ارزیابی رفتار زیستی ساختار دولایه Ti/Ti-6Al-4V ساخته شده به روش پخت پلاسما جرقه‌ای (sps).
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوینعلیرضا شریفی 1 , سحر ملازاده بیدختی 2 , جلیل وحدتی خاکی 3 *
1 -
2 - دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
3 - دانشگاه فردوسی مشهد
کلید واژه: تیتانیوم, خواص زیستی, تخلخل, پخت پلاسما جرقه‌ای, ساختار دولایه,
چکیده مقاله :
امروزه تعویض بافت آسیب دیده بدن با کاشتنی مصنوعی امری اجتناب ناپذیر است. مهمترین مواد برای ساخت کاشتنی‌ها فلزات با قابلیت تغییر شکل بالا و خواص مکانیکی عالی هستند. اما مدول یانگ بالای مواد فلزی سبب ایجاد اثر سپر تنشی می‌گردد. بر این اساس لازم است تا ساختار کاشتنی به گونه‌ای طراحی شود تا علاوه بر حفظ سایر خواص مکانیکی، مدول یانگ تعدیل شده‌ای داشته باشد. در این پژوهش یک ساختار دولایه (Ti-6Al-4V/Ti) به گونه‌ای طراحی و ساخته شد تا هسته آلیاژی ساختار خواص مکانیکی از جمله استحکام فشاری را حفظ کند. پوسته نیز به واسطه داشتن ساختار متخلخل موجب کاهش مدول یانگ گردد. از این رو برای ایجاد تخلخل در نمونه نهایی از ذرات پودر فلزی با شکل نامنظم و روش زینترینگ پخت پلاسما جرقه‌ای در دمای کاری ᵒc900 و زمان پخت 7 دقیقه استفاده شد. پس از اتمام فرآیند پخت نتایج حاکی از تغییر تدریجی ریز ساختار به واسطه وقوع استحاله آلتروپیک تیتانیوم در نواحی نزدیک به فصل مشترک است. فصل مشترک ناحیه هسته/پوسته به خوبی توسط ذرات پودر هر دو ناحیه پر شد و ترکیب به صورت تدریجی تغییر کرد. میزان تخلخل باقی مانده در ناحیه پوسته به واسطه حضور ذرات نامنظم فلزی، به طور قابل توجهی بیشتر از هسته بود. پس از نگهداری نمونه به مدت سی روز در محلول شبیه ساز زیستی، غلظت یون‌های موجود در محیط کاهش یافت در مقابل اما روی سطح نمونه ذرات کلسیم-فسفات تشکیل گردید. تخلخل‌های موجود در ساختار از جمله مکان‌های مناسب برای تشکیل ذرات کلسیم-فسفات شناسایی شدند
Nowadays, the replacement of damaged tissue with implants is inevitable. The most important materials for creating implants are metals with high deformability and exceptional mechanical properties. However, the high Young's modulus of metallic materials leads to a stress shield effect. It is necessary, therefore, to design the implant structure in a way that, in addition to maintaining other mechanical properties, it also features a modified Young's modulus. In this study, a two-layer structure (Ti-6Al-4V/Ti) was designed and manufactured so that the alloy core maintains mechanical properties, including compressive strength, while the shell reduces Young's modulus due to its porous structure. Irregularly shaped metal powder particles and the spark plasma sintering method were utilized to create porosity in the final sample at a working temperature of 900 °C and a baking time of 7 minutes. After the baking process, the results show a gradual change in the microstructure due to the allotropic transformation of titanium in areas near the interface. The core/shell interface was effectively filled by powder particles from both regions, resulting in a gradual change in composition. The residual porosity in the shell region was significantly higher than in the core . After the sample was stored for thirty days in a biomimetic solution, the concentration of ions in the medium decreased, leading to the formation of calcium-phosphate particles on the sample's surface. The pores in the structure were identified as suitable sites for the formation of calcium-phosphate particles.
