SUPERVISOR
Mohammad Hosein Fathi,Hamidreza Salimi jazi
محمدحسين فتحي (استاد راهنما) حميدرضا سليمي جزي (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Akbarian
حامد اکبريان دهاقاني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
The effect of process parameters and synthesize conditions on properties of electrodeposited hydroxtapatite coating
Hydroxyapatite(HA) is a bioactive and biocompatible bioceramic that is similar to mineral part of bone. Due to weakness in mechanical properties of HA, like toughness and bending strength, it doesn’t use in load bearing applications. HA coating on implant, with high mechanical properties, is one of the best applications of HA. This study aimed at preparing HA by 4 methods and coating on medical grade 316l stainless steel by electrophoretic deposition technique and comparing mechanical properties and bioactivity of coating in addition corrosion resistance of 316l stainless steel. Hence HA synthesized by sol-gel, mechanical activation, and natural derived and wet chemistry methods and electrophoretically deposited on medical grade 316l stainless steel. The suspension consisted of methanol. Cathode and anode were medical grade 316l stainless steel. Deposition was achieved on the cathode at 30 V in 3 minutes at constant voltage. Phase purity of the powders and coated samples were investigated by X-Ray Diffraction (XRD (. Distribution and Zeta potential of HA particles measured by Dynamic Light Scattering (DLS). The surface morphology of the samples was studied by a Scanning Electron Microscopy (SEM). Roughness, thickness of the coatings and volume ratio of coatings porosities were measured. The adhesive strength of coatings was measured by pull off test. Particle size of coating was studied by a Transmission Electron Microscopy (TEM). In vitro bioactivity evaluations were performed in simulated body fluid for 28 days. The potentiodynamic cyclic polarization test was carried out to evaluate the corrosion behavior of the coated and uncoated specimens. Results revealed that bone-derived HA powder and coating had the most purity and crystallinity and the lowest porosity. Coatings were nanostructured. The least particle size of powder and coating belonged to the powder synthesized by sol-gel and electrophoretically deposited coating respectively. The lowest roughness related to the coating by HA powder synthesized by wet chemistry method. The thickest coating related to the specimen coated by HA powder synthesizes by mechanical activation method. The most adhesive strength related to the bone-derived HA coating. The bone-derived HA coated 316l had the maximum pitting and repassivation potential leads to an increase in pitting corrosion resistance. Keywords : Hydroxyapatite, nanostructured coating, electrophoretic deposition, 316l stainless steel.
