Skip to main content
SUPERVISOR
Hamidreza Salimi jazi,Mahshid Kharaziha-esfahani
حمیدرضا سلیمی جزی (استاد راهنما) مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mahboobe Sadeghi
محبوبه صادقی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Surface modification of Titanium-based alloy (Ti6Al4V) by using micro- texture - nanocomposite coating and evaluation of tribological and biological behavior for knee joint replacement application
Recent development in technology and increasing lifetime, age related diseases such as musculoskeletal disorders have been increasing. One of the most important and efficient treatment methods of these disorders is total replacement of injured joint or so called arthroplasty. Accordingly, Ti6Al4V alloy could be efficiently utilized efficiently for knee and hip joints replacement. Main challenge in applying this alloy could be due to its weak tribological behavior and bio neutral. Therefore, the aim of present research is to improve biological and tribological properties of Ti6Al4V alloy through changes in surface topography of implant by laser and applying layered lubricant coating including graphene oxide- polyvinylpyrrolidones onto its surface.Therefore, at first, micro dimples with different surface density were deposited on the surface through laser, impact of scanning rate of laser rays (0.5-10 millimeter per second) on mechanical, chemical, biological and tribological properties was investigated, in following, optimal sample was selected. In this research, firstly, the effect of solvent (water: ethanol in various W/Vercent, water and Isopropyl alcohol), content of graphene oxide in suspension (0.5 and 1 gram/liter), voltage (10, 30, 60 and 90 V) and time (5 and 10 min) of electrophoretic on final coating properties were rated, followed by selecting optimal coating. In the second stage, polyvinylpyrrolidones and tanic acid were electrophoretically coated on alloy using a suspension containing various concentrations of polymer (0.3, 0.5 and 1 gr/li) and tanic acid (0.2, 0.3, 0.5 and 1 gr/li), constant deposition voltage and different times (3, 5 and 10 min) were considered in this stage. Consequently, optimal parameters of electrophoretic process were selected based on evaluation of coating morphology. Finally, the impact of formed micro tissues and two layer coating on tribological and biological properties was investigate. Based on the results, it was clear that the sample subjected to scanning rate of 5 mm/s with diameter and surface density of micropores respectively 190±5.5µm and 21.2±0.56 % was optimal sample in terms of hardness, biological and tribological properties. Maximum hardness of 635±21 Vickers, in constant distance of 1000 meters, in compared to standard sample (13.97±3.5), the mass loss reduction (13.1±2.5 mg) in wear test and the most area fraction by cell in cellular test. These rusules showd that, in sample with bes parameters in laser, the wear mechanism was changed from abeasive and plastic deformation and delamination to abrasive mechanism. In compared to standard sample, more stable Coefficientoffriction was achieved for laser-optimized sample. After evaluating graphene oxide coatings, it could be concluded that suspension with 0.5 g/li isopropanol and optimized electrophoretic factors (90 V and 10 min) brought about to form more uniform coating rather than other coating parameters. Moreover, uniform coating was reached as polyvinylpyrrolidones (0.5 gr/li polyvinylpyrrolidones and 0.3 gr/li tanic acid in ethanol, 30 V and 10 min) was added into the suspension. In following, two layer nanocomposite coating was prepared by using two stage electrophoretic process (graphene oxide and then polyvinylpyrrolidones). The results obtained from 5 days of cell culture of Mg63 cells showed that two layer nanocomposite coating had higher cell viability (185±27 %) than that of the sample subjected to laser and graphene oxide coating. Furthermore, the result of friction test has illustrated that an increase in applying load prompted to increase coefficient of friction in control sample. However, it caused to decrease coefficient of friction in optimal sample prepared by laser and graphene oxide deposition. Additionally, in optimal load of 4 N, in compared to three times reduction in control sample, significant reduction (about 11 times) in coefficient of friction of optimal sample was observed. Generally, it could be inferred that applying both surface modification and lubricant coating simultaneously accompanied by tribological and biological improvements might be useful in applications of knee joints implants. Key words: knee joint implant, Ti6Al4V alloy, tribology, surface modification, electrophoretic
