بخشی از مقاله
چکیده
با گذشت زمان، آمار بیماریهای مفاصل به ویژه مفصل زانو، به عنوان بزرگترین و قویترین مفصل بدن انسان، که بیشترین فشارها در فعالیتهای روزانه به آن وارد می شود، افزایش یافته است . انواع بیو مواد فلزی برای بهبود بیماری های مفاصل استفاده میشود . آلیاژهای تیتانیوم به ویژه آلیاژ Ti6Al4V مقاومت خوردگی بالا، زیست سازگاری عالی و بیشترین نسبت استحکام به وزن را در بین بیو مواد فلزی دارد. علی رغم خواص مطلوب گفته شده، این آلیاژ، خواص تریبولوژیکی ضعیفی دارد . به منظور برطرف کردن این محدودیت، آلیاژ Ti6Al4V از طریق ایجاد پوشش اکسید گرافن به روش الکتروفورتیک بر روی سطح آلیاژ می باشد . در این راستا، اکسید گرافن برای افزایش مقاومت در برابر سایش و کاهش ضریب اصطکاک با استفاده از روش پوشش دهی الکتروفورتیک روی آلیاژ Ti6Al4V استفاده شد. زیست سازگاری مناسب و خاصیت روانکاری این ماده و مقاومت شیمیایی بالا و قابلیت پوشش آسان بر روی سطح از ویژگی های مطلوب برای رفتار تریبولوژیکی مناسب گرافن است . به منظور ارزیابی خواص میکروساختاری، فازی، فیزیکی وخواص بیولوژیکی پوشش از آزمون پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، تست ترشوندگی استفاده می شود. نتایج حاکی ایجاد پوشش و افزایش زبری و افزایش خاصیت آبدوستی نمونه ها می باشد.
واژههای کلیدی: آلیاژTi6Al4V ، اکسید گرافن، الکتروفورتیک.
ٌ -مقدمه
زانو، بزرگترین و قویترین مفصل بدن است که از بقیه مفاصل بدن ، بیشتر در معرض بیماریهای مختلف میباشد. درد زانو به خصوص به دلایلی چون پوکی استخوان، آرتروز و تروما یک شکایت عمده در میان بسیاری از افراد جامعه است و عوامل مختلفی در ایجاد آن دخالت دارند. ]ٌ.[ درمان آسیب های زانو بسیار متفاوت می باشد و شامل درمان های دارویی تا جراحی مفصل می شود. آمار ترخیص بیمارستان ملی آمریکا، نشان می دهد که تعداد جراحی های تعویض کلی مفصل زانو برای افراد ُِسال به بالا، از سال ًًًٍتا ًًٌٍ میلادی - ٌٌسال - ، حدود ٍ/ِ میلیون بوده است که بیشتر آن ها
خانم ها بودهاند. همچنین نرخ رشد َّْ درصدی برای این جراحی تا سال ًًٍَ پیش بینی می شود. این آمار، نشان می دهد که توجه به موضوع آسیب شناسی و درمان مفصل زانو رو به افزایش است، در نتیجه انتخاب مواد مصنوعی بر مبنای خواص مکانیکی و فیزیکی بافت طبیعی بسیار مهم می باشد ]ٍ.[ به طور کلی، انواع گسترده ای از فلزات، سرامیک ها و پلیمرها در شکست های استخوانی مورد استفاده قرار می گیرند. خواص مکانیکی عالی ازجمله استحکام خستگی و کششی و چقرمگی بالا، مهم ترین دلیل کاربرد گسترده بیومواد فلزی در زمینه شکست استخوان و محل های تحت بارگذاری دینامیکی دارند .
در میان فلزات و آلیاژهای مرسوم، تیتانیوم و آلیاژهای آن، آلیاژهای کبالت- کروم و فولاد زنگ نزن ٌَّ کم کربن برای کاشتنیهای جراحی و ارتوپدی مورد استفاده قرار میگیرند ]َ.[ از بین این فلزات، آلیاژهای تیتانیم - به ویژه آلیاژ - Ti6Al4V بیشترین زیست سازگاری و مقاومت به خوردگی به دلیل اکسید نازک سطحی، خواص بیولوژیکی خیلی خوب و بیشترین نسبت استحکام به وزن را دارد . تیتانیم یک ماده آلوتروپیک است و تا دمای ٍََ درجه سانتی گراد به شکل آلفا تیتانیم با ساختار بلوری هگزاگونال فشرده وجود دارد و اگر دما بالاتر رود به صورت بتا تیتانیم با ساختار مکعبی مرکزدار درمی آید. آلیاژهای با ساختار آلفا و بتا قو ی تر و شکل رپذی می باشند. آلیاژ مذکور یک آلیاژ دوفازی آلفا-بتا می باشد. با جود خواص بسیار مناسب، به دلیل حساسیت به شکست ناشی از ضریب اصطکاک ناپایدار و بالا، نیروی سایشی شد دی و حساسیت به سایش همراه با حرکت، خواص تر یبولوژ یکی ضعیفی دارد ]ُ .[ امروزه انواع عملیات سطحی و پوششدهی و استفاده از روانکارها برای بهبود خواص تریبولوژیکی مفاصل مصنوعی ساخته شده از تیتانیم توسعه یافته است ]ِ.[
از جمله موادی که به عنوان پوشش مورد استفاده قرار می گیرد، اکسید گرافن می باشد . به دلیل خواص و ویژگی های برجسته، این ماده به عنوان یکی از کانون های توجه در جامعه علمی مطرح شد. گرافن یک صفحه کربنی دو بعدی لانه زنبوری با ضخامتی در حدود یک اتم است که می توان آن را به عنوان نازک ترین ماده جهان در نظر گرفت . گرافن دارای خواص منحصر به فرد فیزیکی و شیمیایی است. یکی از این ویژگی ها، استحکام ذاتی آن است که به دلیل وجود پیوندهای قوی کربن با طول پیوندی ٌٍُ/ً نانومتر می-باشد و آن را به عنوان مقاوم ترین ماده با ضر یب کشسانی یک تراپاسکال و استحکام کششی 1در حدود صد و سی گیگاپاسکال که صد برابر فولاد است، معرفی می کند. گرافن علاوه بر استحکام ذاتی، سطح ویژه بالایی نیز دارد، به طوری که تک لایه گرافن با وزن کم تر از یک گرم میتواند تمام یک زمین فوتبال را پوشش دهد ]ّ.[ از بین روشهای پوشش دهی، روش رسوب دهی الکتروفورتیک - EPD - 2 با طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی و جدید برای ایجاد پوشش-های سرامیکی، فلزی یا حتی پلیمری توجه محققین بسیاری را به خود جلب کرده و پژوهش های بسیاری روی آن انجام گرفته است .
