توصيفگر ها :
ايمپلنت زانو , آلياژكبالت-كروم , سايش , نيتريد زيركونيوم , آنتروپي بالا , رسوب فيزيكي از فاز بخار
چكيده فارسي :
در اين پژوهش به بررسي و بهبود خواص سطحي ايمپلنتهاي زانو با هدف كاهش سايش، خوردگي و رهايش يونهاي فلزي پرداخته شده است. درسال هاي اخير، با افزايش ميانگين سني جمعيت، بروزمشكلات زانو درافراد به طورقابل توجهي افزايش يافته است به گونهاي كه منجر به استفاده از ايمپلنت زانو شده است. ايمپلنت هايي كه امروزه بيشتر استفاده ميشوند ازجنس فولادهاي زنگنزن، آلياژهاي كبالت-كروم-موليبدن و آلياژهاي تيتانيوم هستند. از بين اين آلياژها، ايمپلنتهاي زانو در حال حاضر معمولاً از آلياژهاي كبالت-كروم ساخته ميشوند. استفاده از ايمپلنتهاي زانو عموما همراه با مشكلاتي از جمله شل شدن ايمپلنت، بيماري هاي التهابي، و آلرژي به دليل سايش بين فلز وپليمر(پلي اتيلبن با وزن مولكولي بالا) ميباشد كه اين مورد آخر منجر به رهايش بيشتر يون هاي كبالت وكروم ميشود. بحث سايش متاثر از فرايند توليد ايمپلنت زانو و ساختار سطحي ايمپلنت ميباشد. به دليل وجود كربن در تركيب آلياژ كبالت-كروم،كاربيدهايي با سختي بالا در قطعه رسوب كرده كه در كنار سختي بالا بيرونزدگيهاي ميكروسكوپي را در سطح پروتز نهايي ايجاد ميكنند. اين كاربيدهاي بيرون زده در سطح باعث سايش سطح مفصلي نرمتر (پلي اتيلبن با وزن مولكولي بالا) ميشود. يكي از راههاي جلوگيري از سايش سطحي استفاده از فرآيندهاي پوششدهي در سطح است. امروزه اعمال پوشش روي سطوح ايمپلنت تا حدود زيادي مشكلات مربوط به سايش را كاهش داده و خواص سطحي ايمپلنت ها مانند سختي، مقاومت به سايش، ضريب اصطكاك و ميزان رهايش يون را بهبود داده است. از بين پوششهاي مختلف، پوششهاي نيتريدي ازجمله پوششهاي برپايه نيتريد زيركونيوم به دليل خواص مناسب از قبيل سازگاري زيستي بالا، مقاومت به سايش مناسب، سختي بالا و مقاومت به خوردگي بالا به عنوان پوششهاي مرجع در اين صنعت كاربرد گستردهاي پيدا كردهاند. اين پوششها به روشهاي مختلف و به طور خاص از طريق رسوب فيزيكي از فاز بخاراعمال ميشوند. در عين حال نياز به خواص بهتر و با پيشرفت درمهندسي سطح پوشش هاي نيتريدي آنتروپي بالاكه مقاومت به سايش، خوردگي و خواص مكانيكي بهتري نسبت به پوشش معمول دارند، معرفي شدهاند. هدف از اين پژوهش اعمال و بررسي ريزساختار، خواص مكانيكي، خوردگي و زيستي پوشش آنتروپي بالاي TiZrNbSiCu)Nx) ميباشد. در اين پژوهش پوششهاي بر پايه نيتريد زيركونيوم و پوشش آنتروپي بالاي TiZrNbSiCu)Nx) با استفاده از فرآيند رسوب از فاز بخار بر روي زيرلايه كبالت-كروم-موليبدن اعمال شدند. از آناليز پراش پرتو ايكس وميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني جهت بررسي ساختاربلوري وريزساختار پوششها استفاده شد. توپوگرافي پوششهاي اعمالي از ميكيروسكوپ نيروي اتمي (AFM) بررسي شدند. همچنين خواص مكانيكي و خوردگي پوششها توسط دستگاه نانوايندنتيشن ودستگاه پلاريزاسيون بررسي شدند. نتايج بررسيها نشان داد كه پوشش آنتروپي بالاي TiZrNbSiCu)Nx) اعمالي، بهبود قابل توجهي در سختي، خوردگي وسايش نسبت به خواص پوشش برپايه نيتريد زيركونيوم دارد.
چكيده انگليسي :
In this research, the surface properties of knee implants were investigated and improved with the aim of reducing wear, corrosion, and metal ion release. In recent years, with the increasing average age of the population, the occurrence of knee-related problems has risen significantly, leading to a growing need for knee implants. The implants commonly used today are made of stainless steels, cobalt–chromium–molybdenum alloys, and titanium alloys. Among these, knee implants are most often fabricated from cobalt–chromium alloys.However, the use of knee implants is generally associated with complications such as implant loosening, inflammatory diseases, and allergic reactions caused by the wear that occurs between the metal component and the polymer (ultra high molecular weight polyethylene). This latter issue results in greater release of cobalt and chromium ions. Wear behavior is influenced by the implant manufacturing process and the surface structure of the implant. Due to the presence of carbon in the cobalt–chromium alloy, hard carbides precipitate within the material, which, despite enhancing hardness, create microscopic protrusions on the surface of the final prosthesis. These surface carbides lead to increased wear of the softer articulating surface (UHMWPE).One of the effective ways to mitigate surface wear is the application of protective coatings. In recent years, coating the surface of implants has significantly reduced wear related issues and improved surface properties such as hardness, wear resistance, friction coefficient, and metal ion release. Among various coatings, nitride based coatings particularly zirconium nitride coatings have found wide application in this industry due to their excellent properties, including high biocompatibility, wear resistance, hardness, and corrosion resistance. These coatings are typically deposited using physical vapor deposition (PVD) techniques.Nevertheless, the demand for superior surface performance has led to the development of high entropy nitride coatings, which exhibit enhanced wear resistance, corrosion resistance, and mechanical properties compared to conventional nitride coatings.The aim of this study is to deposit and evaluate the microstructure, mechanical, corrosion, and biocompatibility properties of the high entropy (TiZrNbCuSi)Nx coating. In this work, both zirconium nitride based and high entropy (TiZrNbCuSi)Nx coatings were deposited on cobalt–chromium–molybdenum substrates using the physical vapor deposition process. The crystal structure and microstructure of the coatings were examined by X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM). Surface topography was characterized using atomic force microscopy (AFM). Furthermore, the mechanical and corrosion behaviors of the coatings were evaluated using nanoindentation and potentiodynamic polarization tests.The results demonstrated that the high entropy (TiZrNbCuSi)Nx coating exhibited a significant improvement in hardness, corrosion resistance, and wear resistance compared to the zirconium nitride based coating.