امروزه با پیشرفت تکنولوژی و افزایش عمر بشر، بیماری های وابسته به کهولت سن مانند بیماری های مفاصل رو به افزایش است. یکی از مهم ترین و موثرترین روش های درمان این بیماری ها، به ویژه در مراحلی که آسیب شدید است، تعویض کلی مفصل یا آرتروپلاستی می باشد. آلیاژ Ti6Al4V از جمله مواد زیستی مصرفی مورد استفاده برای کاشتنی های مفصل زانو و لگن می باشد. چالش اصلی در زمینه استفاده از این آلیاژ، رفتار تریبولوژیکی ضعیف و زیست خنثی بودن آن می باشد. هدف از پژوهش حاضر بهبود رفتار سایشی و زیستی آلیاژ Ti6Al4V از طریق استفاده همزمان از تغییر توپوگرافی سطح کاشتنی توسط لیزر و اعمال پوشش روان کار دولایه اکسید گرافن-پلی وینیل پیرولیدان در سطح آن است. به این ترتیب ابتدا میکرو بافت های حفره ای با چگالی سطحی مختلف توسط لیزر بر سطح ایجاد شد، تاثیر سرعت روبش پرتوی لیزر (10-5/0 میلی متر بر ثانیه) بر خواص مکانیکی، شیمیایی، زیستی و تریبولوژیکی ارزیابی شد و نمونه بهینه انتخاب شد. در ادامه، پوشش دهی اکسید گرافن توسط روش الکتروفورتیک با سوسپانسیونی هایی آبی و غیرآبی انجام شد. در این بررسی، تاثیر نوع حلال ( آب: اتانول با درصدهای حجمی مختلف، آب و ایزوپروپانول)، غلظت اکسیدگرافن در سوسپانسیون (5/0 و 1 گرم بر لیتر) و ولتاژ (10، 30، 60 و 90 ولت) و زمان ( 5 و10 دقیقه) الکتروفورتیک بر خواص پوشش نهایی بررسی و پوشش بهینه انتخاب شد. در مرحله دوم، پوشش دهی پلی وینیل پیرولیدان به همراه تانیک اسید توسط روش الکتروفورتیک با استفاده از سوسپانسیونی شامل غلظت های مختلف پلیمر(3/0، 5/0 و 1گرم بر لیتر) و تانیک اسید (2/0، 3/0، 5/0 و 1گرم بر لیتر) تحت ولتاژ 30 ولت و زمان های مختلف (3، 5 و 10 دقیقه) انجام و پارامترهای بهینه فرآیند الکتروفورتیک برای پوشش پلیمری پس از بررسی مورفولوژی پوشش های حاصل انتخاب شد. در انتها، تاثیر هم زمان ایجاد میکروبافت حفره ای و پوشش دولایه اکسید گرافن/پلی وینیل پیرولیدان بر خواص تریبولوژیکی و زیستی ارزیابی شد. نتایج بررسی تاثیر سرعت روبشی پرتو در فرآیند لیزر و ایجاد میکروبافت بر خواص سطحی آلیاژ، نشان داد که نمونه ایجاد شده در سرعت روبش 5 میلی متر بر ثانیه با قطر میکروحفرات 5/5± 190 میکرومتر و چگالی سطحی حفرات 56/0 ± 2/21 درصد، از نظر سختی، خواص زیستی و تریبولوژیکی دارای شرایط بهینه می باشد. سختی بیشینه 21 ± 635 ویکرز،کمترین کاهش جرم (5/2 ± 1/13 میلی گرم) در مسافت 1000 متر نسبت به نمونه نرمال (5/3 ± 97/13 میلی گرم) در آزمون سایش و بیشینه کسرسطحی اشغال شده توسط سلول نسبت به نمونه نرمال (5/3 برابر) گویای این مطلب بود. همچنین، ایجاد میکروبافت حفره دار با شرایط بهینه منجر به تغییر مکانیزم سایش از سایش خراشان و تغییر فرم پلاستیک ورقه ای در نمونه نرمال به سایش خراشان در نمونه بهینه لیزر تغییر کرد. ضریب اصطکاک پایدارتر نسبت به نمونه نرمال از جمله نتایج بدست آمده برای نمونه بهینه لیزر بود. بررسی نتایج مربوط به پوشش دهی اکسیدگرافن نشان داد، سوسپانسیون حاوی 5/0 گرم بر لیتر در ایزوپروپانول، ولتاژ 90 ولت و زمان 10 دقیقه عنوان پارامترهای بهینه برای تهیه پوششی یکنواخت از اکسید گرافن هستند. همچنین، پوشش یکنواختی از پلی وینیل پیرولیدان توسط سوسپانسیونی حاوی 5/0 گرم بر لیتر پلی وینیل پیرولیدان و 3/0 گرم برلیتر تانیک اسید در اتانول و ولتاژ 30 ولت و زمان 10 دقیقه بدست آمد. در ادامه، پوشش دولایه نانوکامپوزیتی با استفاده از دو مرحله فرآیند الکتروفورتیک (اکسید گرافن و در ادامه پلی وینیل پیرولیدان) تهیه شد. نتایج کشت سلول هایMG63 پس ازپنج روز، نشان داد که پوشش کامپوزیتی دولایه دارای بیشینه درصد زیست پذیری (27±185درصد کنترل) نسبت به Ti6Al4V لیزر شده و پوشش اکسیدگرافن بود. نتایج آزمون سایش نشان داد که افزایش بار اعمالی در نمونه نرمال باعث افزایش ضریب اصطکاک شد؛ در حالیکه افزایش بار در نمونه بهینه لیزر دارای پوشش اکسیدگرافن باعث کاهش ضریب اصطکاک گردید. همچنین، در بار بهینه چهار نیوتن، کاهش 3برابری ضریب اصطکاک برای نمونه نرمال دارای پوشش اکسیدگرافن وکاهش فوق العاده 11 برابری (نسبت به نمونه نرمال) ضریب اصطکاک در نمونه لیزر بهینه پوشش دهی شده با اکسیدگرافن از حدود 55/0 به 05/0 مشاهده شد. همچنین ضریب اصطکاک پوشش کامپوزیتی (15/0) نیز کاهش چشمگیری نسبت به نمونه نرمال داشت. به این ترتیب، می توان گفت، استفاده همزمان از دو فرآیند اصلاح سطح توسط تغییر توپوگرافی بوسیله فرآیند لیزر و پوشش روان کار ( اکسیدگرافن و اکسیدگرافن/پلی وینیل پیرولیدان) با بهبود رفتار سایشی و زیستی، می تواند برای کاربرد در پروتز مفصل زانو مفید باشد. کلمات کلیدی: کاشتنی مفصل زانو، آلیاژ Ti6Al4V، تریبولوژی، اصلاح سطح، الکتروفورتیک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی