شماره مدرك
20954
شماره راهنما
17997
پديد آورنده
رضايتي، ثمين
عنوان
بررسي تاثير لايه مياني بر ريزساختار، خواص زيستي و مكانيكي پوشش هيدروكسي آپاتيت اعمالشده بر روي زيرلايه V4Al6Ti به روش پلاسما اسپري با هدف كاربردهاي ارتوپدي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
شناسايي و انتخاب مواد مهندسي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
چهارده، 92ص
توصيفگر ها
ايمپلنت , تيتانيوم , هيدروكسيآپاتيت , لايهي مياني , پلاسما اسپري
تاريخ ورود اطلاعات
1404/12/06
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مواد و متالورژي
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/12/09
كد ايرانداك
23208350
چكيده فارسي
ايمپلنتهاي فلزي به دليل مزايايي مانند استحكام كششي بالاتر و مقاومت در برابر خستگي در مقايسه با سراميكها و پليمرها در جراحي ارتوپدي كاربردهاي زيادي دارند. انواع مختلفي از فلزات در ايمپلنتهاي پزشكي استفاده شده است، از جمله فولادهاي زنگنزن، آلياژهاي كبالت-كروم و تيتانيوم و آلياژهاي آن. آلياژهاي تيتانيوم داراي ويژگيهايي مناسب مانند استحكام مكانيكي بالا، مقاومت در برابر خوردگي مناسب، چگالي كم و زيستسازگاري هستند. در اين آلياژها به طور طبيعي يك لايه اكسيد پايدار روي سطح تشكيل ميشود كه غيرفعال بوده كه از فلز در برابر خوردگي محافظت ميكند. خواص مقاومت در برابر خوردگي عالي آلياژهاي تيتانيوم، آنها را به گزينهاي ارجح براي كاربردهاي زيست پزشكي تبديل ميكند به طوريكه در كاربردهاي طولاني مدت، اين آلياژها قابل اعتمادتر از فولاد ضدزنگ و آلياژهاي كبالت-كروم هستند. هيدروكسيآپاتيت به دليل زيست سازگاري عالي، ماده زيستي ايدهآلي در زمينه كاربردهاي زيستي است. اصلاح سطح آلياژهاي تيتانيوم با هيدروكسي آپاتيت ميتواند به طور موثري خواص مكانيكي برتر بستر را با خواص بيولوژيكي مواد پوشش تركيب كند. پوششهاي پايه هيدروكسيآپاتيت به دليل زيستسازگاري عالي، رسانايي استخواني و توانايي پيوند با بافتهاي نرم و سخت شناخته شده هستند. يكي از موثرترين روشها براي اعمال پوششهاي زيستي سراميكي بر روي ايمپلنتها، پلاسما اسپري است. اين تكنيك امكان ايجاد پوششهايي با خواص مطلوب مانند ضخامت، قدرت چسبندگي و يكنواختي را فراهم ميكند كه براي طول عمر و عملكرد ايمپلنت بسيار مهم است. يكي از چالشهاي اصلي در پوششدهي هيدروكسيآپاتيت به روش پلاسما اسپري، اختلاف ضريب انبساط حرارتي، تنشهاي پسماند و چسبندگي محدود پوشش به زيرلايه فلزي است. بهمنظور بهبود عملكرد پوشش، استفاده از لايههاي مياني بهعنوان راهكاري مؤثر مطرح شده است. بدين منظور در اين پژوهش به بررسي لايههاي مياني تيتانيوم و V4Al6Ti با پوشش اصلي هيدروكسي آپاتيت به روش پلاسما اسپري پرداخته شد. نتايج نشان داد نمونه داراي لايه مياني تيتانيوم درصد بلورينگي بالاتري داشته و در آزمون چسبندگي سلولي نيز عملكرد بهتري از خود نشان داد كه با زبري سطح بالاتر آن همخواني دارد. با اين حال، نمونه داراي لايه ميانيV4Al6Ti ريزساختاري يكنواختتر با اسپلتهاي بههمپيوستهتر از خود نشان داد. اين نمونه زاويه تماس كمتري داشته و آبدوستتر بود و در آزمون خوردگي مقاومت بالاتري از خود نشان داد. همچنين نتايج آزمونهاي سميت سلولي، نانوايندنت و خراش بهترتيب زندهماني سلولي بيشتر، سختي سطح بالاتر و چسبندگي مناسب پوشش را تأييد كردند. آزمون استحكام چسبندگي نيز مقدار 44 مگاپاسكال را نشان داد كه مطابق با استاندارد ايزو 2-13779 است. در مجموع، با توجه به نتايج ريزساختاري، مكانيكي و زيستي، نمونه داراي لايه ميانيV4Al6Ti بهعنوان ساختار بهينه براي كاربردهاي ارتوپدي معرفي ميشود.
چكيده انگليسي
Metallic implants are widely used in orthopedic surgery due to advantages such as higher tensile strength and superior fatigue resistance compared to ceramics and polymers. Various metals have been employed in medical implants, including stainless steels, cobalt–chromium alloys, and titanium and its alloys. Titanium alloys possess favorable characteristics such as high mechanical strength, good corrosion resistance, low density, and excellent biocompatibility. In these alloys, a stable passive oxide layer naturally forms on the surface, protecting the metal against corrosion. The outstanding corrosion resistance of titanium alloys makes them a preferred choice for biomedical applications, such that in long-term use they are more reliable than stainless steels and cobalt–chromium alloys.
Hydroxyapatite, owing to its excellent biocompatibility, is considered an ideal biomaterial for biomedical applications. Surface modification of titanium alloys with hydroxyapatite can effectively combine the superior mechanical properties of the substrate with the biological properties of the coating material. Hydroxyapatite-based coatings are well known for their excellent biocompatibility, osteoconductivity, and ability to bond with both soft and hard tissues. Plasma spraying is one of the most effective techniques for depositing bioceramic coatings on implants, as it enables the formation of coatings with desirable properties such as controlled thickness, strong adhesion, and uniformity, which are critical for implant longevity and performance.
One of the main challenges in plasma-sprayed hydroxyapatite coatings is the mismatch in thermal expansion coefficients, residual stresses, and limited adhesion of the coating to the metallic substrate. To improve coating performance, the use of intermediate layers has been proposed as an effective approach. Accordingly, this study investigated titanium and Ti6Al4V intermediate layers with a plasma-sprayed hydroxyapatite top coating. The results showed that the sample with a titanium intermediate layer exhibited a higher degree of crystallinity and better cell adhesion performance, which is consistent with its higher surface roughness. However, the sample with a Ti6Al4V intermediate layer showed a more uniform microstructure with more interconnected splats. This sample exhibited a lower contact angle and a more hydrophilic surface, along with higher corrosion resistance. In addition, the results of cytotoxicity, nanoindentation, and scratch tests confirmed higher cell viability, increased surface hardness, and adequate coating adhesion, respectively. The adhesion strength test yielded a value of 44 MPa, which complies with ISO 13779 2. Overall, based on the microstructural, mechanical, and biological results, the sample with a Ti6Al4V intermediate layer is proposed as the optimal structure for orthopedic applications.
استاد راهنما
عباس بهرامي , مهران نحوي
استاد داور
مريم كرباسي , مهدي رفيعايي