فرآيند ساختمواد شيميايي كه براي اين كار استفاده مي‌شوند عبارتند از:
ديسكهاي تيتانيوم خالص تجاري (mm 1× 18 d و Ti)، PVD Al، 12 H2O. Na3PO4، Ca(NO3). 4H2O، NaH2 PO4، NaOH. .
روش ساخت پوشش كامپوزيتي HA/Al2O3روي تيتانيوم در شكل (1) نشان داده شده است. فرآيندهاي PVD، Anodization ، Hydrothermal Treatment و Electrodeposition در زير شرح داده شده است.
رسوب‌گيري از لايه Al روي تيتانيوم از روش PVDتيتانيوم خالص تجاري به ديسكهاي كوچكي به قطر 18 ميلي متر و ضخامت 1 ميلي متر تقسيم مي‌شود. ديسكهاي تيتانيوم جلا (Polish) داده مي‌شوند و به وسيله استون و آب ديونيزه شده شسته مي‌شوند.
پس از اين كار، ديسكهاي تيتانيوم ( كه به عنوان Substrate استفاده مي‌شوند) PVD مي‌شوند. رسوب‌گيري از لايه Al به وسيله سيستم Magnetron Sputtering Ion Plating انجام مي‌شود، كه از Al كاملا خالص (%99/99) تحت شرايط 100- ولتاژ، A (Al target current)5 و 60 دقيقه با فشار Pa 4-10×66/2 ساخته مي‌شود. لايه آلومينيوم خالص با ضخامت تقريبي 5/2 ميكرو متر سرانجام روي ديسك تيتانيوم ساخته مي‌شود.
آنديزاسيون(Anodization) لايه Al روي تيتانيوم
لايه Al ايجاد شده از روشPVD روي تيتانيوم به مدت 20 دقيقه در استون شسته مي‌شود، تا سطح آن پاك شود. سپس لايه Al در 100 گرم محلول Na3PO4 در ولتاژ 80 ولت و دماي 15 درجه سانتيگراد به مدت 30 دقيقه با استفاده از سيستم الكتروليت 2 الكترودي آنديزاسيون مي‌شود، كه در آن ديسك تيتانيوم به همراه لايه Al به عنوان آند و صفحه فولاد ضدزنگ به عنوان كاتد عمل مي‌كند. فاصله بين آند و كاتد ثابت و 5/3 سانتي متر است. براي كاهش مقاومت Al2O3 آندي در طول رسوب‌گيري الكتريكي در محلول 5% اسيد فسفريك در دماي 30 درجه سانتيگراد و به مدت 40 دقيقه قرار داده مي‌شود. پس از اين فرآيند لايه خارجي Al2O3 نازكتر و بنابراين منافذ پهن تر مي‌شوند.
رسوب‌گيري الكتريكي (Electrodeposition)
الكتروليتي كه در رسوب‌گيري الكتريكي به كار مي‌رود، محلولي شامل 08/0 مول/ ليتر Ca(NO3)2 و 4/0 مول/ ليتر NaH2PO4 است. pH الكتروليت به اندازه6-5 در محلول 1/0 مول/ ليتر NaOH تعيين شده است. رسوب‌گيري الكتريكي در دانسيته هايي بين 25/0 تا 2mA/cm2 و دماي 23 درجه سلسيوس به مدت 15 دقيقه انجام مي‌شود. كاتد ديسك تيتانيوم بوده كه از Al2O3 آندي پوشيده شده و آند صفحه‌اي از جنس پلاتين است. فاصله بين آند و كاتد 3 سانتي متر است.
عمليات حرارتي در آب (Hydrothermal Treatment)
پوشش كامپوزيتي كه روي تيتانيوم ساخته شده به وسيله عمليات حرارتي در آب در دماهاي 150، 170و190 درجه سلسيوس با فشار mPa 25/1 به مدت 4 ساعت در دستگاه اتوكلاو حرارت داده مي‌شود. مواد مورد استفاده در اين مرحله، محلول آلكالين آمونيا (%28- %25در آب) و آب هستند. نمونه هاي بدست آمده به اين روش سرانجام در دماي 100 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت خشك مي‌شوند.
قدرت چسبندگي پوشش كامپوزيتي
استفاده از تركيب اپوكسي رزين و پلي آميد رزين به نسبت 1به 1، موجب افزايش قدرت چسبندگي پوشش تركيبي HA/Al2O3 مي‌شود كه با استفاده از اين تركيب به mPa 5/9 و سپس به mPa 3/21 افزايش مي‌يابد. اين مقدار مي‌تواند با پوششهاي HAروي تيتانيوم بوجود آمده از روش Plasma Spray پس از عمليات حرارتي در دماي 190 درجه سلسيوس در اتوكلاو مقايسه شود.
