16563

16563

ساخت و بررسي خواص مكانيكي و زيست سازگاري نانو كامپوزيت زيركونيا/گرافن

كارشناسي ارشد

بايومواد

بهمن ماه 1395

دكتر جغفر جوادپور - دكتر محمد علي شكرگزار

دكتر حميدرضا رضايي

مواد و متالورژي

زيركونياي پايدار شده با ايتريا به دليل چقرمگي شكست بالا (ناشي از استحاله تتراگونال به مونوكلينيك) و زيست¬سازگاري مناسب در ميان بايوسراميك¬ها، سال¬ها به عنوان جايگزين مفصل ران مورد استفاده قرار گرفته است. از مشكلات اصلي زيركونيا به عنوان مفصل ران مي¬توان به ناپايداري فازي آن در محيط مرطوب بدن (پيرشدگي) اشاره كرد. يكي از راهكار¬هاي موجود جهت كنترل پيرشدگي زيركونيا، استفاده از افزودني¬هايي است كه اين تبديل فازي را كنترل مي¬كنند. اما از آنجايي كه خود اين استحاله عامل اصلي چقرمگي شكست بالاي زيركونياست، توقف آن، چقرمگي شكست را به ميزان قابل توجهي كاهش مي¬دهد. بنابراين افزودني مورد استفاده بايد به گونه¬اي باشد، كه با مكانيزم¬هاي ديگري اين كاهش چقرمگي شكست را جبران كند و از لحاظ بيولوژيك مناسب باشد. در دهه اخير نانو صفحات گرافني به عنوان تقويت¬كننده-هاي موثر در زمينه¬هاي سراميكي مورد توجه قرار گرفته¬اند. در اين پژوهش بدنه¬هاي كامپوزيتي زيركونيا و 1 درصد وزني نانو صفحات گرافني مورد مطالعه قرار گرفتند. به منظور مقايسه و بررسي دقيق¬تر اثر¬گذاري نانو صفحات گرافني، بدنه كامپوزتي زيركونيا و 1 درصد وزني نانو ذرات كربن بلك (شناخته شده از لحاظ مكانيكي و زيستي و داراي تركيب شيميايي يكسان با نانو صفحات گرافني) نيز تهيه شد. بدنه¬ها پس از مخلوط¬سازي مواد اوليه در آسياب ماهواره¬اي، به روش زينتر پلاسماي جرقه¬اي در دو دماي oC 1300 و oC 1400 زينتر شدند و خواص مكانيكي، پيرشدگي در محيط مرطوب و زيست-سازگاري آنها مورد مطالعه قرار گرفت. بررسي خواص مكانيكي بدنه¬هاي زينتر شده در دماي oC 1400 با دانسيته نسبي بالاي 98% نشان داد كه افزودن گرافن و كربن بلك به ترتيب منجر به افزايش (MPa.m1/281/5) و كاهش (MPa.m1/204/4) چقرمگي شكست در مقايسه با بدنه زيركونيايي (MPa.m1/223/4) مي-شوند. آناليز فازي سطوح شكست، كاهش استحاله چقرمه¬ساز تتراگونال به مونوكلينيك را از 30% در بدنه زيركونياي خالص تا %17 و 12%به ترتيب در بدنه¬هاي حاوي نانو صفحات گرافني و نانو ذرات كربن بلك نشان داد. در حالي كه تصاوير ميكروسكوپ الكتروني از سطوح شكست و مسير ترك، ثابت كرد كه اين كاهش چقرمگي شكست در بدنه كامپوزيت زيركونيا/گرافن به دليل فعال شدن مكانيزم¬هاي چقرمه¬ساز پل¬زني و بيرون كشيده شدن گرافن و انحراف ترك جبران شده است. از طرفي آناليز فازي نمونه¬ها پس از قرارگيري در محيط مرطوب اتوكلاو (دماي oC134 و فشار bar3) نشان داد كه نانو افزودني¬ها، مانع پيرشدگي در بدنه زيركونيايي و افزايش طول عمر به مدت 60 سال مي¬شوند. از آنجايي كه بررسي¬هاي سلولي، عدم سميت و بهبود تمايز سلولي در بدنه كامپوزيت زيركونيا/گرافن را تائيد كرد، مي¬توان نتيجه گرفت كه بدنه كامپوزيت زيركونيا/گرافن مي¬تواند جايگزين مناسب ايمپلنت¬هاي زيركونيايي ناپايدار مفصل ران باشد.

1395/11/18

1/1/1900 12:00:00 AM

The high amount of low temperature degradation (aging) in Tetragonal Zirconia Polycrystalline (TZP) materials in humid atmosphere of human body has been the major barrier for their use in femoral ball head implants. Purpose of the current paper was to demonstrate that the material’s aging could be significantly improved while preserving its mechanical properties with addition of graphene nano platelets (GNP) to monolithic TZP. In order to investigate the effect of GNPs, the composite containing the same amount of well-known nano carbon black were also prepared. To verify possible application of the composites as implants, biocompatible responses of 3Y-TZP/GNPs was clarified in comparison with 3Y-TZP an​d 3Y-TZP/NCB. Low-temperature degradation through 20 h of heat treatment at 134oC an​d 3 bar was studied to determine lifespan of the composites under humid atmosphere of human body conditions. Results showed enhancement of fracture toughness up to 37% in 3Y-TZP/GNPs composites due to the toughening mechanisms such as bridging, pull out, an​d crack deflection. Also, biocompatibility an​d negligible amount of low-temperature degradation was shown in 3Y-TZP/GNPs composites. The 3Y-TZP/GNPs composites, as a result, can be realized as adequate candidates for use in femoral ball head implants owing to their proper biocompatibility as well as a prolonged resistance against failure corroborating prominent mechanical properties compared to pure zirconia.