توسعه و ارزیابی پوشش های نانوساختار هیدروکسی آپاتیت به روش پاشش حرارتی بر سطح آلیاژ منیزیم و عملکرد آن ها بر روی ساز و کار زیست تخریب پذیری

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 کلی از انجام این پژوهش افزایش هم زمان مقاومت به خوردگی و زیست فعالی سطح آلیاژ پایه منیزیم است. در این پژوهش پوشش نانوساختار هیدروکسی آپاتیت بر روی آلیاژ پایه منیزیم ایجاد شد. به این منظور ابتدا پودر HA از دو منبع معدنی و استخوانی با استفاده از روش های مکانوشیمیایی و تکلیس و آسیاب کاری سنتز شد. سپس با استفاده از فرآیند آندایزینگ، لایه میانی اکسید منیزیم بر روی زیرلایه منیزیم سندبلاست شده ایجاد شده و بعد از آن عملیات پوشش دهی HA با استفاده از پاشش شعله ای سرعت بالا (HVOF) و همچنین پاشش شعله ای (Flame spray) انجام شد. بررسی ریزساختار، مشخصه یابی پودر سنتز شده و پوشش و بررسی ریزساختاری فصل مشترک پوشش/ زیرلایه با استفاده از پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. آزمون زبری سنجی سطح پوشش ها انجام گرفت. آزمون رهایش گاز هیدروژن نیز برای ارزیابی میزان خوردگی پوشش های پاشش حرارتی شده و آزمون زبری سنجی سطح پوشش ها صورت گرفت. هم چنین آزمون طیف سنجی امپدانس الکتریکی در محلول SBF برای بررسی تأثیر لایه های مختلف بر روی خوردگی پوشش نهایی انجام شد. نتایج زبری سنجی سطح نشان داد که زبری در پوشش های HA ایجاد شده بر روی زیرلایه آندایز شده به روش پاشش شعله ای سرعت بالا، در مقایسه با پوشش HA ایجاد شده به روش پاشش شعله ای از 10 میکرومتر به 6 میکرومتر کاهش یافت. همچنین نتایج تحلیلی الگوهای پراش پرتو ایکس نشان داد که در این دو پوشش درصد فاز پایدار HA به ترتیب از 2/96 درصد به 8/61 درصد کاهش یافت. مکانیزم خوردگی پوشش های مختلف با استفاده از آزمون های خوردگی ذکر شده برای لایه های مختلف بررسی شد. طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی پوشش ها نشان داد که در ساعات اولیه، امپدانس پوشش های HA ایجاد شده به روش پاشش شعله ای سرعت بالا کم تر از پوشش های HA ایجاد شده به روش پاشش شعله ای بود. اما با گذشت زمان، مقدار امپدانس این پوشش ها کاهش یافته و امپدانس پوشش ایجاد شده به روش پاشش شعله ای افزایش یافت. مطالعات عنصری بر روی سطوح خورده شده و تصاویر میکروسکوپ الکترونی، سازوکار افزایش امپدانس با گذشت زمان را بر روی این پوشش ها مشخص کرد. انحلال بیش تر پوشش کلسیم فسفاتی در محلول باعث حضور بیش تر یون های کلسیم و فسفر در اطراف سطح خورده شده و باعث تشکیل آپاتیت های شبه استخوانی و جذب دوباره این یون ها بر روی سطح این پوشش شد. می توان گفت تشکیل لایه محافظ حاصل از محصولات خوردگی در پوشش های ایجاد شده به روش پاشش شعله ای، با گذشت زمان باعث کاهش نرخ خوردگی تدریجی این پوشش شده است. در ادامه کار، برای کنترل بیشتر نرخ خوردگی آلیاژ پایه منیزیم، از روش اکسیداسیون الکترولیت پلاسما (PEO) برای ایجاد لایه میانی استفاده شد. نتایج آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک نشان داد که جریان و پتانسیل خوردگی این نمونه در مقایسه با نمونه آندایز شده از 1500- ولت و 01/0 آمپر بر سانتی متر مربع به 5/1- ولت و 9- 10× 05/0 آمپر بر سانتی متر مربع کاهش یافت. مطالعات میکروسکوپ الکترونی در مقطع عرضی نشان داد که در مقایسه با لایه میانی آندایز شده، این لایه به دلیل دارا بودن دو بخش متخلخل در بالا و متراکم در فصل مشترک پوشش با زیرلایه اثرگذاری بیشتری بر روی مقاومت به خوردگی پوشش های HA دارد. زیرا بخش متراکم با پوشش کامل سطح زیرلایه از تماس آن با محلول جلوگیری می کند. از طرف دیگر بخش متخلخل در فصل مشترک پوشش PEO با لایه HA باعث افزایش یکپارچگی دو پوشش باهم شود. در مجموع ، روش پاشش شعله ای عملکرد بهتری نسبت به روش پاشش شعله ای سرعت بالا از خود نشان داد. مقاومت به خوردگی در پوشش HA پاشش شعله ای بر روی زیرلایه PEO شده نسبت به سایر پوشش ها بیشتر بود و نشان داده شد که لایه PEO می تواند نیازهای مورد انتظار برای استفاده به عنوان یک لایه میانی را بخوبی برآورده کند.