قدرت چسبندگي بين پوششهاي Bioactive و Substrate هاي فلزات پزشكي را مي‌توان با اتصال سطح مشترك(Interface) آنها بهبود بخشيد.
البته اندازه ريز منافذ Al2O3 آندي و كم بودن فضاي داخلي ميان كريستالهاي CDHA اثرات چسبندگي اتصال مكانيكي را ضعيف‌تر مي‌كند. بنابراين عمليات حرارتي در رسوب‌گيري الكتريكي براي ايجاد پوشش كامپوزيتي HA/ Al2O3 روي تيتانيوم براي بهبود قدرت چسبندگي و افزايش زيست سازگاري ضروري است. به عبارت ديگر، منافذ باريك و ساختار شبكه نانومتريك و بلوري كردن پوشش HA براي افزايش قدرت پوشش تركيب زيستي مفيد هستند.
پس از آنديزاسيون و انحلال شيميايي، لايه Al2O3 آندي با منافذ همسان و متحدالشكل به قطر تقريبا 1 ميكرو متر روي تيتانيوم ايجاد مي‌شود. نتايج XRD و EDS نشان مي‌دهد، پوششهاي CDHA در Al2O3 آندي روي تيتانيوم از روش رسوب‌گيري الكتريكي ايجاد مي‌شود. فرآيند كريستالي شدن مجدد ممكن است منجر به تبديل پوششهاي CDHA به CRHA در مرحله عمليات حرارتي شود. نتايج آزمايشات كشش بيان مي‌كند، كه قدرت چسبندگي پوشش كامپوزيت هيدروكسي آپاتيت/ Al2O3 ايجاد شده روي تيتانيوم از طريق استحكام اتصال بين HA و Al2O3 آندي به وسيله عمليات حرارتي در آب افزايش مي‌يابد.
ساختار Ti/HA/Al2O3 به دست آمده، زيست سازگاري و داراي خواص مكانيكي خوبي است.
ديسكهاي تيتانيوم خالص تجاري (mm 1× 18 d و Ti)، PVD Al، 12 H2O. Na3PO4، Ca(NO3). 4H2O، NaH2 PO4، NaOH. .
روش ساخت پوشش كامپوزيتي HA/Al2O3روي تيتانيوم در شكل (1) نشان داده شده است. فرآيندهاي PVD، Anodization ، Hydrothermal Treatment و Electrodeposition در زير شرح داده شده است.
رسوب‌گيري از لايه Al روي تيتانيوم از روش PVDتيتانيوم خالص تجاري به ديسكهاي كوچكي به قطر 18 ميلي متر و ضخامت 1 ميلي متر تقسيم مي‌شود. ديسكهاي تيتانيوم جلا (Polish) داده مي‌شوند و به وسيله استون و آب ديونيزه شده شسته مي‌شوند.
پس از اين كار، ديسكهاي تيتانيوم ( كه به عنوان Substrate استفاده مي‌شوند) PVD مي‌شوند. رسوب‌گيري از لايه Al به وسيله سيستم Magnetron Sputtering Ion Plating انجام مي‌شود، كه از Al كاملا خالص (%99/99) تحت شرايط 100- ولتاژ، A (Al target current)5 و 60 دقيقه با فشار Pa 4-10×66/2 ساخته مي‌شود. لايه آلومينيوم خالص با ضخامت تقريبي 5/2 ميكرو متر سرانجام روي ديسك تيتانيوم ساخته مي‌شود.
آنديزاسيون(Anodization) لايه Al روي تيتانيوم
لايه Al ايجاد شده از روشPVD روي تيتانيوم به مدت 20 دقيقه در استون شسته مي‌شود، تا سطح آن پاك شود. سپس لايه Al در 100 گرم محلول Na3PO4 در ولتاژ 80 ولت و دماي 15 درجه سانتيگراد به مدت 30 دقيقه با استفاده از سيستم الكتروليت 2 الكترودي آنديزاسيون مي‌شود، كه در آن ديسك تيتانيوم به همراه لايه Al به عنوان آند و صفحه فولاد ضدزنگ به عنوان كاتد عمل مي‌كند. فاصله بين آند و كاتد ثابت و 5/3 سانتي متر است. براي كاهش مقاومت Al2O3 آندي در طول رسوب‌گيري الكتريكي در محلول 5% اسيد فسفريك در دماي 30 درجه سانتيگراد و به مدت 40 دقيقه قرار داده مي‌شود. پس از اين فرآيند لايه خارجي Al2O3 نازكتر و بنابراين منافذ پهن تر مي‌شوند.
