1

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

تابستان

1391

كليد واژه: شيشه زيست فعال، پوششدهي، سل-ژل، ليزر 2CO.
1- مقدمه
ايمپلنتهاي فلزي نظير فولاد زنگ نزن L316، تيتانيم، كبالت و آلياژهاي آن به دليل خواص مكانيكي مناسب به طـور گـستردهاي در حوزههاي پزشكي و دندان پزشكي مورد استفاده قرار ميگيرند. استفاده از اين ايمپلنتهـاي فلـزي در محـيط خورنـده بـدن مـشكلاتزيادي را در بر دارد، از جمله اين مشكلات محصولات ناشي از خوردگي است كه سبب عفونت شده و موجب عدم كارآيي ايـن نـوع ازايمپلنتها در محيط بدن ميگردد [1]. همچنين اين ايمپلنتها به علت عدم اتصال مناسب به بافت سخت احتياج به تثبيت كنندههـايخارجي داشته كه عمليات نگهداري در موضع شكست را با مشكل روبرو ميسازد [2]. از طرفي ديگر شيشه و شيشه-سراميكهايي بـرپايه 5SiO2-CaO-P2O به دليل خواص زيستي مناسب در ترميم و درمـان ضـايعات اسـتخواني مـورد توجـه قـرار گرفتـه اسـت [3].
شيشههاي زيست سازگار دستهاي از مواد زيستي هستند كه توانايي اتصال به بافت هاي زنده بدن را از طريق تشكيل يك لايه غنـي ازفسفات كلسيم در فصل مشتركشان با بافتهاي زنده، دارا ميباشند. از شيشههاي زيست سازگار بـه طـور موفقيـت آميـزي بـه عنـوانپركنندههاي استخواني در ارتوپدي و جراحي دندان استفاده شده است. از ويژگي هاي شيشه زيست سازگار مي تـوان بـه زيـست فعـالي،هدايت استخواني و زيست تخريب پذيري خوب آنها اشاره نمود [7-4]. اما خواص مكانيكي ضعيف اين دسـته از سـراميكهـا اسـتفادهتودها ي آنها را با مشكلات زيادي مواجه كرده است [8]. به منظور دست يابي به مجموعهايي از خـواص ز يـستي و خـواص مكـانيكيمناسب، محققين ايجاد پوششهاي زيست فعال بر روي ايمپلنتهاي فلزي را پيشنهاد دادهاند [1و9]. روشهاي مختلفـي بـراي ايجـاداين نوع از پوششها نظير كاشت يوني، ليزر، پلاسما اسپري، سل-ژل و… وجود دارد [10]، كه از ميان روشهاي موجود پلاسما اسـپري
-9141332183

