24002

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

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد

1393

9/4/1397

دكتر بيژن افتخاري يكتا - دكتر حميدرضا راضايي

مهندسي مواد

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.

1400/04/15

The Investigation of Nanostractured SiO2-CaO-P2O5 Glass-Ceramic Coating on Titanium

7/6/2021 12:00:00 AM

As the aging population in the country increases, there will be greater demand for titanium implants. So, it is necessary to increase the formation rate, strength, and structural integrity of connective tissues between the living bone and the implant surface. In recent experiments, it has been demonstrated that a bioactive glass coating on the titanium surface can increase its ability to bond to bone. However, because bioactive glasses have a higher thermal expansion coefficient than titanium, scientists have been trying to reduce the coefficient; this has led to an increase in the crystallization of neutral phases during coating, decreasing the bioactivity of these glasses. This project aimed to develop a bioactive glass or glass-ceramic coating with a medium thermal expansion coefficient (similar to titanium), precipitating bioactive phases to make the coating more bioactive when crystallized during the coating process. Consequently, according to models for predicting bioactivity from composition, three types of glass with low thermal expansion coefficients have been developed by adding B2O3 and decreasing alkaline earth oxides of the commercialized Ceravital® glass. A sol-gel process was used to synthesize these glasses, and simultaneous thermal analysis, X-ray diffraction analysis, and scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectrometry were used to analyse the three synthesized glasses. In numerous studies of sol-gel parameters and the structure of synthesized gels, the application of hydrochloric acid and chloride salts with weight ratios of (H_2 O)/(solid precursors)=20 and molar ratios of EtOH/TEOS=5 has been shown to be a simple and relatively inexpensive condition for synthesizing amorphous gels with a reasonable degree of polymerization for exemplary transparency and homogeneity. After heat treatment for stabilization and sintering, the synthesized amorphous gels were transformed into glass. Sol-gel-produced glass powders had a mesoporous morphology with a specific surface area of about 15 to 30 square meters and an average porosity of about 20 to 30 nanometers. In vitro bioactivity assessment was carried out by soaking glass powders in SBF solution at 37 °C. X-ray diffraction analysis, and scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectrometry were used to examine how chemical composition affects the properties of glass. By sintering glasses at 800 °C for 30 minutes, they turned into glass-cermics. The bioactivity of glass-ceramics was evaluated, the results of which were disappointing. Therefore, the most bioactive glass composition was coated by the dip-coating technique on the titanium substrates. A study was also conducted on the effectiveness of sintering temperatures and times in creating a sticky, crack-free coating, and the optimal temperature and time were determined. Due to the conversion of glass to glass-ceramic at 830 °C for 45 minutes, the precipitated phases on the coating were detected by scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectrometry and grazing incidence X-ray diffraction methods. It was demonstrated that the diffusion of titanium atoms into coatings resulted in the precipitation of bioactive phases such as titanite, chloroapatite, diopside, and a small amount of rutile phase. The bioactivity of the formed glass-ceramic coating was then assessed by immersion in the SBF solution for 21 days at 37 °C. Results from grazing incidence X-ray diffraction, and scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectrometry strongly proved the formation of the bioactive phases of chloroapatite. In the following, a Pull-Off test was used to assess the adhesion of the coating to the substrate, and the results show an average failure value of 24 Mpa. Furthermore, to compare the corrosion behavior of coated and uncoated titanium specimens, electrochemical impedance spectroscopy was applied. Results showed that sample with a glass-ceramic coating demonstrated superior corrosion resistance compared to those without coating.

پوشش , شيشه , شيشه-سراميك , زيست¬فعال , سل-ژل , تيتانيوم

coating , glass , glass-ceramic , bioactive , sol-gel , titanium