بخشی از مقاله
اصلاح سطح کاشتنی هاي آلیاژ تیتانیوم 6Al4V-ELI به روش اکسیداسیون با جرقه میکرو
چکیده :
تیتانیوم و آلیاژهایش، علیرغم داشتن خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مناسب جهـت سـاخت انـواع کاشـتنیهاي مورد نیاز درمان بیماران، با سطح اصلاح نشده از خاصیت بیواکتیویته کـافی برخـوردار نمـیباشـند؛ بـه منظـور بهبـود خـواص بیواَکتیویته کاشتنی ها از فرآیندهاي 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 روشـهاي مختلـف اصـلاح سـطح مـی باشـد. روش اکسیداسیون آندي پلاسما یا میکرو جرقه (MAO) جهت اصلاح سطح استفاده شده است. در فرآیند اکسیداسیون آندي پلاسما یا میکرو جرقه بسته به متغیرهایی نظیر محلول الکترولیت، ولتاژ و زمان می توانیم پوششـی بـا ضـخامت و تخلخلهـاي متنـوع داشته باشیم.تخلخلهاي ایجاد شده در این فرآیند با اندازه متوسط 10 میکرون، توزیعنسبتاً مناسب با عمق بالا در حـد 50 تـا 100میکرون 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 هاي مهم مواد زیست فعال، تشـکیل سـریع لایـه هیدروکسـی کربنـات آپاتیت بر روي 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
-1 مقدمه
تیتــانیوم و تعــدادي از آلیاژهــاي آن بطــور گســترده اي در ساخت وسایل پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است، بـویژه بعنوان جـایگزین هـاي بافـت سـخت در کاربردهـاي قلبـی، قلبی- عروقی اُرتوپديو. دلیل استفاده گسترده آن، خـواص مطلــوب آنهــا از قبیــل مــدول الاستیســیتهنســبتاً پــایین، استحکام خستگی خوب، قابلیت شکل پذیري نسـبتاً خـوب، قابلیت ماشین کاري، مقاومت خوردگی و زیسـت سـازگاري می باشد.[1] تخلخل کافی در سطح منجر بـه انتقـال مـواد مغـذي و متـابولیکی، کنتـرل عملکـرد بیولـوژیکی و تکثیـر سلول ها می گردد .[2] امروزه کاربرد تیتـانیوم و آلیاژهـاي آن با سـطح اصـلاح شـده کـه از خاصـیت بیواکتیـو کـافی برخوردار است، جهت ساخت انواع کاشتنی هاي مـورد نیـاز در درمان بیمـاران رو بـه افـزایش اسـت. بـه منظـور بهبـود خـواص بیواکتیـویتی از فرآینـدهاي مختلـف اصـلاح سـطح (تغییر و تبدیل) استفاده می شـود. در کاربردهـاي پزشـکی، ترکیــب شــیمیایی ســطح، یکــی از عوامـل تعیــین کننــده بیواکتیویته است. چرا که سطح بیومواد، در تماس مسـتقیم با محـیط فیزیولوژیـک و بافتهـاي بیولوژیـک قـرار خواهنـد داشت.[3]
فرآیندهاي سطحی مختلفی براي اصـلاح سـطح تیتـانیوم و آلیاژهــایش بکــار مــی رود کــه شــامل فرآینــدهاي اصــلاح
مکــانیکی، فرآینــد اســپري حرارتــی، فرآینــدس ــل- ژل، فرآینــدهاي 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 تکنیکهـاي مختلف اصلاح سطح مناسب، بهتر شود.[2]
در فرآینــدهاي رایــج اکسیداســیون الکتروشــیمیایی کــه از ولتاژهاي زیر 100 ولت استفاده می شـود مقاومـت اکسـید منجر به کاهش سرعت اکسیداسیون و توقف آن می گـردد. لکن اگر فرآیند آنودایزینگ در ولتاژهاي بـالاتر از حـد 100 ولت انجام شود، اکسید، مقاومـت کـافی بـراي جلـوگیري از جریان جاري بعدي 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 هـاي اکسـیدي غیـر یکنواخت و با تخلخل بیشتر منجر می شود.[4]
روش ساده تعیین پتانسـیل اتصـال کاشـتنی بـا اسـتخوان، غوطه وري این مـواد، در محلـول شـبیه سـازي شـده بـدن (SBF) می باشد. جهت رشـد اسـتخوان در محـیط In vivo تشکیل لایه فسفات کلسیم، بر روي سـطح مـاده اسـت کـه معمولا آپاتیت شبه استخوان نامیده می شـود. ایـن آپاتیـت شبه استخوان، که بعنوان پروتئینهاي سیگنالی فعال به نظـر می رسند و سلولهاي آماده به واکنشهاي آبشاري هستند که نتیجه آن تشکیل لایه استخوانی می گـردد کـه لایـه هـاي سطحی با تکنیک هایی نظیر SEM، XRD ، XPS ، AFM ، Raman Spectroscopy ، Ellipsometry مورد مطالعه قرار می گیرند.[5]
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. پوششـهاي با کیفیت بالا مـی توانـد بـا اسـتفاده از پارامترهـاي رسـوب نشانی مناسب تهیه شـود.[5] بعـلاوه، فرآینـد MAO بـراي ایجاد زیرکار متنوع با هندسه پیچیده بسیار مناسـب اسـت.
