توصيفگر ها :
كاشتني ارتوپدي , پلاسما اسپري , هيدروكسي آپاتيت , آلياژ تيتانيوم
چكيده فارسي :
امروزه بيومواد و بيوسراميكها به دليل داشتن زيستسازگاري مناسب نسبت به ساير مواد از اهميت زيادي برخوردار هستند كه براي جايگزين بافت نرم و سخت، پيچ و صفحه شكستهبندي و تعويض مفاصل به طور گسترده در كاربردهاي مهندسي پزشكي به كار ميروند. چالشهاي موجود در كاشتنيهاي ارتوپدي منجر به توليد كاشتنيهايي كه هم از لحاظ زيستي و هم از لحاظ تريبولوژيكي رفتار مناسب داشته باشند، شده است. ايمپلنتهاي تيتانيومي به علت سبكي و مقاومت در مقابل خوردگي در محيطهاي بيولوژيكي و همچنين دانسيته نزديك به استخوان بدن، كاربردهاي پزشكي خاصي دارند. با اينوجود ايجاد پيوند بين تيتانيوم و استخوان دشوار بوده و اين مورد چالشي است كه تحقيقات زيادي نظير پوششدهي سطح آلياژ در جهت رفع آن در حال انجام ميباشد. بدين منظور در اين پژوهش هيدروكسي آپاتيت به دليل زيست فعالي و ايجاد پيوند مناسب با بافت استخوان و استخوانسازي مناسب، گزينه مناسبي براي پوششدهي بر روي زيرلايه Ti-6Al-4V است. اما هيدروكسي آپاتيت به دليل چسبندگي ناكافي بين پوشش و زيرلايه تيتانيومي، تأمينكننده دوام و پايداري مطلوب كاشتني فلزي نخواهد داشت. يكي از راههاي بهبود خواص هيدروكسي آپاتيت بهعنوان يك بيوسراميك، تهيه مواد كامپوزيتي بر پايه هيدروكسي آپاتيت است. هدف از پژوهش حاضر پوششدهي آلياژ Ti-6Al-4V با بيوسراميكهاي هيدروكسي آپاتيت-تيتانيا-آلومينا و مقايسه آن با پوشش يكجزئي هيدروكسي آپاتيت به روش پلاسما اسپري جهت كاربرد در كاشتنيهاي ارتوپدي ميباشد. بدين منظور، ابتدا پودر هيدروكسي آپاتيت –تيتانيا-آلومينا با مقادير مختلف (80، 15، 5) درصد وزني توسط فرايند آسياكاري مخلوط و همگنسازي شد و سپس پوششدهي پلاسما اسپري با پودر يكجزئي هيدروكسي آپاتيت و پودر سهجزئي بر روي زير لايه Ti-6Al-4V انجام شد. در ادامه جهت مشخصهيابي پوششها و بررسي خواص زيستي، آزمونهاي پراش پرتو ايكس، خواص زبري، ميكرو سختي، ترشوندگي، آزمون چسبندگي، آزمون زيست فعالي و سميت سلولي بررسي شد. نتايج نشان داد كه پوشش سهجزئي نسبت به پوشش يكجزئي به دليل وجود اسپليتهاي گسترده، ذرات نيمه ذوب شده و ذرات ذوب نشده كمتر، داراي مورفولوژي متراكمتر و يكنواختتري هستند. همچنين حضور آلومينا باعث كاهش نسبي زبري از 58/5 به 15/5 ميكرومتر، كاهش زاويه تماس با آب از 92/85 به 28/61 درجه، افزايش سختي از 5/278 به 2/470 ويكرز و افزايش چسبندگي از 09/1 به 95/5 مگاپاسكال شده است. همچنين نتايج آزمون زيست فعالي نشان داد كه بعد از 14 روز غوطهوري در محلول شبيهسازي بدن، يكلايه متراكم هيدروكسي آپاتيت تشكيل شد كه تأييدكننده قابليت زيست فعالي پوششهاي سهجزئي هيدروكسي آپاتيت- تيتانيا-آلومينا در مقايسه با پوشش يكجزئي بود. نتايج كشت سلولهاي 63MG پس از پنجروز نشان داد كه پوشش سهجزئي هيدروكسي آپاتيت – تيتانيا – آلومينا داراي زيستپذيري (07/85 درصد كنترل) نسبتاً بالاتري نسبت به پوشش يكجزئي هيدروكسي آپاتيت (33/80 درصد كنترل) هستند. بهطوركلي پوشش سهجزئي هيدروكسي آپاتيت –تيتانيا-آلومينا بر زيرلايه Ti-6Al-4Vباعث بهبود رفتار تريبولوژيكي و بيولوژيكي آن شد كه ميتواند براي كاشتنيهاي ارتوپدي مطلوب باشد.
چكيده انگليسي :
Today, biomaterials and bioceramics are of great importance due to their biocompatibility compared to other materials, which are widely used in medical engineering applications to replace soft and hard tissue, screws and fracture plates, and replace joints. The challenges in orthopedic implants have led to the production of implants that behave both biologically and tribologically. Titanium implants have special medical applications due to their lightness and resistance to corrosion in biological environments, as well as their density close to the bones of the body. However, it is difficult to create a bond between titanium and bone, and this is a challenge that many researches such as coating the surface of the alloy are being done to solve it. For this purpose, in this research, hydroxyapatite is a suitable option for coating on the titanium substrate due to its bioactivity and proper bonding with bone tissue and proper ossification. However, hydroxyapatite will not provide the desired durability and stability of metal implants due to insufficient adhesion between the coating and the titanium substrate. One of the ways to improve the properties of hydroxyapatite as a bioceramic is to prepare composite materials based on hydroxyapatite. This research aims to enhance the performance of orthopedic implant coatings by comparing a multi-component bioceramic coating with a traditional single-component coating. Specifically, the study examines a tri-component coating made of hydroxyapatite, titania, and alumina (HA-TiO₂-Al₂O₃) applied to Ti6Al4V alloy substrates via plasma spraying for use in orthopedic implants, alongside a conventional hydroxyapatite (HA) coating. To prepare the tri-component coating, the HA-TiO₂-Al₂O₃ powders were mixed in weight ratios of 80%, 15%, and 5% respectively, and then milled for homogenization. Both the tri-component and single-component HA coatings were applied using the plasma spray technique. The coatings were subjected to a variety of analyses, including X-ray diffraction, surface roughness evaluation, microhardness testing, wettability analysis, adhesion strength measurement, bioactivity testing, and cytotoxicity assessment. The results demonstrated that the tri-component coating had a denser structure with fewer unmelted particles compared to the single-component HA coating. The addition of alumina reduced surface roughness from 5.58 µm to 1.55 µm, decreased the water contact angle from 85.92° to 61.28°, increased hardness from 278.5 HV0.5 to 470.2 HV, and improved adhesion strength from 1.09 MPa to 5.95 MPa. Also, the results of the bioactivity test showed that after 14 days of immersion in the body simulation solution, a dense layer of hydroxyapatite was formed, which confirmed the bioactivity of hydroxyapatite-titania-alumina ternary coatings compared to the single-component coating. The results of the culture of 63MG cells after five days showed that the three-component hydroxyapatite-titania-alumina coating had relatively higher viability (85.07% of control) than the one-component hydroxyapatite coating (80.33% of control). These enhancements significantly improved the tribological and biological properties of the coatings, making them more suitable for orthopedic implant applications.