23167

بررسي خاصيت ضد باكتريايي، استحكام فشاري و مقاومت به خوردگي نانوكامپوزيت WE43/ZnO/CuZnOساخته شده به روش بهم زدن اصطكاكي

كارشناسي ارشد

شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

1399

1399/8/28

دكتر عليرضا ايواني - دكتر سيد محمدعلي بوترابي

دكتر مرتضي مسعودپناه

مواد و متالورژي

ايمپلنت هاي ارتوپدي زيست تخريپ پذير، گزينه اي مناسب براي ايمپلنت هاي موقت هستند. استفاده از چنين ايمپلنت هايي، خطرات ناشي از اثر تنش حفاظي و عمل جراحي مجدد را كم مي كنند. بيشتر عناصر تشكيل دهنده فلزات و آلياژهاي زيست تخريب پذير از عناصرمورد نياز بدن هستند يا از عناصري هستند كه در بدن سميت سلولي ايجاد نمي كنند. لذا داشتن خواص مكانيكي مناسب و كنترل رفتارخوردگي آن ها در بدن، به منظور اتمام دوره التيام استخوان ضروري است. هم چنين با اضافه كردن عناصري با خاصيت ذاتي آنتي باكتريال به چنين موادي، مي توان بسياري از عفونت هاي باكتريايي را از بين برد. هدف از اين پژوهش، ساخت نانوكامپوزيت پايه منيزيم-اكسيد روي زيست تخريب پذير با خاصيت آنتي باكتريال بود. براي نيل به اين هدف، از آلياژ منيزيم WE43 به عنوان زمينه كامپوزيت و از ذرات اكسيد روي و اكسيدروي-مس در ابعاد نانومتري و ميكرومتري به عنوان تقويت كننده استفاده شد. ذرات تقويت كنده به كمك روش احتراق محلولي با سوخت سيتريك اسيد در دو روش گرمادهي معمولي و مايكروويو سنتز شدند. طبق آزمايش هاي انجام گرفته بر روي پودرهاي سنتز شده، ذرات خالص بوده و هيچ گونه ناخالصي در ساختار آن ها مشاهده نشد. هم چنين ديده شد كه پودرهاي سنتزشده با روش گرمادهي معمولي داراي ابعاد نانومتري و پودرهاي سنتزشده با روش گرمادهي مايكروويو داراي ابعاد ميكرومتري هستند. نتايج حاكي از آن است كه پودر كامپوزيتي اكسيد روي-مس داراي خاصيت آنتي باكتريال بيشتري نسبت به پودرهاي اكسيد روي نانومتري و ميكرو متري است. براي ساخت نمونه هاي كامپوزيتي پايه آلياژ منيزيم WE43 از روش اصطكاكي اغتشاشي با دو توزيع حفره اي و شياري پودر استفاده شد. نمونه كامپوزيتي با توزيع حفره اي داراي توزيع پودر يكنواخت تري نسبت به نمونه كامپوزيتي با توزيع شياري است. همچنين نمونه كامپوزيتي با پودر نانومتري اكسيد روي و اكسيدروي-مس داراي توزيع پودر يكنواخت تري نسبت به نمونه كامپوزيتي با پودر اكسيدروي ميكرومتري است. علاوه بر اين، نمونه كامپوزيتي با ذرات تقويت كننده كامپوزيتي اكسيد روي -مس داراي فعاليت آنتي باكتريالي، استحكام فشاري و ميكروسختي بهتري در مقايسه با نمونه هاي كامپوزيتي حاوي ذرات اكسيد روي است. نمونه كامپوزيتي با ذرات تقويت كننده اكسيد روي-مس در توزيع شياري با مقاومت پلاريزاسيون 83/1225 اهم بر سانتي مترمربع، داراي بيشترين مقاومت به خوردگي و نمونه كامپوزيتي با ذرات تقويت كننده اكسيد روي در توزيع شياري با مقاومت پلاريزاسيون433/418 اهم بر سانتي مترمربع، داراي كمترين مقاومت به خوردگي است. نمونه كامپوزيتي حاوي ذرات تقويت كننده اكسيدروي-مس در توزيع شياري، داراي استحكام فشاري 527 مگاپاسكال و ميكروسختي 24/96 ويكرز است كه بسيار بيشتر از مقادير نمونه كامپوزيتي حاوي ذرات اكسيدروي ميكرومتر در توزيع شياري با استحكام فشاري 300 مگاپاسكال و ميكروسختي 7/89 ويكرز است. شايان ذكر است كه نمونه اوليه آلياژ WE43، داراي مقاومت پلاريزاسيون045/345 اهم بر سانتي مترمربع، استحكام فشاري 138 مگاپاسكال، ميكروسختي 6/56 ويكرز است. بنابراين، مي توان نتيجه گرفت كه با فرآيند كامپوزيت سازي به روش FSP، تغييرات چشمگيري در خواص مكانيكي و مقاومت به خوردگي آلياژ زمينه ايجاد شده است.

