شماره مدرك :
19430
شماره راهنما :
2199 دكتري
پديد آورنده :
رضواني سيچاني، حسام
عنوان :

اصلاح سطح و مشخصه يابي ساختاري و زيستي داربست هاي Ti-6Al-4V ساخته شده به روش ذوب با پرتو الكتروني

مقطع تحصيلي :
دكتري
گرايش تحصيلي :
مهندسي مواد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1402
صفحه شمار :
دوازده، ص. 127: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
داربست هاي فلزي , آلياژ تيتانيوم , نوع و اندازه شبكه , ساخت افزايشي , ذوب با پرتو الكتروني , عملكرد مكانيكي , رفتار الكتروشيميايي , اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي , رفتار زيستي
تاريخ ورود اطلاعات :
1403/02/24
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
دانشكده :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1403/02/24
كد ايرانداك :
23024911
چكيده فارسي :
روش هاي ساخت افزايشي (AM)، به دليل قابليت ايجاد ساختارهاي هندسي پيچيده و هدفمند، به عنوان گزينه اي براي ساخت داربست هاي فلزي (در حوزه كاشتني هاي متخلخل) مد نظر قرار گرفته اند. هدف پژوهش حاضر ارزيابي داربست هاي فلزي از جنس آلياژ Ti-6Al-4V ساخته شده به روش ذوب با پرتو الكتروني (EBM) و مطالعه خواص مكانيكي و خوردگي آنها در راستاي امكان سنجي استفاده به عنوان داربست فلزي بود. بدين منظور، از داربست هايي كه با دو نوع شبكه رومبيك دودكاهدرون (RD) و الماسي (DO) با اندازه شبكه متفاوت طراحي و ساخته شده بود، استفاده شد تا اثر نوع و اندازه شبكه، به عنوان دو عامل كليدي در تعيين عملكرد داربست، بر خواص مكانيكي و خوردگي، مورد ارزيابي قرار گيرد. يافته ها مؤيد آن بود كه با انجام عمليات پردازش تكميلي اچ شيميايي مي توان انحراف هندسي داربست هاي ساخته شده از طرح واره هاي اوليه را كاهش داد. ارزيابي ريزساختاري داربست ها نشان دادكه با تغيير در اندازه شبكه به دليل تغيير در ضخامت ميله ها، حجم حوضچه مذاب دستخوش تغيير شده و به دنبال تفاوت در نرخ سرمايش حين فرايند EBM، ريزساختارهاي متفاوتي پديد مي آيد. با اين وجود ريزساختار تمامي داربست ها متشكل از فاز آلفا و بتا بود كه ريزساختاري مطلوب از ديدگاه مكانيكي براي كاشتني هاي بدن است. رفتار مكانيكي داربست هاي Ti-6Al-4V ساخته شده به روش EBM نيز نشان داد كه هر دو گروه داربست ها داراي استحكام تسليم مناسب و مدول الاستيك سازگار با استخوان هستند كه مي تواند از رخ دادن پديده سپر تنشي ممانعت به عمل آورد. نتايج بيانگر آن بود كه نوع شبكه اثر چشم گيري بر ترشوندگي ديناميكي و نفوذپذيري داربست ها به عنوان عوامل مؤثر بر رفتار زيستي داربست ها ندارد، اما با كاهش اندازه شبكه (كاهش اندازه حفره ها)، ترشوندگي ديناميكي و نفوذپذيري كاهش يافت. رفتار خوردگي داربست هاي ساخته شده در كوتاه/بلند مدت نشان داد كه صرف نظر از نوع شبكه، هر قدر اندازه شبكه داربست بزرگتر باشد، مقاومت به خوردگي بالاتر است؛ اين موضوع مي تواند از سطح در دسترس كمتر آنها نشأت گرفته باشد. داربست هاي Ti-6Al-4V ساخته شده رفتار خوردگي بلند مدت مطلوب و رهايش يون قابل قبولي از خود نشان دادند. در ادامه اين پژوهش، از روش اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي (PEO) براي اصلاح سطح داربست هاي ساخته شده استفاده شد و تأثير پوشش اكسيدي مورد بررسي قرار گرفت. يافته ها نشان داد كه با استفاده از روش PEO مي توان به توزيع يكنواختي از ريزحفره ها با اندازه قطر ميانگين 1 تا 5 ميكرومتر در سطوح خارجي و مركزي داربست دست يافت. پوشش PEO از دو لايه متراكم داخلي و متخلخل خارجي تشكيل شده و داراي ضخامتي در محدوده 4 تا 6 ميكرومتر در نواحي مختلف داربست است. تفاوت هايي از ديدگاه مورفولوژي و ضخامت پوشش در نواحي خارجي و مركزي داربست مشاهده شد به گونه اي كه در نواحي مركزي تعداد ريزحفره هاي با اندازه كم بيشتر شده و ضخامت پوشش نيز كمتر بود. اين تفاوت ها با كاهش اندازه شبكه داربست ها مشهودتر شد. ارزيابي هاي فازي نشان داد كه داربست ها متشكل از فازهاي اكسيد تيتانيوم در شكل روتيل و آناتاز بوده و نوع و اندازه شبكه بر آن تأثيري نداشته است. تغيير توپوگرافي و مورفولوژي سطح و ايجاد پوشش هاي دو لايه متراكم و متخلخل به واسطه پوشش دهي با PEO سبب بهبود رفتار الكتروشيميايي، زيست فعالي، زيست سازگاري، چسبندگي و تكثير سلولي در داربست ها گرديد.
چكيده انگليسي :
