توصيفگر ها :
كاشتني متخلخل فلزي , ديسك بين مهره اي ستون فقرات , ذوب ليزري بستر پودر , اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي , رسوب فيزيكي بخار , پوشش مقاوم به سايش , رفتار زيستي , عملكرد خستگي
چكيده فارسي :
علي رغم كاربرد گسترده كاشتني هاي متخلخل Ti-6Al-4V ساخته شده به روش هاي ساخت افزودني (AM)، اين كاشتني ها به دليل همبندي پايين با استخوان، رفتار تريبولوژيكي ضعيف و امكان رهايش يونهاي مضر كه مي توانند خطر ايجاد عفونت را افزايش دهند، با چالش هايي روبرو هستند. بر همين اساس، اين پژوهش در دو فاز شامل طراحي و ساخت كاشتني هاي متخلخل Ti-6Al-4V و اصلاح سطح آنها با هدف رفع چالش هاي مذكور انجام شده است. بدين منظور، در فاز اول، كاشتني هايي با سلول واحد جي رويد و درصد تخلخل متفاوت به روش ساخت افزودني ذوب ليزري بستر پودر (LPBF) با هدف نزديك كردن خواص مكانيكي كاشتني به خواص مكانيكي ديسك بين مهره اي ستون فقرات طراحي و ساخته شدند. در اين بخش به ارزيابي اثرات متغيرهاي هندسي و عمليات حرارتي بر رفتار مكانيكي و خوردگي كاشتني ها پرداخته شد. ارزيابي هاي مكانيكي نشان داد كه با افزايش اندازه حفرات و انجام عمليات حرارتي، استحكام تسليم و مدول يانگ نمونه هاي كاشتني به مقادير مربوط به ديسك بين مهره اي ستون فقرات نزديك شده اند. بررسي هاي الكتروشيميايي در محلول بافر فسفات سالين (PBS) در دماي °C 37 نشان داد كه افزايش اندازه حفره به دليل كاهش سطح در معرض الكتروليت و عمليات حرارتي به واسطه تشكيل فاز تعادلي منجر به بهبود عملكرد خوردگي كاشتني ها شد. در انتهاي فاز اول، كاشتني متخلخل با بالاترين اندازه حفره (m 1500) و كمترين ضخامت ديواره (m 300) براي ادامه پژوهش در فاز دوم انتخاب شد. از آنجايي كه رفتار تريبولوژيكي ضعيف و امكان رهايش يون هاي مضر مي توانند كاربرد آلياژ Ti-6Al-4V را براي ساخت كاشتني با چالش مواجه سازند، در فاز دوم، اصلاح سطح كاشتني ها با روش هاي اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي (PEO) و رسوب فيزيكي بخار (PVD) به روش كندوپاش مغناطيسي به طور متوالي، به منظور بهبود عملكرد تريبولوژيكي و رفتار زيستي مد نظر قرار گرفت. همچنين، نقش عمليات اصلاح سطح بر رفتار خستگي كاشتني هاي متخلخل نيز ارزيابي شد. روشPEO براي بهبود عملكرد زيستي و روش PVD براي اعمال پوشش هاي چندلايه نيوبيوم/ نيتريد نيوبيوم (Nb/NbN) با پيكربندي هاي مختلف يك لايه، دو لايه و سه لايه با هدف بهبود عملكرد تريبولوژيكي و امكان ايجاد خاصيت ضدباكتريايي براي كاشتني ها به واسطه ماهيت مقاوم به سايش پوشش هاي نيتريدي و تغيير در توپوگرافي سطحي انجام گرفت. مشخص گرديد كه با افزايش ضخامت، تعداد و قطر ريزحفرات ناشي از PEO كاهش يافته و سطح هموارتر گرديده است. يافته ها مؤيد آن است كه اصلاح سطح كاشتني ها به روش PEO/PVD در مقايسه با كاشتني هاي اصلاح سطح نشده/اصلاح سطح شده باPEO ، رفتار تريبولوژيكي بهتري از خود بروز داده اند. در گروه كاشتني هاي اصلاح سطح شده با PEO/PVD ، نرخ سايش پوشش Nb/NbN دو لايه اي در مقايسه با زيرلايه Ti-6Al-4V در حدود 90% كاهش يافت. آزمون خستگي نشان داد كه اصلاح سطح منجر به كاهش عمر خستگي در كاشتني-هاي متخلخل گرديد. تضعيف عمر خستگي نمونه هاي اصلاح سطح شده با PEO به وجود ريزحفرات، ريزترك ها و زبري بالا به عنوان مكان هاي مستعد جوانه زني ترك خستگي نسبت داده شد. با اين حال، نتايج نشان داد كه لايه نشاني پوشش هاي چندلايهNb/NbN بر سطح كاشتني هاي اصلاح سطح شده باPEO ، از طريق كاهش تخلخل و زبري سطح، عمر خستگي را نسبت به كاشتني اصلاح سطح شده با PEO بهبود مي بخشد. با افزايش ضخامت پوشش هاي چند لايه Nb/NbN، عمر خستگي به كاشتني اصلاح سطح نشده نزديك تر شد به گونه اي كه عمر خستگي براي كاشتني هاي اصلاح سطح شده با PEO/PVD در نمونه¬هاي با Nb/NbN دو لايه اي وNb/NbN سه لايه اي به ترتيب به حدود 81 % و 84 % عمر خستگي نمونه هاي اصلاح سطح نشده رسيد. يافته ها نشان داد كه اصلاح سطح با تغيير در توپوگرافي سطحي منجر به بهبود رفتار زيستي كاشتني Ti-6Al-4V از ديدگاه زيست فعالي و چسبندگي سلولي گرديد. علاوه بر اين، ارزيابي هاي ضدباكتريايي مؤيد آن بود كه ايجاد توپوگرافي سطحي هدفمند (ريزحفرات ميكرو/نانو مقياس) پس از لايه نشاني پوشش هاي Nb/NbN دو لايه اي بر سطح كاشتني هاي اصلاح سطح شده با PEO ، منجر به كاهش چسبندگي باكتري ها به سطح شده است. در مجموع، به نظر مي رسد اصلاح سطح كاشتني ها به روشPEO/PVD رفتار تريبولوژيكي و زيستي را ارتقاء داده، و تأثير منفي نسبتاً كمي بر عمر خستگي كاشتني بر جاي مي گذارد. بر اين اساس، اصلاح سطح هدفمند كاشتني¬Ti-6Al-4V به روش PEO/PVD به عنوان يك گزينه اميدبخش جهت كاربرد در ديسك بين مهره اي ستون فقرات ساخته شده به روش ساخت افزودني ذوب ليزري بستر پودر پيشنهاد مي شود.
