Skip to main content
SUPERVISOR
Fakhreddin Ashrafizadeh,Mohammad Hosein Fathi
سیدفخرالدین اشرفی زاده (استاد راهنما) محمدحسین فتحی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Shiva Sadat Daee
شیواسادات داعی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Fabrication, Characterization and Comparative Evaluation of Hydroxyapatite-Calcium titanate and Hydroxyapatite-Barium titanate Nanocomposite Coatings for Biocompatibility Improvement of Stainless Steel 316L Substrate
Despite considerable biocompatibility of hydroxyapatite bioceramic, its application is limited due to poor mechanical properties. This problem can be solved through the production of composites with other ceramics, such as the titanates. In the present study, calcium titanate and barium titanate nanopowders were prepared by sol-gel method and nanocomposite coatings of hydroxyapatite-calcium titanate and hydroxyapatite-barium titanate were then made by deep coating method and characterized. To produce coatings with the best properties, 10, 20 and 30 wt% of calcium titanate particles as reinforcement were distributed in hydroxyapatite matrix. Structure and morphology of the nanopowders and coatings were investigated using X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). In order to evaluate the bioactivity, the coated samples were immersed in the simulated body fluid for 3, 7, 14 and 28 days at 37 °C. To evaluate the corrosion behavior, especially pitting corrosion of coated and primary uncoated samples, the electrochemical corrosion tests were used. The mechanical properties of coatings were also investigated using nano-indentation tests. The results from the present investigation confirmed that the nanoparticles were successfully formed and the suitable amount of reinforcement used in the hydroxyapatite matrix was 20 wt%. The dense, homogeneous and crack-free coatings were obtained. Bioactivity evaluation showed that after immersion of the coated samples in the simulated body fluid within the specified time, apatite formed on the surface of the coating increases with increasing immersion time which is adequate proof of bioactivity. Nano-indentation tests also implied an increase in the mechanical properties of the composite coatings, such as hardness and elastic modulus compared with the single-phase hydroxyapatite coating. The results of electrochemical corrosion tests showed that the coatings protect the substrate by creating a mechanical barrier which increases corrosion resistance and reduces susceptibility to pitting. By comparing the effects of adding calcium titanate and barium titanate on the properties of the coatings, it was found that better properties were achieved by barium titanate. The results confirm that hydroxyapatite-calcium titanate and hydroxyapatite-barium titanate composite coatings reveal promising characteristics as candidates to be used for medical applications. Keywords : Hydroxyapatite, Calcium titanate, Barium titanate, Nanocomposite Coating, Sol-gel.
با وجود زیست سازگاری قابل توجه بیوسرامیک هیدروکسی آپاتیت، کاربرد آن به علت خواص مکانیکی ضعیف محدود شده است. این مشکل می تواند از طریق ساخت کامپوزیت با سایر سرامیک ها مانند انواع تیتانات ها برطرف شود. در این تحقیق ابتدا نانوپودرهای تیتانات کلسیم و تیتانات باریم به روش سل-ژل و سپس پوشش های نانوکامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت-تیتانات کلسیم و هیدروکسی آپاتیت-تیتانات باریم به روش غوطه وری (فروبردن) عمیق تهیه و مشخصه یابی شدند. به منظور تهیه هرکدام از پوشش ها، 10، 20 و 30 درصد وزنی از ذرات تیتانات کلسیم به عنوان تقویت کننده در زمینه هیدروکسی آپاتیت مهیا شد تا مناسب ترین ترکیب از لحاظ خواص حاصل شود. تکنیک های پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ های الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری و آنالیز عنصری به کمک طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس برای مطالعه و بررسی مورفولوژی و ساختار نانوپودرها و پوشش ها مورد استفاده قرار گرفتند. به منظور ارزیابی رفتار زیست فعالی، نمونه های پوشش داده شده به مدت 3، 7، 14 و 28 روز در محلول شبیه سازی شده بدن در دمای 37 درجه سانتی گراد قرار داده شدند. سپس آزمون الکتروشیمیایی خوردگی برای ارزیابی رفتار خوردگی نمونه های پوشش دار در مقایسه با نمونه بدون پوشش اولیه به ویژه خوردگی حفره ای انجام شد. آزمون دندانه گذار نانو نیز جهت سنجش خواص مکانیکی پوشش ها انجام شد. نتایج حاکی از تهیه موفقیت آمیز پودرهای تقویت کننده در ابعاد نانو بود و بهترین میزان تقویت کننده استفاده شده در زمینه هیدروکسی آپاتیت 20 درصد وزنی شناخته شد. پوشش ها با ساختاری متراکم، یکنواخت و بدون ترک بودند. ارزیابی زیست فعالی نشان داد که پس از غوطه وری نمونه های پوشش داده شده در مدت زمان های مشخص در محلول شبیه سازی شده بدن، آپاتیت بر سطح پوشش ها تشکیل و با افزایش زمان غوطه وری میزان آن افزایش می یابد که اثباتی بر زیست فعالی مطلوب پوشش ها می باشد. آزمون دندانه گذار نانو نیز دلالت بر افزایش خواص مکانیکی پوشش های کامپوزیتی از جمله سختی و ضریب کشسانی در مقایسه با پوشش تک فاز هیدروکسی آپاتیت داشت. نتایج حاصل از آزمون های الکتروشیمیایی خوردگی نشان داد که پوشش ها از طریق ایجاد یک مانع مکانیکی، سبب محافظت از زیرلایه شده و مقاومت به خوردگی آن را افزایش و حساسیت به حفره ای شدن آن را کاهش می دهند. با مقایسه تاثیرات افزودن تیتانات کلسیم و تیتانات باریم بر خواص این پوشش ها، مشاهده شد که در مجموع تیتانات باریم خواص بهتری را حاصل نموده است. دستاوردهای پژوهش حاصل موید آن است که پوشش های کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت-تیتانات کلسیم و هیدروکسی آپاتیت-تیتانات باریم مشخصات امیدبخشی را به عنوان کاندید جهت استفاده برای کاربردهای پزشکی نشان می دهند. کلمات کلیدی: هیدروکسی آپاتیت، تیتانات کلسیم، تیتانات باریم، پوشش نانوکامپوزیتی، سل-ژل.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی