SUPERVISOR
Masoud Atapoor,Mehdi Alizadeh
مسعود عطاپور (استاد راهنما) مهدي علي زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Atie Asadi
عطيه اسدي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Fabrication and characterization of magnesium based degradable nanocomposites containing carbon nanotubes and zinc oxide for orthopedic implants
In recent years, bone fractures have become an important issue in the field of health. Fractures are treated with complex and expensive methods that use biomaterials. Biodegradable metal biomaterials should be used if temporary support and load-bearing capacity are required to heal the bone. One of the biodegradable metals is magnesium, which is suitable for what it has attracted due to its environment, biodegradability and Young modulus. With the current situation, which has high corrosion and wear and poor mechanical properties, has limited its use in orthopedic applications. Making magnesium-based composites is one of the methods to improve the mentioned properties, which by strengthening the appropriate background, strengthens and makes the manufacturing method. For this purpose, pure magnesium nanocomposites with reinforced carbon and oxidized nanotubes have been proposed using spark plasma interpretation process and optimization of manufacturing conditions and finally the best quality to achieve degradation price and suitable mechanical, abrasion and biological properties. is. For this purpose, the composites were prepared in powder using ultrasonic probi and mechanical stirrer and then integrated and formed oxide. Then each of the composites is made in different conditions by spark plasma welding. For the magnesium composite, it is reinforced with carbon nanotubes, which chose the manufacturing conditions of 580 ° C, a pressure of 50 MPa and a time of 20 minutes to choose from. In these conditions, the relative density is 99.78 02 0.02%, the hardness is 554.54 5 4.5, the compressive strength is 224.9 4 4.15 MPa and the fracture strain is 15.75 /0 0.6. Also, the manufacturing conditions of 580 and 320 ° C, pressure of 50 MPa and time of 20 minutes, the optimal conditions for the manufacture of magnesium composite reinforced with oxide were selected. In this case, the sample is removed from the melt and the relative density is 90.05 05 0.05%, hardness 6.09.65.2 microseconds for magnesium field and 218.23.29.21 for anti-products, compressive strength 3.82 245 ?7 and break strain of 19.58 8 0.7 were obtained. The use of the results showed that the use of the addition of reinforcing particles to change the manufacturing parameters also increases the reliability of the mechanical properties of the magnesium field. In addition, in the case of the wetting angle, which has been proven to corrode and biomarkers of the samples, it was shown that the pure magnesium sample has an angle of 54 degrees, which reaches 99 and 95 degrees with the addition of carbon nanotubes and 51 and 95 degrees with zinc oxide particles. He took three examples of cases that show resistance to 734, 80, and 1550 for pure magnesium, magnesium-nanotubes, carbon, and magnesium-oxide. Also, the corrosion potential has been obtained from -5.41 for pure magnesium sample to -1.43 for both composites, and the carbon-amplifier has increased the corrosion current density of magnesium from 5.77 to 1754-54 A / cm2, while Which oxidized particles reduced it to 3.29 A / cm2. Also, the pH value of the solution in the immersion test showed that after 10 hours, the pH value for both samples could be 8.3, which after 7 days reached 10.09, the numbers 10.09 for pure magnesium and 9.6 for the composite. . The formation of hydroxyapatite on the surface was also confirmed after 10 hours. In the case of abrasion test, the coefficient of friction of pure magnesium was also reported to be 0.31, while this number has reached 2.7 for the composite and improves the strength in the report. According to the results, both amplifiers purify magnesium, and this composite uses the potential to be used as a recruitment implant.