Additive manufacturing (AM) techniques, owing to their capability to fabricate complex and purposeful geometrical structures, have garnered attentions as a viable option for fabricating metal scaffolds (in the realm of porous implants). This study aimed to eva‎luate the performance of porous Ti-6Al-4V structures fabricated using electron beam powder bed fusion (EB-PBF or EBM) from both mechanical and corrosion behavior perspectives, with the goal of assessing their potential as metal scaffolds. To do so, two different lattice structures, namely Rhombic Dodecahedron (RD) and Diamond (DO), were designed and fabricated. The goal was to assess the effects of cell type and cell size, considered as two key factors in determining scaffold performance, on both mechanical and corrosion performance of the EB-PBF Ti-6Al-4V scaffolds. The findings revealed that the geometrical deviation of the scaffolds from the designed CAD models decreased after post-processing chemical etching. The microstructural eva‎luation of the scaffolds indicated that, regardless of the cell type, different microstructures emerged with changes in the cell size of the scaffolds. This phenomenon can be attributed to alterations in the strut thickness, leading to changes in the molten pool volume and subsequently, differences in cooling rates during the EBM process. However, all scaffolds exhibited a dual α/β phase microstructure, which is desirable from a mechanical standpoint for bone implants. The mechanical behavior of Ti-6Al-4V scaffolds fabricated via EBM demonstrated that both scaffold groups displayed adequate yield strength and elastic modulus compatible with bone, potentially mitigating stress shielding. Results indicated that cell type had no significant effect on dynamic wettability and permeability of scaffolds, as influential factors affecting the scaffold's biological behavior. on biological behavior of scaffold, However, a reduction in cell size, corresponding to a decrease in pore size, resulted in decreased dynamic wettability and permeability. The short and long-term corrosion behavior of the fabricated scaffolds indicated that regardless of cell type, the larger the cell size, the higher the corrosion resistance, possibly stemming from their reduced available surface area. The fabricated Ti-6Al-4V scaffolds showed favorable long-term corrosion behavior and acceptable ion release. In another stage of the present study, plasma electrolytic oxidation (PEO) was employed to surface modification of the fabricated scaffolds. The effects of the resulting oxide layer on the corrosion and biological performance of the EB-PBF Ti-6Al-4V scaffolds were investigated. The findings demonstrated that employing the PEO method enables the attainment of a a uniform distribution of micro-pores with an average diameter of 1-5 μm on both the external and internal surfaces of the scaffolds. The PEO coating consisted of a compact inner layer and a porous outer layer, with thicknesses varying from 4-6 μm in different regions of the scaffolds. The differences in morphology and coating thickness were observed between the external and internal zones of the scaffolds. In the internal zones, an increase in the number of micro-pores with smaller size was observed, accompanied by a decrease in the thickness of the oxide coating. These differences became more pronounced with the reduction of the cell size. Phase eva‎luations revealed that the scaffolds consisted of titanium oxide phases in the forms of rutile and anatase, unaffected by cell type and cell size. The PEO-modified EB-PBF Ti-6Al-4V scaffolds demonstrated improved electrochemical behavior, bioactivity, biocompatibility, adhesion, and cell proliferation compared to non-modified ones. This improvement can be attributed to alterations in the surface topography and morphology of the scaffolds, as well as the formation of dense and porous double-layer coatings through the PEO method.
استاد راهنما :
فخرالدين اشرفي زاده , مسعود عطاپور
استاد مشاور :
عبدالله صبوري
استاد داور :
مهران نحوي , عبدالمجيد اسلامي , مهدي ابراهيميان حسين آبادي
لينک به اين مدرک :

بازگشت