استفاده از نانوذرات هيدروکسي آپاتيت براي تهيه پوشش رسوب گذاري الکتروفورتيکي بر زيرلايه فلزي با قابليت کاشت در بدن، يکي از گسترده ترين موارد مصرف اين بيوسراميک است. از آنجايي که نانوذرات هيدروکسي آپاتيت ساخته شده با روش هاي مختلف فراوري نانومواد، از لحاظ ساختاري، خلوص و اندازه دانه با يکديگر متفاوت هستند، در پژوهش حاضر تلاش شد تا تأثير پارامترهاي فرايند و شرايط ساخت نانوذرات هيدروکسي آپاتيت بر خواص پوشش هيدروکسي آپاتيت رسوب گذاري الکتروفورتيک شده، ارزيابي شود. از سوي ديگر، با توجه به خواص پوشش هاي ساخته شده و مقايسه آن ها، يک روش ساخت بهينه نانوذرات هيدروکسي آپاتيت که جهت پوشش دهي به روش رسوب گذاري الکتروفورتيک بر زيرلايه فولادزنگ نزن 316 ال مطلوب و مناسب است، تعيين شود. در مرحله ي نخست، نانوذرات هيدروکسي آپاتيت به روش هاي سل ژل، فعال سازي مکانيکي، استحصال طبيعي و نيز شيمي تر ساخته شد. سپس فرايند پوشش دهي هر يک از نانوذرات هيدروکسي آپاتيت ساخته شده با روش رسوب گذاري الکتروفورتيک در شرايط يکسان با الکترودهاي کاتد وآند فولادزنگ نزن 316ال، ولتاژ بهينه30 ولت و مدت زمان سه دقيقه در محلول متانول، روي الکترود کاتد انجام شد. فازشناسي و مشخصه يابي ساختار فازي نانوذرات و پوشش هاي هيدروکسي آپاتيت تهيه شده، با تکنيک پراش پرتوايکس انجام شد. براي ارزيابي اندازه نانو ذرات هيدروکسي آپاتيت از آزمون پراکندگي نوري ديناميک استفاده شد. پتانسيل زتاي نانوذرات تهيه شده نيز در محلول پوشش دهي اندازه گيري شد تا از نحوه تعليق آن ها کسب اطلاع شود. به منظور مطالعه مورفولوژي وريزساختار، سنجش زبري، ارزيابي نسبت حجمي تخلخل ها و تعيين ضخامت پوشش ها از ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده شد.آزمون استحکام چسبندگي نيز براي سنجش و تعيين مقدار چسبندگي پوشش ها به انجام رسيد. نمونه هايي از پوشش ها نيز به مدت 28 روز در محلول شبيه سازي شده بدن در دماي 37 درجه سانتيگراد قرار گرفت تا چگونگي تشکيل آپاتيت شبه استخواني بر سطح آن ها ارزيابي شود. براي ارزيابي مقاومت به خوردگي حفره اي فولاد زنگ نزن پوشش داده شده با نانوذرات هيدروکسي آپاتيت نيز آزمون الکتروشيميايي پلاريزاسيون سيکلي انجام شد. نتايج نشان داد، بيشترين خلوص در محصول مربوط به پودرهاي ساخته شده به روش هاي سل ژل و استحصال طبيعي بود. با توجه به تفاوت در فرايندهاي ساخت نانوذرات هيدروکسي آپاتيت، بيشترين ميزان بلوري شدن مربوط به نانوذرات ساخته شده به روش استحصال طبيعي و برابر 68 درصد بود. کمترين اندازه ذرات مربوط به نانوذرات ساخته شده به روش سل ژل و برابر 65 نانومتر بود. مقادير پتانسيل زتاي نانوذرات، تعليق مناسب آن ها را تأييد کرد. بيشترين خلوص پوشش مربوط به نمونه هايي است که به ترتيب با نانوذرات هيدروکسي آپاتيت حاصل از روش هاي استحصال طبيعي، سل ژل، شيمي تر و فعال سازي مکانيکي ساخته شده اند. تصاوير ميکروسکوپي الکتروني عبوري نيز نشان داد که کم ترين اندازه ذرات پوشش، مربوط به پوشش ساخته شده به روش سل ژل و برابر 27 نانومتر بود. ترتيب مذکور با نتايج حاصل از آزمون پراکندگي نوري ديناميک تطابق داشت و نشان داد پوشش هاي تهيه شده، نانوساختار است. کمترين زبري سطح پوشش مربوط به نمونه هايي است که نانوذرات از روش شيمي تر ساخته شده است و برابر 2 / 4 ميکرومتر بود. کمترين نسبت سطحي تخلخل پوشش مربوط به نمونه اي است که نانوذرات به روش استحصال طبيعي ساخته شده است و برابر 12 درصد بود. بيشترين ضخامت پوشش مربوط به نمونه اي است که با نانوذرات حاصل از روش فعال سازي مکانيکي ساخته شده است و برابر 99 ميکرومتر بود. بيشترين استحکام چسبندگي مربوط به پوششي است که با نانوذرات حاصل از روش استحصال طبيعي ساخته شد و برابر 3 / 11 مگاپاسکال بود. نتايج مطالعه با ميکروسکوپ الکتروني روبشي از سطح نمونه پوشش ها پس از 28 روز غوطه وري در محلول شبيه سازي شده بدن، نشان دادکه بيشترين رسوبات آپاتيت شبه استخواني بر سطح پوششي تشکيل شده که با نانوذرات اوليه حاصل از روش استحصال طبيعي، ساخته شده است. زيرلايه با پوشش هيدروکسي آپاتيت که با نانوذرات حاصل از روش استحصال طبيعي ساخته شده بود، بيشترين مقدار پتانسيل هاي حفره دار شدن برابر 56 / 0 ولت و روئين شدن مجدد برابر 15 / 0 ولت را داشت. بنابراين، مقاومت به خوردگي حفره اي زيرلايه فولادزنگ نزن 316ال با پوشش هيدروکسي آپاتيت که با نانوذرات حاصل از روش استحصال طبيعي ساخته شده است، بيشتر از ساير نمونه هاست.