پوششهاي اکسیداسیون با جرقه میکـرو، اغلـب چسـبندگی خوبی به زمینه نشان می دهند. بنـابر گزارشـات موجـود در منابع، پوششهاي بر پایه اکسید تیتانیوم، شامل Ca , P .Ti و آلیاژهــاي آنهــا فرآینــد اکسیداســیون بــا جرقــه میکــرو در الکترولیت هـاي محتـوي اسـتات کلسـیم (CA) ، گلیسـرو فسفات کلسیم (Ca-GP)، یا فسفات دي هیدروژن کلسیم و غیره بدست آمده است.[6]
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 روي سطح تشکیل می شود. یون سدیم، لایـه سطحی از گروههاي را در روي سطح ایجاد کـرده و فعالیت یونی باعث تشکیل آپاتیت در محلول SBF می شود.
حضور گروههاي Ti-OH موجب شتاب بخشیدن بـه هسـته سازي آپاتیت می شوند.[10]
-2 آماده سازي و روش ساخت
-1-2 مشخصات و آماده سازي نمونه ها :
جهت افزایش قدرت اتصال کاشتنی هاي ارتوپدي و دنـدانی به بافت استخوانی اطراف، می توان سطح را اصلاح شیمیایی فیزیکی نمود. درهرصورت، هدف ایجاد سـطحی بـا تعـداد تخلخل هاي بالا ولکن تا حد امکان ریز است تا سـطح ویـژه تماس بافت و کاشتنی افزایش یافتـه و درنتیجـه سـینیتیک نفوذ یونهاي کلسیم و فسفات به داخل بافت تقویت گردیده اتصال قویتري بین کاشتنی تیتانیومی با بافـت اسـتخوانی ایجاد کند.
ابتدا صفحات آلیاژ تیتانیوم 6Al4V_ELI به ابعاد 20×10×2 میلیمتر مکعـب توسـط کاغـذهاي سـنباده پـولیش شـدند، سپس براي تهیه محلول %10) HF وزنـی) و 15) HNo3 درصد وزنی)، مقدار 10 میلی لیتـر HF و 15 میلـی لیتـر HNo3 را بـا هـم مخلـوط کـرده و در 75 میلـی لیتـر آب مقطر، رقیق می کنیم. نمونه هاي پولیش شده بـه مـدت 2 دقیقه در محلول غوطه ور می شـوند. در نهایـت، نمونـه هـا توسط استون به صورت التراسوند و آب مقطر شسته شـده و در دماي 40 درجه سانتیگراد، خشک شدند.[7]
-2-2 فرآیند آندایزینگ میکرو جرقه :
مواد اولیه مورد نیاز از شرکتم رك تهیه گردیـد. صـفحات تیتانیومی آماده سازي 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 : 300 تـا 550 ولـت، 600 هرتـز و 1/5 تـا 30 دقیقـه بودنـد. دمـاي الکترولیــت، در 40 درجــه ســانتیگراد، توســط سیســتم سرمایشی ، نگاه داشته شد.[8]
-1-2-2 روش ساخت محلول الکترولیت : MAO
ابتدا 1/5 لیتر آب دیونیزه را در یک بشر 2 لیتـري ریختـه و همزن مغناطیسی را داخل محلول قـرار مـی دهـیم. سـپس براي 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 14 باشد. تنظیم نهـایی pHمحلول با اضافه نمودن هیدروکسید سدیم 2 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 بهکُندي انجام پـذیر اسـت، محلول می بایست حداقل به مدت 24 ساعت توسـط همـزن مغناطیسی همزده شود و به منظور موازنه شـدن، محلـول را حداقل یک هفته در دماي اتاق قرار می دهیم.[10-13]
پس از آماده سازي محلـول، جهـت انجـام فرآینـد MAO از یک بشر 2 لیتري و تجهیزات آند و کاتـد و سیسـتم خنـک کننده حمام الکترولیت، استفاده می گردد. بـدلیل اینکـه در این سیستم، دماي پلاسماي ایجاد شده به 6000 تا 10000
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 40 تا 50 درجه سانتیگراد نگه می داریم. در طول فرآیند MAO آمپر جریان عبوري، 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.