57
و سل -ژل به طور گستردهايي در پوشش دهي بر روي ايمپلنت مورد استفاده قرار ميگيرند [11]. از معايب روش پلاسما اسپري ميتوان به دماي كاري بسيار بالا، تجهيزات گران قيمت، هزينه بالا، امكان انحلال پوشش به دليل ناپايداري ناشي از انجمـاد سـريع و تركيـبغيرهمگن فازي اشاره كرد [10و4]. اما در سالهاي اخير روش سل-ژل به دليل كنترل راحتتر تركيب شيميايي، ايجاد پوشش همگـنو كاهش دماي تثبيت مورد توجه قرار گرفته است. همچنين از ويژگيهاي اين روش دستيابي به ساختار نانومتري است. از مزيت هـايساختار نانومتري ميتوان به افزايش چسبندگي سلولهاي استخوان ساز و كاهش احتمال مرگ سلولي اشاره كـرد [13و12]. از مباحـثمهم در پوشش دهي به روش سل- ژل فرايند پايدارسازي به وسيله عمليات حرارتي است كه نقش مهمي را در خواص نهـايي پوشـشايجاد شده از جمله ساختار و دانسيته پوشش بازي ميكند. با وجود تحقيقات فراوان صورت گرفته هنوز واكنشهاي حرارتي پوششهاي تهيه شده به روش سل-ژل كاملا قابل كنترل نبوده و ممكن است محصول نهايي ترك خورده و از سطح زير لايه جدا گردد. همچنين فازهاي ناخواسته زيادي ممكن است در پوشش به وجود آيد كه مطلوب نباشد. يكي از روشهايي كه ميتواند بر ايـن مـشكلات غلبـهكند، استفاده از تابش پرتو ليزر به جاي عمليات حرارتي است تا بدين ترتيب بتوان به پوششهاي كنترل شده عـاري از تـرك و همگـندست يافت [11]. در حالت كلي دو روش استفاده از ليزر در پوششدهي سطوح وجود دارد. در روش اول پودر پوشش بـه نقطـه تمركـزپرتو تزريق ميشود و در روش دوم سطحي كه قبلا پوششي از جنس مورد نظر بر روي آن ايجاد شده است، تحت تابش پرتو ليزر قـرارداده مي شود. از جمله مزاياي اين روش نسبت به روشهاي معمول عمليات حرارتي مي توان به تمركز انرژي بـسيار زيـاد ليـزر بـر رويسطح در مدت زمان بسيار كوتاهتر نسبت به كوره، كاهش منطقه متاثر از حرارت و جلوگيري از رشد بي رويه دانه ها در منـاطق مجـاور،رفتار تراكم پذيري بهتر پوششها و امكان عمليات سطحي موضعي و غير مخرب اشاره كرد [14].
هدف از اين پژوهش ايجاد پوشش زيست سازگار بر روي سطح فولاد زنگ نزن L316 به روش سـل -ژل و بررسـ ي اثـر فرآينـد تثبيت سازي با استفاده از ليزر و كوره عمليات حرارت ي بر رو ي ساختار پوشش ميباشد.
2- فعاليت ها ي تجربي
2-1- تهيه سل
064/0 مول تري اتيل اورتوسيليكات (TEOS) به عن وان منبع تامين كننده 2SiO به آهستگي در مقدار معيني از اسيد نيتريـك 2/0 مولار به مدت 30 دقيقه مخلوط ميشود. در ادامه 005/0 مول تري اتيل فسفات (TEP) به صورت قطره قطره به محلـول در حـالهم خوردن اضافه شده و محلول به مدت 45 دقيقه به همين حالت بر روي دستگاه همزن باقي ميماند. سپس مقدار 031/0 مول ازپودر كلسيم نيترات 4 آبه در مدت 1 ساعت به آهستگي به محلول اضافه ميگردد. پلي اتيلن گليكل (PEG) با جرم مولكولي 4000 و با نسبت مولي 01/0 PEG/TEOS= به محلول اضافه شده و به مدت 1 ساعت تحت هم خوردن قرار مـي گيـرد . در مرحلـه بعـدمحلول به خشك كن با دماي 40 درجه سانتيگراد منتقل ميشود تا ويسكوزيته آن به ويسكوزيته نزديك نقطه ژل شدن برسد.
2-2- آماده سازي زيرلايه و پوشش دهي
در مرحله آماده ساز ي پوشش زير لايهها يي از جنس فـولاد زنـگ نـزن L316 بـا ابعـاد 3cm2/0×2×2 سـنباده زده و بـه منظـور چربي زدايي با الكل و سپس با آب مقطر شسته و خشك ميشود. نمونهها به روش غوطـهوريدر محلـول بـا سـرعت cm/min 5 پوشش داده ميشود. نمونهها به مدت 24 ساعت در دماي محيط قرار گرفته و سپس تعدادي از نمونهها بـه كـوره بـا اتمـسفر هـوا منتقل شدند. در محدوده 120-100 و 220-200 درجه سانتيگراد به دليل خروج مواد فرار و جلوگيري از تـرك ، سـرعت گرمـايش ºC/min1/0 بوده است. در ساير محدودههاي دمايي، سرعت گرمايش برابر با ºC/min2 بوده است. سرانجام نمونهها در دماي 700 درجه سانتيگراد به مدت 3 ساعت باقي مانده و سپس تا دماي محيط در كوره سرد ميشوند. همچنين به منظور بررسي اثر عمليات حرارت ي و بررس ي اثر توان ليزر نمونهها ي غوطهور شده تحت تابش ليزر گازي دي اكسيد كربن قرار ميگيرند و ليزر به صورت خطي با توان ها ي مختلف تابانده ميشود (جدول 1). به منظور جلوگيري از اكسيد شدن سطح زيرلايه، از گاز محافظ آرگون استفاده شد.
جدول 1- شرايط پايدار ساز ي نمونه ها ي مختلف
نمونه شرايط پايدار سازي
BG كوره عمليات حرارتي
I5 ليزر با توان 5 وات
I10 ليزر با توان 10 وات
2-3- روش هاي آناليز نمونه ها
به منظور بررسي رفتار حرارتي شيشه توليد شده به روش سل-ژل آناليز حرارتي افتراقـي (DTA) در هـوا تـا دمـاي 900 درجـهسانتي گراد با سرعت گرمايشºC/min 10 صورت پذيرفت. آناليز ساختاري و فازي پودر به واسطه پـراش پرتـو ايكـس (XRD) (3710Philips PW ) در محدوه زاويهايي 70<θ2<10 با گام º/min2/0 و طيف سنجي مادون قرمـز (FTIR) انجـام گرفـت.
اندازه دانهها توسط رابطه شرر محاسبه شد. مورفولوژي و توپوگرافي سطح توسط ميكروسـكوپ الكترونـي (Philips 30) (SEMXL) و ميكروسكوپ نيروي اتمي (Easyscan2 Flex AFM) (AFM) صورت پذيرفت. زبري سطح با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي و به كمك نرم افزار Nanosurf easyScan 2 مورد بررسي قرار گرفته است.
3- نتايج و بحث
كنترل دما در حين پوشش دهي تاثيرات زيادي بر روي خواص پوشش توليد شده و پيشرفت واكنش دارد . عدم كنترل مناسب نرخگرمايش مي تواند منجر به ترك برداشتن پوشش و همچنين ايجاد عيوبي از جملـه خـارج نـشدن كامـل گازهـا در حـين فرآينـدعمليات حرارتي و ايجاد حفره بر روي پوشش گردد. به همين منظور آناليز حرارتي ژل خشك شده تا دماي 900 درجه سـانتيگراددر اتمسفر محيط مورد بررسي قرار گرفت (شكل 1).

