توسعه و ارزيابي پوشش هاي نانوساختار هيدروکسي آپاتيت به روش پاشش حرارتي بر سطح آلياژ منيزيم و عملکرد آن ها بر روي ساز و کار زيست تخريب پذيري

STUDENT

DEGREE

YEAR

Magnesium based alloys are biodegradable materials which can used as an implant in the body. These materials also have benefits as good mechanical properties and near bone elastic modulus. But, their corrosion rate is high and its reduction is needed by a surface coating. For this purpose, various coatings have been used. Hydroxyapatite (HA) is used as an appropriate coating for the magnesium based implants due to their high biocompatibility and near bone chemical composition. Although, high velocity oxygen fuel (HVOF) have been used for coating of HA on the titanium implants, but it is not used for coating of HA on the magnesium implants. In a nanostructure coating, surface and cells interactions is increased in result of more contacting surfaces. Then, adhesion of tissue -substrate increases. In this project, HA nanostructure coating deposited on Mg alloy substrate. For this purpose, first HA nanopowders synthesized. After that, MgO intermediate layer produced on the sandblasted magnesium substrate by anodizing process. HA powders coated on this surface by both of HVOF and flame spray techniques. Microstructure evaluation, synthesized powders, coatings and coating/substrate interfaces characterizations were done by X-ray diffractometry and scanning electron microscopy. Corrosion behaviors were checked by various methods. Profilometry results showed that in comparison of HA coating on the anodized substrate by HVOF with HA coating on the anodized substrate by flame spraying, the roughness reduces from 10 µm to 6 µm. Moreover, stable HA phase percentage reached from 96.2% to 61.8%. Electrochemical impedance spectroscopy revealed that in the primary hours, impedance of HA coating by HVOF was more than HA coating by flame spraying. But, in the flame sprayed coating, the impedance increased with the passing time. Corrosion rate of HA coating by HVOF after 30 h immersion at SBF was 0.05 mg/cm 2 .h and for HA coating by flame spraying was 0.1 mg/cm 2 .h. By elemental analysis on the corroded surfaces, a gradual formation of a protective layer from corrosion products on the surface in the flame sprayed coating was detected. More solubility of calcium phosphate coating in the SBF solution caused more appearance of Ca and P ions in the surrounding of corroded surface and made pseudo bone apatite formation and resorption of these ions on the surface. For more controlling of Mg-based alloy substrate corrosion rate, plasma electrolyte oxidation (PEO) was used for making an intermediate layer. Potentiodynamic results showed that in comparison of HA coating on the anodized surface, the corrosion current and potential of this coating were reduced from 0.01 A/cm 2 and -1500 V to 0.05×10 -9 A/cm 2 and -1.5 V.