-3-2 آنالیز توسط پراش اشعه ایکس : (XRD )
ترکیب شیمیایی سطح پوشش هاي ایجـاد شـده بـا فرآینـد MAO برروي آلیاژ تیتـانیوم 6Al4V_ELI بـه روش پـراش اشعه ایکس شناسایی می شود. محدوده زوایاي مورد مطالعه 2θ 5 −80 درجه بود.
-4-2 بررسی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی : (SEM)
سطح پوشش هاي ایجاد شده با فرآیند MAO بـرروي آلیـاژ تیتانیوم 6Al4V_ELI توسط میکروسکوپ الکترونی روبشـی مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی مورفولوژي، انـدازه و میزان تخلخلهاي بدست آمده و ضخامت لایـه زیسـت فعـال ایجاد شده برروي سطح تیتانیوم، از میکروسـکوپ الکترونـی روبشی مدل TESCAN ساخت شرکت VEGA استفاده شد
-3 نتایج
-1-3 بررسی مورفولوژي سطح نمونه هاي حاصل از فرآینـد اکسیداسیون میکرو جرقه : (MAO )
مورفولوژي سطح پوشش هاي ایجاد شده بـا فرآینـد MOA برروي زیر کار آلیـاژ تیتـانیوم 6Al4V_ELI در شـکل1 و 2
نشان داده شده اند. دو نمونه دراعمال ولتـاژ 450 ولـت، در زمانهــاي 10 و 20 دقیقــه مقایســه مــی گردنــد. در ســطح متخلخل پوشش MAO حفـرات در حـدود 5 میکرومتـر بـا عمقنسبتاً بالا (در مقایسه با 5 میکرومتر) حضور دارنـد. در بزرگنمایی بالاتر، عمق حفرات سـطح پوشـش MAO قابـل لمس تر است. بـدین ترتیـب پوشـشMAO ، سـطح زبـر و متخلخلی حاوي تعداد کثیـري ریـز پولـک، در حـدود 100 نانومتر می باشد. (شکل1و2 ، الف تا د). ضخامت پوششـهاي MAO همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، بسته به مدت زمانا عمال ولتاژ، افـزایش مـی یابـد. بطوریکـه در مدت زمان 10 دقیقـه در حـدود 32 میکرومتـر و در مـدت زمان 20 دقیقه در حدود50 میکرومتر می باشد. یکنـواختی توزیع تخلخلهـاي حاصـل شـده در مـدت زمـان 20 دقیقـه بیشتر از تخلخلهاي حاصل شده در مـدت زمـان 10 دقیقـه می باشد.
شکل: 3 تصاویر SEM از مورفولـوژي سـطح پوشـش ایجـاد شده در فرآیند اکسیداسیون میکرو جرقه بـرروي زیـر کـار آلیاژ تیتانیوم 6Al4V_ELI با ولتاژا عمالی 450 ولت
شکل : 4 آنالیز EDXS (تشخیص عناصر بر اسـاس اخـتلاف انرژي آنها) از لایه سطحی در فرآینـد اکسیداسـیون میکـرو جرقه سطح آلیاژ تیتانیوم با بکارگیري ولتـاژ 450 ولـت، در زمان نگهداري 10 دقیقه
