SUPERVISOR
Mohammad Hosein Fathi,Hamidreza Salimi jazi
محمدحسین فتحی (استاد راهنما) حمیدرضا سلیمی جزی (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Akbarian
حامد اکبریان دهاقانی
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 هیدروکسی آپاتیت برای تهیه پوشش رسوب گذاری الکتروفورتیکی بر زیرلایه فلزی با قابلیت کاشت در بدن، یکی از گسترده ترین موارد مصرف این بیوسرامیک است. از آنجایی که نانوذرات هیدروکسی آپاتیت ساخته شده با روش های مختلف فراوری نانومواد، از لحاظ ساختاری، خلوص و اندازه دانه با یکدیگر متفاوت هستند، در پژوهش حاضر تلاش شد تا تأثیر پارامترهای فرایند و شرایط ساخت نانوذرات هیدروکسی آپاتیت بر خواص پوشش هیدروکسی آپاتیت رسوب گذاری الکتروفورتیک شده، ارزیابی شود. از سوی دیگر، با توجه به خواص پوشش های ساخته شده و مقایسه آن ها، یک روش ساخت بهینه نانوذرات هیدروکسی آپاتیت که جهت پوشش دهی به روش رسوب گذاری الکتروفورتیک بر زیرلایه فولادزنگ نزن 316 ال مطلوب و مناسب است، تعیین شود. در مرحله ی نخست، نانوذرات هیدروکسی آپاتیت به روش های سل ژل، فعال سازی مکانیکی، استحصال طبیعی و نیز شیمی تر ساخته شد. سپس فرایند پوشش دهی هر یک از نانوذرات هیدروکسی آپاتیت ساخته شده با روش رسوب گذاری الکتروفورتیک در شرایط یکسان با الکترودهای کاتد وآند فولادزنگ نزن 316ال، ولتاژ بهینه30 ولت و مدت زمان سه دقیقه در محلول متانول، روی الکترود کاتد انجام شد. فازشناسی و مشخصه یابی ساختار فازی نانوذرات و پوشش های هیدروکسی آپاتیت تهیه شده، با تکنیک پراش پرتوایکس انجام شد. برای ارزیابی اندازه نانو ذرات هیدروکسی آپاتیت از آزمون پراکندگی نوری دینامیک استفاده شد. پتانسیل زتای نانوذرات تهیه شده نیز در محلول پوشش دهی اندازه گیری شد تا از نحوه تعلیق آن ها کسب اطلاع شود. به منظور مطالعه مورفولوژی وریزساختار، سنجش زبری، ارزیابی نسبت حجمی تخلخل ها و تعیین ضخامت پوشش ها از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد.آزمون استحکام چسبندگی نیز برای سنجش و تعیین مقدار چسبندگی پوشش ها به انجام رسید. نمونه هایی از پوشش ها نیز به مدت 28 روز در محلول شبیه سازی شده بدن در دمای 37 درجه سانتیگراد قرار گرفت تا چگونگی تشکیل آپاتیت شبه استخوانی بر سطح آن ها ارزیابی شود. برای ارزیابی مقاومت به خوردگی حفره ای فولاد زنگ نزن پوشش داده شده با نانوذرات هیدروکسی آپاتیت نیز آزمون الکتروشیمیایی پلاریزاسیون سیکلی انجام شد. نتایج نشان داد، بیشترین خلوص در محصول مربوط به پودرهای ساخته شده به روش های سل ژل و استحصال طبیعی بود. با توجه به تفاوت در فرایندهای ساخت نانوذرات هیدروکسی آپاتیت، بیشترین میزان بلوری شدن مربوط به نانوذرات ساخته شده به روش استحصال طبیعی و برابر 68 درصد بود. کمترین اندازه ذرات مربوط به نانوذرات ساخته شده به روش سل ژل و برابر 65 نانومتر بود. مقادیر پتانسیل زتای نانوذرات، تعلیق مناسب آن ها را تأیید کرد. بیشترین خلوص پوشش مربوط به نمونه هایی است که به ترتیب با نانوذرات هیدروکسی آپاتیت حاصل از روش های استحصال طبیعی، سل ژل، شیمی تر و فعال سازی مکانیکی ساخته شده اند. تصاویر میکروسکوپی الکترونی عبوری نیز نشان داد که کم ترین اندازه ذرات پوشش، مربوط به پوشش ساخته شده به روش سل ژل و برابر 27 نانومتر بود. ترتیب مذکور با نتایج حاصل از آزمون پراکندگی نوری دینامیک تطابق داشت و نشان داد پوشش های تهیه شده، نانوساختار است. کمترین زبری سطح پوشش مربوط به نمونه هایی است که نانوذرات از روش شیمی تر ساخته شده است و برابر 2 / 4 میکرومتر بود. کمترین نسبت سطحی تخلخل پوشش مربوط به نمونه ای است که نانوذرات به روش استحصال طبیعی ساخته شده است و برابر 12 درصد بود. بیشترین ضخامت پوشش مربوط به نمونه ای است که با نانوذرات حاصل از روش فعال سازی مکانیکی ساخته شده است و برابر 99 میکرومتر بود. بیشترین استحکام چسبندگی مربوط به پوششی است که با نانوذرات حاصل از روش استحصال طبیعی ساخته شد و برابر 3 / 11 مگاپاسکال بود. نتایج مطالعه با میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح نمونه پوشش ها پس از 28 روز غوطه وری در محلول شبیه سازی شده بدن، نشان دادکه بیشترین رسوبات آپاتیت شبه استخوانی بر سطح پوششی تشکیل شده که با نانوذرات اولیه حاصل از روش استحصال طبیعی، ساخته شده است. زیرلایه با پوشش هیدروکسی آپاتیت که با نانوذرات حاصل از روش استحصال طبیعی ساخته شده بود، بیشترین مقدار پتانسیل های حفره دار شدن برابر 56 / 0 ولت و روئین شدن مجدد برابر 15 / 0 ولت را داشت. بنابراین، مقاومت به خوردگی حفره ای زیرلایه فولادزنگ نزن 316ال با پوشش هیدروکسی آپاتیت که با نانوذرات حاصل از روش استحصال طبیعی ساخته شده است، بیشتر از سایر نمونه هاست.