رسوب‌گيري الكتريكي (Electrodeposition)
الكتروليتي كه در رسوب‌گيري الكتريكي به كار مي‌رود، محلولي شامل 08/0 مول/ ليتر Ca(NO3)2 و 4/0 مول/ ليتر NaH2PO4 است. pH الكتروليت به اندازه6-5 در محلول 1/0 مول/ ليتر NaOH تعيين شده است. رسوب‌گيري الكتريكي در دانسيته هايي بين 25/0 تا 2mA/cm2 و دماي 23 درجه سلسيوس به مدت 15 دقيقه انجام مي‌شود. كاتد ديسك تيتانيوم بوده كه از Al2O3 آندي پوشيده شده و آند صفحه‌اي از جنس پلاتين است. فاصله بين آند و كاتد 3 سانتي متر است.
عمليات حرارتي در آب (Hydrothermal Treatment)
پوشش كامپوزيتي كه روي تيتانيوم ساخته شده به وسيله عمليات حرارتي در آب در دماهاي 150، 170و190 درجه سلسيوس با فشار mPa 25/1 به مدت 4 ساعت در دستگاه اتوكلاو حرارت داده مي‌شود. مواد مورد استفاده در اين مرحله، محلول آلكالين آمونيا (%28- %25در آب) و آب هستند. نمونه هاي بدست آمده به اين روش سرانجام در دماي 100 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت خشك مي‌شوند.
ساخت Al2O3 آندي با منافذ بزرگ روي تيتانيومشكل 2 مورفولوژي سطح لايه AL رسوب شده از روشPVD روي تيتانيوم و شكل 3 منحني رفتار آندي لايه AL رسوب شده از روشPVD روي تيتانيوم را نشان مي‌دهد. اين منحني نشان‌دهنده يك منحني متداول آنديزاسون آلومينيوم در ولتاژ ثابت است، كه ابتدا با كاهش سريع دانسيته همراه است. در مرحله بعد دانسيته فعلي افزايش مي‌يابد و سرانجام چگالي ثابت مي‌شود كه نشان دهنده ساخت سريع لايه Al2O3، رشد اوليه منافذ لايه Al2O3 و در نهايت توسعه بيشتر منافذ اين لايه است. پس از مرحله ساخت لايه Al2O3 منفذ دار، هيچ كاهش محسوسي در دانسيته موجود در منحني شكل3 مشاهده نمي شود، كه نشان مي‌دهد آنديزاسيون لايه AL رسوب شده از روشPVD روي تيتانيوم كامل نيست. اين نتيجه، از اين حقيقت كه لايه TiO2 آندي با مقاومت بالا موجب كاهش محسوس دانسيته موجود مي‌شود، به دست مي‌آيد.
همچنين ثابت شده كه منافذي به قطر كمتر از 300 نانو متر روي آلومينيوم خالص ساخته شده كه از الكتروليت Na3PO4 استفاده مي‌كند. براي به دست آوردن پوشش واحد HA در طول رسوب‌گيري الكتريكي، لايه آندي Al2O3 روي تيتانيوم با منافذ بزرگ و قابليت هدايت بهتر مورد نياز است. براي اين هدف تصور مي‌شود محلول شيميايي Al2O3 يوني در H3PO4 حل شدني است. هنگامي كه Al2O3 در H3PO4 فرو مي‌رود، قسمت پايين و ديواره سوراخها از لحاظ شيميايي حل مي‌شوند، بنابراين لايه Al2O3 نازك تر مي‌شود و در اين حال منافذ لايه Al2O3 پهن تر مي‌شوند. اين فرآيند در Al2O3 روي تيتانيوم به كار مي‌رود. منافذ همسان به قطر تقريباً ?m1 از Al2O3 روي تيتانيوم در شكل (4) قابل مشاهده است.
همچنين ثابت شده كه منافذي به قطر كمتر از 300 نانو متر روي آلومينيوم خالص ساخته شده كه از الكتروليت Na3PO4 استفاده مي‌كند. براي به دست آوردن پوشش واحد HA در طول رسوب‌گيري الكتريكي، لايه آندي Al2O3 روي تيتانيوم با منافذ بزرگ و قابليت هدايت بهتر مورد نياز است. براي اين هدف تصور مي‌شود محلول شيميايي Al2O3 يوني در H3PO4 حل شدني است. هنگامي كه Al2O3 در H3PO4 فرو مي‌رود، قسمت پايين و ديواره سوراخها از لحاظ شيميايي حل مي‌شوند، بنابراين لايه Al2O3 نازك تر مي‌شود و در اين حال منافذ لايه Al2O3 پهن تر مي‌شوند. اين فرآيند در Al2O3 روي تيتانيوم به كار مي‌رود. منافذ همسان به قطر تقريباً ?m1 از Al2O3 روي تيتانيوم در شكل (4) قابل مشاهده است.
