بخشی از مقاله
چکیده: آلیاژهای نیکلتیتانیم - NiTi - به دلیل رفتار سوپرالاستیسیتهی منحصر به فرد خود و اثر حافظهداری در کاربردهای زیستپزشکی مفید می باشند. با این حال، این آلیاژها به خوردگی سطحی آسیبپذیر هستند و مسئلهی جدیتر نفوذ به خارج یونهای سمی نیکل از زیرلایه به بافتها و مایعات بدن است. از این رو، اصلاح سطح برای تولید یک مانع سطحی برای جلوگیری از نفوذ به خارج یون-های نیکل از آلیاژها لازم است. در مطالعهی حاضر تعدادی نمونه با استفاده از ترکیبی از روشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی یعنی زدایش عنصری در محلول آبی اسیدنیتریک و اکسیداسیون آندی در الکترولیت اسیدسولفوریک تحت ترمیم قرار گرفتند.
این تکنیکها میتواند یک فیلم اکسید تیتانیم سطحی نازک تهی از Ni تشکیل دهد. رفتار خوردگی پس از آن با انجام آزمونهای پلاریزاسیون و امپدانس الکتروشیمیایی در محلول رینگر ثبت و مشخص شد و با نمونهی پایه مقایسه گردید. نتایج نشان داد که نمونههای متخلخل NiTi مقاومت به خوردگی بسیار کمتری از قطعات متخلخل تیتانیم خالص نشان میدهند. با انجام عملیات زدایش عنصری مقاومت خوردگی نمونهها بهبود یافته است. همچنین اثر اکسیداسیون آندی وابسته به شرایط انجام آزمون، متفاوت بوده و در ولتاژهای بالا 20 - ولت - بهترین مقاومت به خوردگی برای قطعات به دست آمده است.
.1 مقدمه
مواد زیستی3 فلزی به دلیل دارا بودن ترکیبی از استحکام و انعطاف-پذیری در مقایسه با مواد پلیمری و سرامیکی، دستهای مهم از مواد برای ساخت کاشتنی 4ها هستند. البته فلزات مقاومت به خوردگی کمتری در مقایسه با دو دستهی دیگر دارند. فرآیند خوردگی استحکام فلزات را کاهش داده و باعث نارسایی زودرس کاشتنی میشود و نیز ممکن است اثرات مضر بر روی بافتهای اطراف را تحمیل کند. فولادهای زنگزن، آلیاژهای تیتانیم و آلیاژهای کبالت معمولا به عنوان موادزیستی استفاده میشوند. آلیاژهای حافظهدار در گروه نسبتا جدید موادزیستی فلزی قرار دارند .
[1] در این بین، آلیاژ حافظهدارNiTi 5 با دارا بودن خواص مکانیکی و سوپرالاستیسیتهی6 عالی 1] و[5-3، مقاومت به خوردگی خوب -1] [3، استحکام کششی بالا، زیستسازگاری7 بسیار عالی 2]و [6 و مقاومت بالا در برابر خستگی [3] در کاربردهای پزشکی مورد توجه قرار گرفته است. مقاومت عالی در برابر سایش به دلایل اثرات ترکیبی مدول یانگ پایین، تنش استحالهی پایین، کرنش استحالهی قابل بازیابی بزرگ و استحکام تسلیم بالا نیز مزیت دیگر آن در بدن به عنوان کاشتنی است . [7] استفاده از این ترکیب برای کاربردهای پزشکی که از حوزهی قلب و عروق تا ارتوپدی و از سیمهای ارتودنسی تا ابزارهای جراحی را فرا گرفته است؛ به طور پیوسته در طول سالهای اخیر در حال رشد بوده است .[8] در شکل 1 برخی از این کاربردها نمایش داده شده است.
علاوه بر خواص مکانیکی، ساختار سطحی ماده برای انطباق آن در کاربردهای پزشکی از اهمیت فراوانی برخوردار است. بالاخص بررسی رفتار الکتروشیمیایی و مقاومت به خوردگی بسیار ضروری است. تیتانیم و آلیاژهای آن از جمله NiTi در محلولهای آبی و در تماس با هوا واکنش داده و به سرعت یک لایهی همگن متراکم از اکسید تیتانیم روی آنها تشکیل میشود که فلز را از دسترسیهای بیشتر محافظت میکند. نیکل نجیبتر از تیتانیم است و رفتار سطحی آلیاژهای NiTi عمدتا توسط همین اکسید تیتانیم تعیین میشود. البته مقاومت به خوردگی NiTi در ارتباط با آزاد شدن نیکل از سطح آن است. نیکل عنصری آلرژیزا و سمی است که میتواند مشکلاتی را برای بافت زنده ایجاد نماید.