1. Bandyopadhyay, A., Mitra, I., Goodman, S. B., Kumar, M., & Bose, S. (2023). Improving biocompatibility for next generation of metallic implants. Progress in materials science, 133, 101053.
2. Verma, R. P. (2020). Titanium based biomaterial for bone implants: A mini review. Materials Today: Proceedings, 26, 3148-3151.
3. Tandon, B., Blaker, J. J., & Cartmell, S. H. (2018). Piezoelectric materials as stimulatory biomedical materials and scaffolds for bone repair. Acta biomaterialia, 73, 1-20.
4. Niinomi, M., & Nakai, M. (2011). Titanium‐based biomaterials for preventing stress shielding between implant devices and bone. International journal of biomaterials, 2011(1), 836587.
5. Shahzamanian, M. M., Banerjee, R., Dahotre, N. B., Srinivasa, A. R., & Reddy, J. N. (2023). Analysis of stress shielding reduction in bone fracture fixation implant using functionally graded materials. Composite Structures, 321, 117262.
6. Marin, E., Fedrizzi, L., & Zagra, L. (2010). Porous metallic structures for orthopaedic applications: a short review of materials and technologies. European Orthopaedics and Traumatology, 1, 103-109.
7. Bandyopadhyay, A., Espana, F., Balla, V. K., Bose, S., Ohgami, Y., & Davies, N. M. (2010). Influence of porosity on mechanical properties and in vivo response of Ti6Al4V implants. Acta biomaterialia, 6(4), 1640-1648.
8. Suárez, M., Fernández, A., Menéndez, J. L., Torrecillas, R., Kessel, H. U., Hennicke, J., ... & Kessel, T. (2013). Challenges and opportunities for spark plasma sintering: a key technology for a new generation of materials. Sintering applications, 13, 319-342.
9. Trevisan, F., Calignano, F., Aversa, A., Marchese, G., Lombardi, M., Biamino, S., ... & Manfredi, D. (2018). Additive manufacturing of titanium alloys in the biomedical field: processes, properties and applications. Journal of applied biomaterials & functional materials, 16(2), 57-67.
10. Osman, R. B., & Swain, M. V. (2015). A critical review of dental implant materials with an emphasis on titanium versus zirconia. Materials, 8(3), 932-958.
11. Kokubo, T., & Takadama, H. (2006). How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?. Biomaterials, 27(15), 2907-2915.
12. Leyens, C., & Peters, M. (Eds.). (2006). Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. Wiley-vch.
13. Jackson, M. J., Kopac, J., Balazic, M., Bombac, D., Brojan, M., & Kosel, F. (2016). Titanium and titanium alloy applications in medicine. Surgical tools and medical devices, 475-517.
14. German, R. M. (1994). Powder metallurgy science. (No Title).
15. Ghosh, S. K., Saha, R., & Saha, B. (2015). Toxicity of inorganic vanadium compounds. Research on Chemical Intermediates, 41, 4873-4897.
16. Park, Y. J., Song, H. J., Kim, I., & Yang, H. S. (2007). Surface characteristics and bioactivity of oxide film on titanium metal formed by thermal oxidation. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 18, 565-575.
17. Chen, Y., Yang, W., Zhan, H., Zhang, F., Huo, Y., Zhao, Y., ... & Gu, Y. (2016). Tailorable burning behavior of Ti14 alloy by controlling semi-solid forging temperature. Materials, 9(8), 697.
18. Gaskell, D. R., & Laughlin, D. E. (2017). Introduction to the Thermodynamics of Materials. CRC press.
19. Rahaman, M. N., Day, D. E., Bal, B. S., Fu, Q., Jung, S. B., Bonewald, L. F., & Tomsia, A. P. (2011). Bioactive glass in tissue engineering. Acta biomaterialia, 7(6), 2355-2373.
20. Van Noort, R. (1987). Titanium: the implant material of today. Journal of Materials Science, 22, 3801-3811.