شكل 1- نمودار DTA ژل خشك شده
دو پيك گرمازا در محدوده دمايي 100 و 200 درجه سانتي گراد در آناليز حرارتي ژل خشك شده مشاهده ميگردد. اين پيـكهـابه دليل سوختن و خروج مواد آلي است كه واكنشهاي ناشي از آن مي تواند منجر به ايجاد تـرك بـر روي پوشـش گـردد. پـسآهنگ گرمايش در محدوده دمايي 100 و 200 تا حد امكان بايد كم باشد تا فرصت كافي براي خروج گازها وجود داشته باشد.

شكل 2- آناليز پراش پرتو ايكس نمونه هاي توليد شده به روش سل-ژل
نتايج حاصل از آناليز پرتو ايكس (شكل2) نشان مي دهد كه شيشه توليد شده به روش سل-ژل پس از عمليـات حرارتـي توسـطليزر (I5 وI10 )، همچنان به صورت آمورف باقي مانده و هيچ گونه فاز كريستالي رشد نكـرده اسـت. در حاليكـه نمونـهBG بـ ه صورت جزئي بلوري شده و فاز هيدروكسي آپاتيت شكل گرفته است. هيدروكسي آپاتيت جز سراميكهاي زيست فعال بـوده و ازخواص زيستي مناسبي برخوردار ميباشد و در حدود 70% فاز معدني استخوان را تشكيل ميدهد[15].
طيف سنج ي مادون قرمز (شكل3) حضور باندهايSi-O-Si را در -cm460 و 1-cm800 را نشان مي دهد. با توجه به اين نكتـهكه در پراش پرتو ايكس نمونهBG هيچ گونه پيكي مرتبط با اكسيد سيليسيم مشاهده نشده است، مـي تـوان نتيجـه گرفـت كـهبخش عمده اي از اكسيد سيليسم موجود در نمونه بعد از عمليات حرارتي به صورت آمورف باقي مانده است. باند در 1-cm1050 و1-cm 1385به ترتيب متعلق به گروههاي3-4PO و -3NO است . به دليل پيروليز ناقص، كربنات ناشي از سوختن مواد آلي ممكناست در ساختار هيدروكسي آپاتيت حل شده و جايگزين گروه 3-4PO گردد كه بـا بانـدي در محـدوده 1-cm 1500-1400 قابـلتشخيص است [16]. اين نوع از هيدروكسي آپاتيت تشابه بيشتري با بافت استخوان داشته و در نتيجه ترميم اسـتخوان را بهبـودميبخشد [17]. همچنين در طيف سنجي مادون قرمز نوسانات ناشي ازH-O-H در 1-cm1631 و 1-cm3550-3450 مـشاهدهگرديد. با افزايش توان ليزر باند گروه كربني در محدوده 1-cm 2350 ناپديد ميگردد كه بيانگر اين نكته است كه با افزايش توانليزر مواد فرار كربني بيشتري از شيشه توليد شده به روش سل-ژل خارج ميگردند. در حاليكه اين باند كربني در نمونه BG پس از عمليات حرارتي در 700 درجه سانتيگراد همچنان باقي مانده است. حضور اين باند كربني در نمونـهBG مـيتوانـد بـه دليـل2CO موجود در هوا باشـد كـه در حـين فرآينـد تثبيـت سـازي بـا كـوره در آن حـل شـده اسـت. تغييـرات بانـدها در محـدوده