چكيده انگليسي :
Although additively manufactured Ti-6Al-4V porous implants are widely used, they face several challenges, including low osseointegration, poor tribological properties, and the potential release of harmful ions that could increase the risk of infection. To address these issues, this research was conducted in two phases: (1) the design and fabrication of Ti-6Al-4V porous implants, and (2) surface modification of the fabricated implants. In the first phase, Ti-6Al-4V implants with different porosities were designed and fabricated using the laser powder bed fusion (LPBF) process to align their mechanical properties with those of the spine’s intervertebral disc. The effects of geometric parameters and heat treatment on the mechanical and corrosion behaviors of the implants were assessed. By increasing pore size and applying heat treatment, Young's modulus and yield strength of the samples were brought closer to those of the spine’s intervertebral disc. Electrochemical results showed that larger pore sizes and heat treatment enhanced the corrosion resistance of the implants. Ultimately, the porous implant with the largest pore size (1500 μm) and the smallest wall thickness (300 μm) was selected for further research. In the second phase, surface modification techniques, including plasma electrolytic oxidation (PEO) and physical vapor deposition (PVD), were employed to enhance the tribological performance and biological behavior of the implants. Additionally, the effects of surface modification on the fatigue behavior of the porous implants were evaluated. Initially, the samples underwent PEO treatment to improve their biological performance. Subsequently, the PVD technique was used to deposit Nb/NbN multilayer coatings with varying configurations to enhance the tribological performance and antibacterial properties of the implants. The findings confirmed that surface modification using the PEO/PVD treatment resulted in superior tribological behavior compared to untreated and PEO-treated implants. Among the PEO/PVD-treated implants, the wear rate of the two-layer Nb/NbN coating was reduced by approximately 90% compared to the Ti-6Al-4V substrate. However, fatigue tests revealed that surface modification generally led to a decrease in the fatigue life of porous implants. Nevertheless, the deposition of multilayer Nb/NbN coatings on PEO-treated samples improved the fatigue life compared to PEO-treated ones by reducing surface roughness and the number and size of micropores. Increasing the thickness of Nb/NbN multilayer coatings further enhanced the fatigue life, making it comparable to that of untreated Ti-6Al-4V implants. Specifically, the fatigue life of PEO/PVD-treated implants with two and three layers of Nb/NbN reached approximately 81% and 84%, respectively, of the fatigue life of untreated Ti-6Al-4V implants. Overall, the findings indicated that surface modification through the PEO/PVD method, which alters surface topography, improved the biological behavior of Ti-6Al-4V implants in terms of bioactivity and cell adhesion. Additionally, antibacterial evaluations confirmed that the targeted surface topography (micro/nanoscale pores) after depositing two layers of Nb/NbN coatings on PEO-treated implants led to reduced bacterial adhesion. In conclusion, PEO/PVD surface modification appears to enhance the tribological and biological performance of implants while having a relatively minor impact on their fatigue life. Therefore, the PEO/PVD method is recommended as a promising approach for the surface modification of intervertebral disc implants fabricated via LPBF.