در سالهاي اخير شکستگي استخوان به يک موضوع مهم درحوزه سلامتي تبديل شده است. درمان شکستگيها با روشهاي معمول پيچيده و گران ميباشد که منجر به استفاده از بيومواد استخواني شده است. در صورت نياز به پشتيباني موقت و قابليت حمل بار براي بهبود استخوان بايد بيومواد تخريبپذير فلزي مورد استفاده قرار بگيرند. يکي از فلزات زيستتخريبپذير منيزيم ميباشد که به دليل زيستسازگاري، زيستتخريبپذيري و مدول يانگ مناسب توجهات زيادي را به خود جلب کرده است. با اين حال نرخ خوردگي و سايش بالا و خواص مکانيکي ضعيف باعث محدوديت استفاده از آن در کاربردهاي ارتوپدي شده است. ساخت کامپوزيتهاي برپايه منيزيم يکي از روشهاي بهبود خواص ذکر شده ميباشد که با انتخاب مناسب زمينه، تقويتکننده و روش ساخت حاصل ميشود. بر اين اساس هدف از پژوهش حاضر ساخت نانوکامپوزيتهاي منيزيم خالص تقويتشده با نانولولههايکربني و اکسيدروي با استفاده از فرآيند تفجوشي پلاسماي جرقهاي و بهينهسازي شرايط ساخت و در نهايت ارزيابي خواص براي دستيابي به نرخ تخريب و خواص مکانيکي، سايش و زيستي مناسب ميباشد. به اين منظور در ابتدا پودر کامپوزيتها با استفاده از آلتراسونيک پرابي و همزن مکانيکي آمادهسازي شد و پس از آن پراکندگي يکنواخت تقويتکننده و جلوگيري از تشکيل اکسيد مشاهده شد. در ادامه هر يک از کامپوزيتها در شرايط متفاوت توسط تفجوشي پلاسماي جرقهاي ساخته شدند. براي کامپوزيت منيزيم تقويت شده با نانولولههايکربني شرايط ساخت دماي 580 درجه سانتيگراد، فشار 50 مگاپاسکال و زمان 20 دقيقه شرايط بهينه انتخاب شد. در اين شرايط چگالي نسبي 02/0±78/99 درصد، سختي5/4±54/55 ميکروويکرز، استحکام فشاري 15/4±9/224 مگا پاسکال و کرنش شکست 6/0±75/15 درصد به دست آمد. همچنين شرايط ساخت دماي 580 و320 درجه سانتيگراد، فشار 50 مگاپاسکال و زمان 20 دقيقه، شرايط بهينه براي ساخت کامپوزيت منيزيم تقويتشده با اکسيدروي انتخاب شد. در اين حالت از ذوب شدن نمونه جلوگيري شده و چگالي نسبي 05/0±05/90 درصد، سختي 2/65±09/6 ميکرويکرز براي زمينه منيزيم و 71/29±23/218 براي محصولات واکنش، استحکام فشاري 82/3±7/245وکرنش شکست7/0±58/19 حاصل شد. بنابراين نتايج نشان داد که علاوه بر افزودن ذرات تقويتکننده تغيير پرامترهاي ساخت نيز منجر به افزايش قابلتوجه خواص مکانيکي زمينه منيزيم ميشود. علاوه بر اين ارزيابي زاويه ترشوندگي که برخواص خوردگي و زيستي نمونهها اثرگذار است نشان داد که نمونه منيزيم خالص داراي زاويه 54 درجه ميباشد که با افزودن نانولولههايکربني به 99 و با ذرات اکسيد روي به 51 و 95 درجه ميرسد. خواص خوردگي اين سه نمونه مورد ارزيابي قرار گرفت که مشاهده شد مقاومت پلاريزاسيون به ترتيب 734، 80 و 1550 براي منيزيم خالص، منيزيم-نانولولههايکربني و منيزيم-اکسيدروي ميباشد. همچنين پتانسيل خوردگي از 54/1-براي نمونه منيزيم خالص به 43/1- براي هردو کامپوزيت رسيده است وتقويتکنندهکربني چگالي جريان خوردگي منيزيم را از 77/5 بهmA/cm 2 54/171 افزايش داده است در حالي که ذرات اکسيدروي باعث کاهش آن بهmA/cm 2 29/3 شده است. همچنين بررسي مقدار pH محلول در آزمون غوطهوري نشان داد پس از گذشت 10 ساعت مقدار pH براي هر دو نمونه 3/8 ميباشد که پس از گذشت 7 روز به اعداد 09/10 براي منيزيم خالص و 6/9 براي کامپوزيت رسيد. همچنين تشکيل هيدروکسيآپاتيت بر روي سطح را پس از 10 ساعت تأييد شد. در مورد آزمون سايش نيز ضريب اصطکاک منيزيم خالص 31/0 گزارش شد در حالي که اين عدد به 7/2 براي کامپوزيت رسيده است و بهبود مقاومت به سايش گزارش شد. بنابراين با توجه به نتايج، هر دو تقويتکننده باعث بهبود خواص منيزيم خالص شده و بنابراين اين کامپوزيت ها پتانسيل زيادي براي کاربرد به عنوان ايمپلنتهاي استخواني دارد.