1399/11/13

The investigation antibacterial effect, compression strength and corrosion resistance of WE43/ZnO/CuZnO nano-composite fabricated by friction stir processing

11/18/2020 12:00:00 AM

Biodegradable load-bearing orthopedic implants are considered as an alternative option to permanent materials. This is due to the fact that application of such implants reduces the clinical problems associated with stress shielding and secondary surgery. Most of the constituents of biodegradable metals and alloys are essential for the human body and do not cause cytotoxicity if released at an acceptable rate. In addition, it is necessary that these implants remain soundly in place until fully healed bones. These requirements indicate the importance of the mechanical properties and degradation rate of such materials. Moreover, possibility of doping the implants with antibacterial effects would cause limited bacterial infections. The aim of this study was to fabricate biodegradable magnesium-based nanocomposite with antibacterial properties. To achieve this goal, WE43 magnesium alloy was used as the matrix of the composite and nano- and micro-scale zinc oxide (ZnO) and copper-zinc oxide (Cu-ZnO) particles as reinforcing particles. High purity ZnO and Cu-ZnO were synthesized by solution combustion with citric acid fuel using conventional and microwave heating, resulting in nanometer and micrometer particles, respectively. Cu-ZnO showed more pronounced antibacterial properties than ZnO powders. For fabrication of magnesium-based composites, friction stir processing (FSP) was used. The reinforcing particles were added into the WE43 base plate with either drilling holes or machining a groove for additive inserts. It was found that hole-inserted resulted in a more uniform particle distribution than groove-insert. In addition, nanoscale ZnO and Cu-ZnO resulted in more uniformity in particle distribution than microscale ZnO. The addition of Cu-ZnO particles resulted in the highest level of antibacterial activity, highest corrosion resistance, compressive strength and microhardness of the composite. Cu-ZnO groove-inserted composite showed a polarization resistance of 1225.83 ohm/cm2 with respect to the groove-inserted ZnO composite with a polarization resistance of 418.433 ohm/cm2. In addition, groove-inserted Cu-ZnO composite showed compressive strength of 527 MPa and hardness of 96.24 HV0.2 which are significantly higher than the values of 300 MPa and 89.7 for groove-inserted ZnO composite. It should be noted that the un-processed monolithic WE43 alloy has a polarization resistance of 345.045 ohm/cm2, compressive strength of 138 MPa and hardness of 56.6 Hv. Therefore, it can be concluded that a new biodegradable magnesium based composite with antibacterial properties and significantly improved mechanical properties and corrosion resistance has been fabricated.

فرآيند اصطكاكي اغتشاشي، نانوكامپوزيت، اكسيد روي، اكسيد روي- مس، خوردگي، آنتي باكتريال، استحكام فشاري، ميكروسختي.

Friction stir processing; Nano-biocomposite; zinc oxide; copper-zinc oxide; antibacterial; corrosion; compressive strength; microhardness.