هدف کلي از انجام اين پژوهش افزايش هم زمان مقاومت به خوردگي و زيست فعالي سطح آلياژ پايه منيزيم است. در اين پژوهش پوشش نانوساختار هيدروکسي آپاتيت بر روي آلياژ پايه منيزيم ايجاد شد. به اين منظور ابتدا پودر HA از دو منبع معدني و استخواني با استفاده از روش هاي مکانوشيميايي و تکليس و آسياب کاري سنتز شد. سپس با استفاده از فرآيند آندايزينگ، لايه مياني اکسيد منيزيم بر روي زيرلايه منيزيم سندبلاست شده ايجاد شده و بعد از آن عمليات پوشش دهي HA با استفاده از پاشش شعله اي سرعت بالا (HVOF) و همچنين پاشش شعله اي (Flame spray) انجام شد. بررسي ريزساختار، مشخصه يابي پودر سنتز شده و پوشش و بررسي ريزساختاري فصل مشترک پوشش/ زيرلايه با استفاده از پراش پرتو ايکس و ميکروسکوپ الکتروني روبشي انجام شد. آزمون زبري سنجي سطح پوشش ها انجام گرفت. آزمون رهايش گاز هيدروژن نيز براي ارزيابي ميزان خوردگي پوشش هاي پاشش حرارتي شده و آزمون زبري سنجي سطح پوشش ها صورت گرفت. هم چنين آزمون طيف سنجي امپدانس الکتريکي در محلول SBF براي بررسي تأثير لايه هاي مختلف بر روي خوردگي پوشش نهايي انجام شد. نتايج زبري سنجي سطح نشان داد که زبري در پوشش هاي HA ايجاد شده بر روي زيرلايه آندايز شده به روش پاشش شعله اي سرعت بالا، در مقايسه با پوشش HA ايجاد شده به روش پاشش شعله اي از 10 ميکرومتر به 6 ميکرومتر کاهش يافت. همچنين نتايج تحليلي الگوهاي پراش پرتو ايکس نشان داد که در اين دو پوشش درصد فاز پايدار HA به ترتيب از 2/96 درصد به 8/61 درصد کاهش يافت. مکانيزم خوردگي پوشش هاي مختلف با استفاده از آزمون هاي خوردگي ذکر شده براي لايه هاي مختلف بررسي شد. طيف سنجي امپدانس الکتروشيميايي پوشش ها نشان داد که در ساعات اوليه، امپدانس پوشش هاي HA ايجاد شده به روش پاشش شعله اي سرعت بالا کم تر از پوشش هاي HA ايجاد شده به روش پاشش شعله اي بود. اما با گذشت زمان، مقدار امپدانس اين پوشش ها کاهش يافته و امپدانس پوشش ايجاد شده به روش پاشش شعله اي افزايش يافت. مطالعات عنصري بر روي سطوح خورده شده و تصاوير ميکروسکوپ الکتروني، سازوکار افزايش امپدانس با گذشت زمان را بر روي اين پوشش ها مشخص کرد. انحلال بيش تر پوشش کلسيم فسفاتي در محلول باعث حضور بيش تر يون هاي کلسيم و فسفر در اطراف سطح خورده شده و باعث تشکيل آپاتيت هاي شبه استخواني و جذب دوباره اين يون ها بر روي سطح اين پوشش شد. مي توان گفت تشکيل لايه محافظ حاصل از محصولات خوردگي در پوشش هاي ايجاد شده به روش پاشش شعله اي، با گذشت زمان باعث کاهش نرخ خوردگي تدريجي اين پوشش شده است. در ادامه کار، براي کنترل بيشتر نرخ خوردگي آلياژ پايه منيزيم، از روش اکسيداسيون الکتروليت پلاسما (PEO) براي ايجاد لايه مياني استفاده شد. نتايج آزمون پلاريزاسيون پتانسيوديناميک نشان داد که جريان و پتانسيل خوردگي اين نمونه در مقايسه با نمونه آندايز شده از 1500- ولت و 01/0 آمپر بر سانتي متر مربع به 5/1- ولت و 9- 10× 05/0 آمپر بر سانتي متر مربع کاهش يافت. مطالعات ميکروسکوپ الکتروني در مقطع عرضي نشان داد که در مقايسه با لايه مياني آندايز شده، اين لايه به دليل دارا بودن دو بخش متخلخل در بالا و متراکم در فصل مشترک پوشش با زيرلايه اثرگذاري بيشتري بر روي مقاومت به خوردگي پوشش هاي HA دارد. زيرا بخش متراکم با پوشش کامل سطح زيرلايه از تماس آن با محلول جلوگيري مي کند. از طرف ديگر بخش متخلخل در فصل مشترک پوشش PEO با لايه HA باعث افزايش يکپارچگي دو پوشش باهم شود. در مجموع ، روش پاشش شعله اي عملکرد بهتري نسبت به روش پاشش شعله اي سرعت بالا از خود نشان داد. مقاومت به خوردگي در پوشش HA پاشش شعله اي بر روي زيرلايه PEO شده نسبت به ساير پوشش ها بيشتر بود و نشان داده شد که لايه PEO مي تواند نيازهاي مورد انتظار براي استفاده به عنوان يک لايه مياني را بخوبي برآورده کند.