شماره مدرك
21209
شماره راهنما
18172
پديد آورنده
نيكوبين، علي
عنوان
بررسي ريزساختار، خواص سايشي، رفتار زيستي و رفتار خوردگي پوششهاي تيتانيمنيتريد، تيتانيمنايوبيمنيتريد و تيتانيمسيليكوننيتريد اعمال شده بررويايمپلنتهاي جايگزين كلمفصل زانو از جنس آلياژ كبالت-كروم
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
شناسايي و انتخاب مواد مهندسي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
نه، 81ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
تعويض مفصل زانو , پوشش ايمپلنت , لايهنشاني فيزيكي بخار , تيتانيم نيتريد , تيتانيم سيليكون نيتريد , تيتانيم نايوبيم نيتريد
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/01
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مواد متالورژي
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/02
كد ايرانداك
23244305
چكيده فارسي
تعويض كامل مفصل زانو يكي از موفقترين اعمال جراحي ارتوپدي است، اما سايش قطعات پليمري و آزادسازي يونهاي فلزي ناشي از خوردگي، طول عمر باليني اين ايمپلنتها را محدود ميكند. در اين پژوهش، پوششهاي تيتانيمنيتريد، تيتانيم-نايوبيمنيتريد و تيتانيم-سيليكوننيتريد به روش لايهنشاني فيزيكي بخار (كندوپاش مغناطيسي) با ضخامت حدود 2 ميكرومتر بر زيرلايه آلياژ كبالت-مروم-موليبدن اعمال و تأثير درصد نيتروژن اتمسفر (15 تا 50٪) بر ريزساختار و خواص مكانيكي، تريبولوژيكي، خوردگي و زيستي پوششها بررسي شد. نتايج نانوايندنتيشن نشان داد با افزايش نيتروژن از 15٪ به 50٪، سختي پوشش تيتانيم نيتريد از 10.2 به 2.3–2.9 GPa و مدول الاستيك از 231 به 142 GPa كاهش يافت، در حاليكه افزودن نايوبيم و سيليكون سختي را بهترتيب به 13.7 و 15.0 GPa (بيشترين مقدار در كل نمونهها) افزايش داد؛ زبري سطح تمامي نمونهها كمتر از 30 نانومتر بود. آزمون پينرويديسك در محلول شبيهساز مايع بدن نشان داد ضريب اصطكاك زيرلايه بدونپوشش 0.044 و در پوششهاي تيتانيم نيتريد از 0.046تا 0.094با ثبت كمينه توسط نمونه داراي 15% نيتروژن اتمسفر ثبت شد، درحاليكه پوششهاي تيتانيم-نايوبيم نيتريد و تيتانيم-سيليكون نيتريد كمترين ضرايب اصطكاك (بهترتيب 0.034 و 0.036) را در ميان همه نمونهها ثبت كردند و تنها پوششهايي بودند كه ضريب اصطكاكشان از زيرلايه نيز كمتر بود. آزمون پلاريزاسيون پتانسيودايناميك نشان داد جريان خوردگي تيتانيم نيتريد با افزايش نيتروژن بهشدت افزايش يافت، از 36.6 nA/cm² در 15٪نيتروژن به 2549 و 2491 nA/cm² در 30٪ و 40٪ نيتروژن) كه ناشي از ريزساختار ستوني و متخلخل تصور ميشود) و در مقابل، پوشش تيتانيم-سيليكون نيتريد كمترين جريان خوردگي(11.3 nA/cm²) و بالاترين مقاومت پلاريزاسيون )1.917 (MΩ.cm² را در ميان همه نمونهها ثبت كرد. زيرلايه جريان خوردگي 18.4 nA/cm² را نشان داد و پوشش تيتانيم-نايوبيم نيتريد با جريان خوردگي 35.52 nA/cm² عملكردي مياني داشت. آزمون سميت سلولي (MTT) مطابق استاندارد ISO 10993-5 نشان داد تمامي پوششها غيرسمي بوده و زندهماني سلولي بالاي 70٪ (نسبت به كنترل 100٪؛ انحرافمعيار كمتر از 5٪) داشتند؛ پوشش تيتانيم-سيليكون نيتريد بهدليل زاويه ترشوندگي كمتر (آبدوستي بيشتر)، بالاترين زندهماني سلولي را در ميان نمونهها نشان داد .بهطور كلي، پوشش تيتانيم-سيليكوننيتريد با تركيب بهينه بالاترين سختي(15.0( GPa، كمترين ضريب اصطكاك (0.036) و كمترين جريان خوردگي (11.3 nA/cm²)در كنار بهترين زيستسازگاري، بهعنوان مناسبترين نمونه براي بهبود عملكرد و افزايش طول عمر باليني ايمپلنتهاي زانو معرفي شد.
چكيده انگليسي
Total knee arthroplasty is among the most successful orthopedic procedures, but polymer wear and metal-ion release from corrosion limit the clinical lifespan of these implants. In this study, titanium nitride, titanium-niobium nitride, and titanium-silicon nitride coatings (~2 µm thick) were deposited on Co-Cr-Mo alloy substrates by physical vapor deposition (magnetron sputtering), and the effect of atmospheric nitrogen content (15–50%) on the microstructure and mechanical, tribological, corrosion, and biological properties of the coatings was investigated. Nanoindentation results showed that as nitrogen content increased from 15% to 50%, the hardness of the titanium nitride coating decreased from 10.2 to 2.3–2.9 GPa and its elastic modulus decreased from 231 to 142 GPa, while the addition of niobium and silicon increased hardness to 13.7 and 15.0 GPa, respectively (the highest values among all samples); surface roughness remained below 30 nm for all samples. Pin-on-disk testing in simulated body fluid showed a friction coefficient of 0.044 for the uncoated substrate, while titanium nitride coatings ranged from 0.046 to 0.094, with the minimum recorded for the sample deposited at 15% atmospheric nitrogen; the titanium-niobium nitride and titanium-silicon nitride coatings recorded the lowest friction coefficients of all samples (0.034 and 0.036, respectively) and were the only coatings with friction coefficients lower than that of the substrate. Potentiodynamic polarization testing showed that the corrosion current of titanium nitride increased sharply with nitrogen content, from 36.6 nA/cm² at 15% nitrogen to 2549 and 2491 nA/cm² at 30% and 40% nitrogen (attributed to a porous columnar microstructure), whereas the titanium-silicon nitride coating recorded the lowest corrosion current (11.3 nA/cm²) and highest polarization resistance (1.917 MΩ·cm²) among all samples. The substrate showed a corrosion current of 18.4 nA/cm², and the titanium-niobium nitride coating showed intermediate performance with a corrosion current of 35.52 nA/cm². Cytotoxicity testing (MTT) per ISO 10993-5 confirmed that all coatings were non-cytotoxic, with cell viability above 70% (relative to a 100% control; SD < 5%); the titanium-silicon nitride coating showed the highest cell viability among the samples, attributed to its lower contact angle (greater hydrophilicity). Overall, the titanium-silicon nitride coating — combining the highest hardness (15.0 GPa), lowest friction coefficient (0.036), and lowest corrosion current (11.3 nA/cm²), along with the best biocompatibility — is identified as the most suitable option for improving performance and extending the clinical lifespan of knee implants.
استاد راهنما
عباس بهرامي , مهدي احمديان
استاد داور
علي اشرفي , عبدالمجيد اسلامي