شكل 3- آناليز طيف سنجي مادون قرمز نمونه هاي توليد شده به روش سل-ژل

شكل 4- تصوير SEM پوشش هاي ايجاد شده به روش سل- ژل الف) BG، ب) 5I، ج) 10I

تصاويرSEM در شكل 4 ايجاد سطوح پوشش داده شده با استفاده از روش سل-ژل را نشان ميدهد. در حاليكه پوشش عملياتحرارتي شده در كوره عمليات حرارتي، شامل مجموعهايي از ذرات كروي با اندازههاي مختلف است، در نمونههاي پايدار شـده بـاليزر، با افزايش توان ليزر، انرژي تابشي ليزر بر پوشش و در نهايت بر زير لايه فولادي اثر گذاشته و موجب ذوب زيرلايـه گـشتهاست. در صورتيكه ذوب زيرلايه بصورت سطحي باشد، ميتواند در بهبود چسبندگي پوشش به زير لايه موثر باشـد. امـا افـزايشتوان ليزر ميتواند ذوب و تخريب زير لايه را نيز به همراه داشته باشد.
شكل5 تصاوير دو بعدي و سه بعدي ميكروسكوپ نيروي اتمي را نشان ميدهد. با استفاده از نتايج بدست آمـده از ايـن آزمـايشميتوان ميانگين زيري پوششهاي توليد شده به روش سل-ژل را بررسي نمود. همان طـور كـه در جـدول 2 نـشان داده شـده است، پوشش عمليات حرارتي شده در كوره، داراي بيشترين زبري سطح است. از طرفي ديگر با افزايش توان ليزر بـه دليـل ذوبشدگي سطح زيرلايه، زبري سطح كاهش مييابد و سطوح صافتري تشكيل ميگردد. به علت تمايل پيوند سلولهاي استخوانيبا سطوح زبر، پوششهاي زيستي به وجود آمده با سطوح زبرتر ميتوانند از خواص زيستي مناسبتري برخوردار باشند [19].

