکـرو جرقه سطح آلیاژ تیتانیوم با بکارگیری ولتـاژ ۴۵۰ ولـت، در زمان نگهداری ۱۰ دقیقه

Facebook Twitter Google+ LinkedIn Pinterest Print