روش رسوب دهی الکتروفورتیک - EPD - ، یک روش مناسب برای رسوب انواع گوناگونی از پلیمرها و سرامیک ها و به طور خاص برای مشتقات گرافن، بر روی سطح فلزات می باشد . این روش برای اولین بار در سال ًٌََ توسط دانشمند روسی بنام رووس 3 با مشاهده جنبش ذرات رس درون آب ناشی از یک میدان الکتریکی شناخته شد ]ْ.[ در پوشش دهی به روش الکتروفورتیک ذرات باردار پراکنده و معلق در یک محیط مایع تحت اثر وجود جریان الکتریکی مستقیم بر روی سطح رسانایی با بار مخالف جذب می شوند. روش الکتروفورتیک با طیف گستردهای از کاربردهای صنعتی و جدید برای ایجاد پوشش - های سرامیکی، فلزی یا حتی پلیمری توجه محققین بسیاری را به خود جلب کرده و پژوهش های بسیاری روی آن انجام گرفته است . از دلایل این امر می توان به آسان بودن فرایند، قابل کنترل بودن ضخامت پوشش از ٌ تا ًًِ میکرون، امکانات کم هزینه، اعمال پوشش بر روی شکل های پیچیده یا زیرلایه های متخلخل، خلوص بالای پوشش اعمالی، دمای پای ین فرایند و همگن بودن اشاره کرد]َ.[
ٍ -مواد و روش تحقیق
ٍ-ٌ-مواد
در این پژوهش از اکسید گرافن و ٍ-پروپانول به عنوان حلال آن استفاده شده است.
ٍ-ٍ- ساخت سوسپانسیون برای سل الکتروفورتیک
برای سوسپانسیون مورد استفاده، محلول ِ؟ً گرم بر لیتر اکسید گرافن را در حلال ٍ-پروپانول با pH=2.5 تهیه می کنیم. و به منظور همگن سازی محلول مورد نظر به مدت ٍ ساعت آلتراسونیک کردیم.
َ-ٍ- مشخصه یابی پوشش اکسید گرافن به منظور فازیابی ، آزمون پراش پرتو ایکس انجام شد. الگوهای پراش پرتو ایکس، با استفاده از لامپ CuK با طول موج nm ٌُِ/ً λ= در ًُ کیلو ولت و ًَ میلیآمپر انجامگرفت. مورفولوژی پوشش توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - بررسی شد . آزمون تر شوندگی به منظور بررسی مقایسه رفتار ترشوندگی نمونه بدون پوشش و نمونه پوشش داده شده توسط اکسید گرافن انج ام شد . اندازه گیری زبری سطح برای بررس تاثیر زبری بر رفتار تر شوندگی انجام شد.
ٌ -نتایج و بحث
َ-ٌ- بررسی مورفولوژی پوشش اکسید گرافن
در شکل ٌ تصاویر SEM پوشش ایجاد شده به روش الکتروفورتیک در ولتاژ ًّ ولت و زمان ًٌ دقیقه مشاهده می شود. سل مورد استفاده برای الکتروفورتیک، شامل سوسپانسیون تهیه شده، فولاد زنگ نزن به عنوان آند و آلیاژ Ti6Al4V به عنوان کاتد بود. محلول و زمان ها - ِ و ًٌ دقیقه - و ولتاژه ای ًّ ولت برای ایجاد پوشش تست شد. نتایج حاصل برای محلول ًَ-ًٍ درصد - ًَ درصد ٍپروپانول و ًٍ درصد آب دوبار تقطیر - و محلول ٍ پروپانول مقایسه شدند. شکل ٌ تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - پوشش اکسید گرافن بر سطح آلیاژ :Ti6Al4V الف - بزرگنمایی ًٍِ و ب - بزرگنمایی ًًًٌ. شکل ٍ، الگو پراش پرتو ایکس زیر لایه بدون پوشش و با پوشش اکسید گرافن را نشان می دهد . پیک ایجاد شده در زاویه ٍ؟ٌٌ درجه مربوط به فاز اکسید گرافن می باشد .>9@