اثر دماي حرارتي روي كامپوزيتها و مرفولوژي پوششهاي كامپوزيتي
در شكل 5 الگوهاي XRD، از رسوب‌گيري الكتريكي CDHA را پس از عمليات حرارتي در آب در دماهاي مختلف نمايش داده شده است. مشاهده مي‌شود، با افزايش دما، مطابق ارتفاع پيكها (قله) افزايش مي‌يابد، كه بيان مي‌كند روش عمليات حرارتي در آب موجب كريستالي شدن بيشتر پوششهاي ايجاد شده از روش رسوب‌گيري الكتريكي مي‌شود.
تصاوير SEM روش عمليات حرارتي در آب در دماهاي مختلف كه در شكل (6) نشان داده شده، بيان مي‌كند كه پوششها با افزايش دما همسان تر و متحدالشكل تر مي‌شوند. پوشش فوقاني HA به پوشش شبكه مانند نانومتريك در دماي 190 درجه سلسيوس تبديل مي‌شود. انتظار مي‌رود اين ساختار شبكه مانند بتواند استخوانهاي جديد در حال رشد را تحريك كند تا به شكل T شكل درآيند. همچنين قدرت چسبندگي پوشش بيوسراميك و Substrate را افزايش مي‌دهد.
در شكل 5 الگوهاي XRD، از رسوب‌گيري الكتريكي CDHA را پس از عمليات حرارتي در آب در دماهاي مختلف نمايش داده شده است. مشاهده مي‌شود، با افزايش دما، مطابق ارتفاع پيكها (قله) افزايش مي‌يابد، كه بيان مي‌كند روش عمليات حرارتي در آب موجب كريستالي شدن بيشتر پوششهاي ايجاد شده از روش رسوب‌گيري الكتريكي مي‌شود.
تصاوير SEM روش عمليات حرارتي در آب در دماهاي مختلف كه در شكل (6) نشان داده شده، بيان مي‌كند كه پوششها با افزايش دما همسان تر و متحدالشكل تر مي‌شوند. پوشش فوقاني HA به پوشش شبكه مانند نانومتريك در دماي 190 درجه سلسيوس تبديل مي‌شود. انتظار مي‌رود اين ساختار شبكه مانند بتواند استخوانهاي جديد در حال رشد را تحريك كند تا به شكل T شكل درآيند. همچنين قدرت چسبندگي پوشش بيوسراميك و Substrate را افزايش مي‌دهد.
قدرت چسبندگي پوشش كامپوزيتي
استفاده از تركيب اپوكسي رزين و پلي آميد رزين به نسبت 1به 1، موجب افزايش قدرت چسبندگي پوشش تركيبي HA/Al2O3 مي‌شود كه با استفاده از اين تركيب به mPa 5/9 و سپس به mPa 3/21 افزايش مي‌يابد. اين مقدار مي‌تواند با پوششهاي HAروي تيتانيوم بوجود آمده از روش Plasma Spray پس از عمليات حرارتي در دماي 190 درجه سلسيوس در اتوكلاو مقايسه شود.
قدرت چسبندگي بين پوششهاي Bioactive و Substrate هاي فلزات پزشكي را مي‌توان با اتصال سطح مشترك(Interface) آنها بهبود بخشيد.
البته اندازه ريز منافذ Al2O3 آندي و كم بودن فضاي داخلي ميان كريستالهاي CDHA اثرات چسبندگي اتصال مكانيكي را ضعيف‌تر مي‌كند. بنابراين عمليات حرارتي در رسوب‌گيري الكتريكي براي ايجاد پوشش كامپوزيتي HA/ Al2O3 روي تيتانيوم براي بهبود قدرت چسبندگي و افزايش زيست سازگاري ضروري است. به عبارت ديگر، منافذ باريك و ساختار شبكه نانومتريك و بلوري كردن پوشش HA براي افزايش قدرت پوشش تركيب زيستي مفيد هستند.
پس از آنديزاسيون و انحلال شيميايي، لايه Al2O3 آندي با منافذ همسان و متحدالشكل به قطر تقريبا 1 ميكرو متر روي تيتانيوم ايجاد مي‌شود. نتايج XRD و EDS نشان مي‌دهد، پوششهاي CDHA در Al2O3 آندي روي تيتانيوم از روش رسوب‌گيري الكتريكي ايجاد مي‌شود. فرآيند كريستالي شدن مجدد ممكن است منجر به تبديل پوششهاي CDHA به CRHA در مرحله عمليات حرارتي شود. نتايج آزمايشات كشش بيان مي‌كند، كه قدرت چسبندگي پوشش كامپوزيت هيدروكسي آپاتيت/ Al2O3 ايجاد شده روي تيتانيوم از طريق استحكام اتصال بين HA و Al2O3 آندي به وسيله عمليات حرارتي در آب افزايش مي‌يابد.
ساختار Ti/HA/Al2O3 به دست آمده، زيست سازگاري و داراي خواص مكانيكي خوبي است.
به نقل از: وبلاگ دانشجویان مهندسی متالورژی دانشگاه یزد
نظرات
ارسال یک نظر