با توجه به اهمیت حیاتی برای هر کاربرد پزشکی NiTi، تاکید ویژهای به زیستسازگاری آن شده است که باید پرداخته شود. بنابراین روشهای ترمیم سطح برای اصلاح آلیاژها به منظور بهبود مقاومت به خوردگی و زیستسازگاری پیشنهاد شده است. مقاومت به خوردگی یک فلز بستگی شدیدی به ساختار فلز و حالت سطح دارد، به طوری که ترمیم الکتروشیمیایی مناسب سطح فلز ممکن است به طور قابل توجهی مقاومت به خوردگی آن را بهبود بخشد .[9] از آنجا که NiTi حاوی مقدار زیادی عنصر Ti است می تواند به آسانی اکسید شود. تشکیل یک مانع پایدار از اکسیدتیتانیم برای جلوگیری از این آزادی، ضروری است .[8]
کرزانسفکی8 و همکارانش در سال 2008 مناسب بودن ترمیم قلیایی در NaOH و پس از آن عملیات حرارتی در 600 درجه سانتیگراد و اکسیداسیون جرقهای را برای NiTi را مورد بررسی قرار دادند. این ترمیم باعث افزایش بسیار زیاد نیکل در لایهی بالا و کاهش مقاومت خوردگی حفرهدار شدن میشد. این نتایج باعث رد صلاحیت ترمیم به عنوان روشی مفید برای کاربردهای پزشکی شد .[7] رسی9 و همکارانش در سال 2008 ترمیم مکانیکی و شیمیایی - غوطه وری در محلولهای اسیدی و قلیایی - را مورد مطالعه قرار دادند و نتیجه گرفتند که ترمیم با اسید به نفع تشکیل لایهی غیرفعال سطح است. درحالیکه محیط قلیایی باعث تولید یک سطح ناهموار با مورفولوژی مناسب ایجاد خواهد نمود .[10]
کاواکیتا10 و همکارانش در سال 2007 در تلاش برای بهبود مقاومت به خوردگی آلیاژ حافظهدار NiTi ، فیلمهای اکسید ضخیم در سطح توسط فرآیند اکسیداسیون آندی ایجاد کردند. حداد11 و همکارانش در سال 2014 با اکسیداسیون آندی تعدادی نمونهی NiTi، یک لایهی سخت متخلخل عاری از اتمهای نیکل بر روی آنها به دست آوردندکه میتوانست برای کاربردهای بیولوژیکی استفاده شود .[12] روش پیشنهادی جدید و پیچیدهتر، ترکیبی از یک انحلال انتخابی نیکل از آلیاژ با اکسیداسیون پس از آن میباشد.
.2 مواد و روش تحقیق
در این مطالعه آلیاژ سوپرالاستیک NiTi با ترکیب 50/8 درصد اتمی نیکل استفاده شد. قطعات NiTi مورد استفاده با استفاده از روش متالورژی پودر که در مرجع شماره [4] گزارش شده است، تولید شده اند. از قطعات تیتانیم خالص متخلخل نیز به عنوان نمونه شاهد در این بررسی استفاده شده است. سطح دایرهای شکل نمونه-ها به قطر 7/9 mm با کاغذ SiC از شماره 120 تا 2500 کاملا آیینهای و جلا داده شد، سپس پولیش مکانیکی با محلول حاوی ذرات آلومینا با اندازهی 1، 0/3 و 0/05 میکرومتر به ترتیب انجام شد و به دنبال آن نمونهها در اتانول و آب مقطر التراسونیک شده و در نهایت در دمای محیط خشک شدند. پس از آمادهسازی سطحی اولیه، تعدادی از نمونه ها در آب جوش به مدت 2 ساعت تحت عملیات هیدروترمال قرار گرفتند.
به منظور انجام عملیات زدایش عنصری گروهی از نمونهها در محلول آبی اسیدنیتریک - HNO3 - یک مولار به مدت دو ساعت غوطهور شدند و سپس با آب مقطر شستشو و در دمای محیط خشک شدند. آزمونهای خوردگی در محلول رینگر که ترکیب آن در جدول 1 آمده است و در دمای محیط با استفاده از دستگاه پتانسیواستات - Ivium CompactStat - انجام شد. برای اندازهگیریهای الکتروشیمیایی یک سلول خوردگی سه الکتروده مورد استفاده قرار گرفت. نمونه، نوار پلاتین و الکترود کالومل اشباع - SCE - به ترتیب به عنوان الکترودهای نمونه کار، شمارنده و مرجع مورد استفاده قرار گرفتند. تمام پتانسیلهای ذکر شده در این مطالعه با توجه به الکترود کالومل اشباع میباشد.
ابتدا به مدت 10 ثانیه پتانسیل جریان باز اندازهگیری و ثبت شد و به دنبال آن نمودارهای پلاریزاسیون حاصل شد. اندازه گیریهای طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی - EIS - در پتانسیل مدار باز انجام شد و طیف در محدوده فرکانس 0/01 هرتز تا 100 کیلو هرتز به دست آمد. پس از منطبق کردن نقاط داده ها و منحنیها، این نمودارها و سطح نمونه برای مقاومت به خوردگی و کمیت سنجی مورد بررسی قرار گرفتند. سرعت اسکن برای اندازهگیری پلاریزاسیون پتانسیودینامیک 1 میلیولت/ثانیه بود.