شكل 5- تصوير ميكروسكوپ نيروي اتمي پوشش هاي ايجاد شده به روش سل-ژل الف) 5I، ب) 10I، ج) BG
جدول 2- ميانگين زبري سطح پوشش هاي ايجاد شده به روش سل-ژل
نمونه ميانگين زبري سطح (nm)
BG 148/94
I5 135/39
I10 112/34
4- نتيجه گيري
در اين پژوهش امكان ايجاد پوشش بر روي فولاد زنگ نزن با استفاده از روش سل-ژل مورد بررسي قرار گرفـت . بـا اسـتفاده ازليزر 2CO فرآيند تثبيت فاز شيشه به خوبي صورت پذيرفت. در حاليكه پوششهاي تثبيت شده در كوره عمليات حرارتي تبديل بهشيشه-سراميك شده و بلورهاي آپاتيتي رشد كرده است. با استفاده از ليزر فاز آمورف و شيشه كلسيم فسفاتي توليد گرديد. زبري سطوح فازهاي شيشهايي به دست آمده توسط دو توان ليزر نسبت به شيشه-سراميك كمتر بوده است. افزايش توان ليزر ميتواند سبب ذوب زير لايه گردد.
مراجع
.1 M. H. Fathi and A. Dostmohammadi, “Bioactive glass nanopowder and bioglass coating for biocompatibility improvement of metallic implant”, J. Mater. Sci. Tech. 209:1385-1391 (2009).
.2 P. Galliano, J. Jos de damborenea, M. J. Pascual, A. Duran, “Sol-gel coating on 316L steel for clinical application”, J. Sol-Gel. Sci. Tech. 13: 723-727 (1998).
.3 R. Ravarian, F. Moztarzadeh, M. Solati Hashjin, S. M. Rabiee, P. Khoshakhlagh and M. Tahriri,
“Synthesis, characterization and bioactivity investigation of bioglass/hydroxyapatite composite,” Ceram. Int. 36: 291-297 (2010).
.4 C. Garcia, S. Cere and A. Duran, “Bioactive coatings prepared by sol-gel on stainless steel 316L”,
J. Non-Cryst. Solids. 348: 218-224 (2004).
.5 M. H. Fathi, M. Salehi, A. Saatchi, V. Mortazavi and S. B. Moosavi, “In vitro corrosion behavior of bioceramic, metallic, and bioceramic–metallic coated stainless steel dental implants”, Dent. Mater. 19: 188-198 (2003).
.6 L. L. Hench, “The story of Bioglass”, J. Mater.Sci: Mater. Med. 17: 967-978 (2006).
.7 J. V. Rau, R. Teghil, M. Fosca, A. De Bonis, I. Cacciotti, A. Bianco, V. Rossi Albertini, R. Caminiti and A. Ravagliol, “Bioactive glass-ceramic coatings prepared by pulsed laser deposition from PKKP targets (sol-gel Vs melt-processing rout)”, Mater. Reasch. Bull., 47: 1130-1137 (2012).
.8 M. Mazrooei and M. H. Fathi, “Preparation and characterization of hydroxyapatite-forsterite-bioactive glass nano composite coatings for biomedical applications”, Ceram. Int, 38: 1325-1330 (2012).
.9 D. Tanaskociv, B. Jokic, G. Socol, A. Popescu, I. N. Mihailescu, R. Petrovic and Dj. Jankovic, “Synthesis of functionally graded bioactive glass-apatite multistructures on Ti substrate by pulsed laser deposition”, Appl. Surf. Sci. 254: 1279-1282 (2007).
.01 S. R. Paital and N. B. Dahotre, “Calcium phosphate coatings for bio-implant applications: Materials, performance factors, and methodologies”, Mat. Sci. Eng. R. 66: 1-70 (2009).
.11 N. Mirhosseini, P. L. Crouse, L. Li and D. Garrod, “Combined laser/sol–gel synthesis of calcium silicate coating on Ti–6Al–4V substrates for improved cell integration”, Appl. Surf. Sci. 253: 7998-8002 (2007).
.21 D. Liu, Q. Yang and T. Troczynski, “Sol-gel hydroxyapatite coatings on stainless steel substrates”, Biomaterials, 23:691-698 (2002).
.31 L. L. Hench and J. Eilson, “An introduction to bioceramics”, (Word scientific publishing Co, 1993). 14. C. S. Sandu, V. S, Teodorescu, C. Ghica, B. Canut, M. G. Blanchin, J. A. Roger, A. Brioude, T. Bret, P. Hoffmann and C. Garapon “Densification and Crystallizaticn of SnO2: Sn sol-gel films using Excimer laser annealing”, Appl. Surf. Sci. 208:38-387 (2003).
.51 Balamurugan, G. Balossier, S. Kannan and S. Rajeswari, “Elaboration of sol-gel derived apatite films on surgical grade stainless steel for biomedical application”, Mater. Lett. 60: 2288-2293 (2006).
.61 N. Nabian, M. Jahanshahi and S. M. Rabiee, “Synthesis of nano-bioactive glass-ceramic powders and its in vitro bioactivity study in bovine serum albumin protein”, J. Mol. Struct. 998: 37-41 (2011).


دیدگاهتان را بنویسید