توصيفگر ها :
Ti6Al4V , CAE-PVD , پوشش چندلايه , CrN/TiN , CrN/ZrN , آزمون امپدانس الكتروشيميايي , سلول هاي مزانشيم
چكيده فارسي :
مقاومت پايين آلياژهاي تيتانيوم به سايش و خراش باعث تضعيف عملكردشان در كاربردهاي ارتوپدي و دنداني ميشود. چندين دهه است كه پوششهاي نانو ساختار نيتريدي به دليل زيست¬سازگاري، زيست¬فعالي، سختي، مقاومت به خوردگي و مقاومت به خراش بالا، بسيار مورد توجه قرارگرفتهاند. در اين پژوهش، پوششهاي نانومقياس چندلايه CrN/TiN وCrN/ZrN به همراه دو پوشش تك-لايه TiN و ZrN در ضخامت يكسان با روش CAE-PVD روي زيرلايه Ti6Al4V اعمال شدند. مشخصات فيزيكي-شيميايي آنها با استفاده از آناليزهاي FE-SEM، EDS و XRD مورد ارزيابي قرار گرفت. همچنين توپوگرافي سطح و ترشوندگي آن¬ها نيز مورد مطالعه قرار گرفت. سختي و استحكام چسبندگي پوششها با استفاده از سختي¬سنجي نوپ و آزمون خراش بررسي شد. توانايي سطح پوششها براي تشكيل آپاتيت حين غوطهوري 14 روزه نمونهها در محلول SBF از طريق آزمونهاي SEM، EDS، FT-IR، ICP و XRD سنجيده شد. مقاومت به خوردگي پوششها با آناليز امپدانس الكتروشيميايي طي يك دوره غوطهوري 28 روزه در محلول SBF بررسي شد. همچنين تركيب سطح نمونهها بعد از يك دوره 30 روزه غوطهوري در محلول PBS با آزمون XPS مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به نتايج، مشخص شد كه پوششهاي چندلايه نسبت به زيرلايه بدون پوشش و پوشش داده شده با فيلم¬هاي تك¬لايه، سختي و مقاومت به خراش بالاتري دارند. در اين بررسي، كندگي پوشش چندلايه CrN/TiN در بار بحراني برابر 39.6 نيوتن و پوشش CrN/ZrN در باري برابر39.3 نيوتن رخ داد. درحاليكه اين مقادير براي پوششهاي تك¬لايه TiN و ZrN به ترتيب بارهاي 22.1و 23.9 نيوتن بود. ارزيابي زيست فعالي نمونهها نشان داد كه همه پوششها جزء مواد زيست فعال دستهبندي ميشوند چراكه سطح آنها بعد از 14 روز غوطهوري، بهطور كامل با رسوبات آپاتيت پوشيده شده بود. ارزيابي ميزان مقاومت به خوردگي نمونهها نشان داد كه مورفولوژي سطح و ريزساختار پوشش در ميزان مقاومت آن به خوردگي بسيار مؤثر است. به همين علت هم بالاترين ميزان مقاومت به خوردگي حين 28 روز غوطهوري در SBF براي پوشش CrN/ZrN با مقاومت پلاريزاسيون برابر با 〖Ω.cm〗^2 2.02×10^6 ثبت شد. ارزيابي سازگاري سلولي با استفاده از كاشت مستقيم سلولهاي بنيادي مزانشيمي مشتق شده از مغز استخوان روي سطح نمونهها انجام شد. نتايج حاصل از آناليز هيچ تفاوت معناداري را در ميزان فعاليت متابوليكي و مورفولوژي سلولها روي سطح نمونههاي پوششدار نشان نداد. ميزان اثر آنتي¬باكتريال نمونهها در برابر باكتري استوفيلوكوك اورئوس مقاوم به متي¬سيلين مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج، مؤيد كاهش فعاليت متابوليكي باكتريها در حدود 44% و 56% به ترتيب روي سطح پوششهاي CrN/TiN و CrN/ZrN در مقايسه با نمونه Ti6Al4V بدون پوشش بهعنوان نمونه كنترل بود. علاوه بر آن شمارش واحد تشكيل¬دهنده كلوني(CFU) روي سطح پوششهاي CrN/TiN و CrN/ZrN به ترتيب كاهشي در حدود 2Log و 1Log را نسبت به نمونه كنترل نشان داد.
چكيده انگليسي :
The poor resistance of Titanium alloys to friction, wear and scratch adversely affects their performance as orthopedic and dental implants. Nanostructured nitride-based PVD coatings have attracted much attention in biomedical applications for several decades because of their good biocompatibility, bioactivity, high hardness, anti-wear and anti-corrosion characteristics. In this study, the same thickness of TiN and ZrN single layer and CrN/TiN and CrN/ZrN nanostructured multilayer thin films were applied on a Ti6Al4V substrate by means of cathodic arc PVD technique. The physical-chemical characterization of the coatings was conducted using FE-SEM, EDS, and XRD analyses. Their surface topography and wettability were measured. In addition, the hardness and adhesion strength were evaluated by means of Knoop microhardness and scratch tests, respectively. Also, the apatite-forming ability of the coatings was investigated through SEM, EDS, FTIR, ICP and XRD through a 14 days immersion period in SBF. The corrosion performance of the coatings was studied using PDP and EIS assessments in SBF solution during 28 days immersion period. The surface chemical composition analysis, via X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) after a 30-day exposure to Phosphate-Buffered Saline (PBS), was studied. According to the findings, the multilayer coatings have higher hardness and scratch resistance than single layers. The coating delamination tacked place in Lc equal 39.6 (N) and 39.3 (N) for CrN/TiN and CrN/ZrN coatings, respectively. While these amount were 22.1 and 23.9 N for TiN and ZrN single-layer respectively. As a results of bioactivity assessment all surfaces could be categorize as bioactive materials why so their surface was completely covered with hydroxyapatite deposits after 14 days of immersion. evaluation of corrosion resistance of coatings showed that, the surface morphology and microstructure of coatings are 2 effective parameters in their corrosion resistance. For this reason the highest amount of corrosion resistance during 28 days immersion period was obtained for CrN/ZrN coatings with the polarization resistance (Rp) equal to2.02×10^6 〖Ω.cm〗^2. Direct cytocompatibility assessments were conducted with bone marrow mesenchymal stem cells (hMSC). No significant differences in metabolic activity and cell morphology were evidenced between the single-layer and multilayer coatings. The Antibacterial efficacy tests against Methicillin-resistant Staphylococcus aureus were assessed. The results demonstrated a significant reduction in bacterial metabolic activity by 44% and 56% for CrN/TiN and CrN/ZrN, respectively, compared to the uncoated control. Furthermore, bacterial colony-forming unit (CFU) counts indicated a 2 log and 1 log reduction for CrN/TiN and CrN/ZrN, respectively, relative to the control.