پوشش‌دهی الکتروشیمیایی کلسیم فسفات بر روی زیرلایه کامپوزیتی Ti-10 Mo-X (TiC & TiB2) تهیه شده به روش تف‌جوشی قوس پلاسما

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

زهرا نقدی چوان ¹ , مازیار آزادبه ² , محمدرضا اطمینان فر ³ , لیلا فتح یونس ⁴

1 - . زهرا نقدی چوان، دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مواد دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
2 - استاد، مهندسی مواد دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
3 - استادیار، مهندسی مواد دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
4 - استادیار، مهندسی مواد دانشگاه بناب، بناب، ایران

تاريخ الإرسال : 28 الإثنين , ذو القعدة, 1443 تاريخ التأكيد : 15 الإثنين , رجب, 1444 تاريخ الإصدار : 25 الثلاثاء , محرم, 1444

الکلمات المفتاحية: کامپوزیت Ti-10Mo-X (TiC & TiB2), تف-جوشی قوس پلاسما, پوشش کلسیم فسفات, پوشش دهی الکتروشیمیایی,

ملخص المقالة :

چکیده
مقدمه: در پژوهش کنونی کامپوزیت Ti-10Mo-X (TiC & TiB₂) ساخته شده به روش متالورژی پودر با مقادیر مختلف تقویت کننده‌های سرامیکی 4 ≤ X ≤ 5/0 برای توسعه زیست مواد جدید انتخاب شد. هدف از این مطالعه، ایجاد پوشش کلسیم فسفات (CaP) با کیفیت و ترکیب فازی مطلوب بر روی کامپوزیت مذکور جهت کاربردهای پزشکی است.
روش: کامپوزیت Ti-10Mo-X (TiC & TiB₂) به روش تف جوشی قوس پلاسما تحت فشار اولیه MPa 10، فشار میانی MPa 20 و فشار نهایی MPa 50 در دمای ˚C1150 تف جوشی شد. سپس پوشش CaP به روش رسوب‌دهی الکتروشیمیایی در چگالی جریان‌های مختلف mA.cm^-2 5/0، 6/0 و 7/0 توسط جریان DC به مدت زمان 30 دقیقه بر روی این کامپوزیت اعمال شد. از میکروسکوپ الکترونی نوری (OM) جهت بررسی توزیع تخلخل در زیرلایه استفاده شد. به منظور بررسی خواص فیزیکی زیرلایه‌ها نیز ابتدا چگالی تف‌جوشی و سپس چگالی نسبی بر اساس روش ارشمیدس اندازه‌گیری شد. همچنین برای بررسی استحکام کششی زیرلایه‌های تف‌جوشی شده، آزمون کشش انجام شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف سنجی توزیع انرژی پرتو ایکس (EDS) و پراش اشعه ایکس (XRD) و آنالیز طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) به ترتیب جهت بررسی مورفولوژی، ترکیب شیمیایی، ساختار فازی و شناسایی پیوند‌ها در پوشش استفاده شد. ترشوندگی پوشش‌های CaP با استفاده از روش اندازه‌گیری زاویه تماس قطره ساکن انجام شد. همچنین ارزیابی زیست فعالی با غوطه‌وری نمونه‌های پوشش‌دار در محلول شبیه سازی بدن (SBF) انجام گرفت.
یافته‌ها: با افزایش درصد تقویت کننده‌های سرامیکی به دلیل حذف تخلخل، چگالی و استحکام کششی زیرلایه‌ها افزایش یافت. بررسی ریزساختار پوشش‌ها نیز نشان داد که علاوه بر دانسیته جریان اعمالی، ویژگی‌های زیرلایه نظیر درصد تخلخل‌ها و میزان آب دوستی که تحت تاثیر درصد تقویت کننده مورد استفاده می‌باشد، بر روی مورفولوژی پوشش CaP تاثیر می‌گذارد. با افزایش چگالی جریان اعمالی، از کیفیت ظاهری پوشش کاسته شد و مقدار تخلخل افزایش یافت. همچنین مقدار عددی نسبت کلسیم به فسفر در پوشش حاصل تحت چگالی جریان اعمالی  mA.cm^-25/0 بر روی زیرلایه‌های 1.0-T1150 و 2.0-T1150 به ترتیب 60/1 و 67/1 به دست آمد که تقریبا برابر با نسبت موجود در استخوان طبیعی می‌باشد. نتایج آنالیزهای (FTIR) و (XRD) نیز نشان داد که پوشش‌ ایجاد شده بر روی زیرلایه‌های کامپوزیتی مذکور عمدتا حاوی فاز هیدروکسی آپاتیت (HA) می‌باشد. همچنین پس از 3، 5 و 7 روز غوطه‌وری نمونه پوشش‌دار در محلول شبیه سازی شده بدن (SBF)، لایه متشکل از کره‌های آپاتیت تشکیل شد که نشان دهنده قابلیت بالای مینرالیزاسیون آپاتیت در سطح نمونه می‌باشد و لذا نمونه پوشش‌دار تهیه شده زیست فعالی مناسبی دارد.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج مطالعات، چگالی جریان  mA.cm^-25/0 برای دستیابی به پوششی با کیفیت مناسب و نسبت P/ Caمشابه با استخوان انتخاب شد.

المصادر:

[1] Y. Parcharoen, P. Termsuksawad, and S. Sirivisoot, Improved Bonding Strength of Hydroxyapatite on Titanium Dioxide Nanotube Arrays following Alkaline Pretreatment for Orthopedic Implants, J. Nanomater, 2016, vol. 2016, pp. 1–13.

 

[2] A. Arifin, A. B. Sulong, N. Muhamad, J. Syarif, M. I. Ramli, Material processing of hydroxyapatite and titanium alloy (HA/Ti) composite as implant materials using powder metallurgy: a review, Materials & Design, 2014, 55, 165-175.‏

 

[3] R. J. Narayan, ASM Handbook, Volume 23, Materials for Medical Devices, Materials Park: ASM International, 2012.‏

 

[4] T.V. Vijayaraghavan, A. Bensalem, Electrodeposition of apatite coating on pure titanium and titanium alloys, Journal of materials science letters, 1994, 13.24: 17821785.

[5] ف. حیدری " ساخت و مقایسه داربست های هیدروکسی آپاتیت طبیعی و مصنوعی ساخته شده به روش فشار ایزواستاتیک سرد" فصل نامه علمی-پژوهشی مواد نوین، دوره 9، شماره 33، مهر 1397، صفحه 113-124.

 

[6] M. S. Bălţatu, P. Vizureanu, M. H. Tierean, M. G. Minciună, and D. Achiţei, Ti-Mo Alloys used in medical applications, in Advanced Materials Research, 2015, vol. 1128, pp. 105111.

[7] Y. Liu, W.F. Wei, K.C. Zhou. L.F. Chen, & H. P. Tang, Microstructures and mechanical behavior of PM Ti-Mo alloy. Journal of Central South University of Technology, 2003, 10(2), 81-86.

 

[8] M. Niinomi, Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods, Sci. Technol. Adv. Mater, 2003, vol. 4, no. 5, p. 445.

 

[9] B. S Sung, T. E Park, Y. H Yun, Microstructures and electrochemical behavior of Ti-Mo alloys for biomaterials, Advances in Materials Science and Engineering, 2015.

 

[10] A. SABAHI NAMINI, M. AZADBEH, Microstructural characterisation and mechanical properties of spark plasma-sintered TiB2-reinforced titanium matrix composite, Powder Metallurgy, 2017, 60.1: 2232.

 

[11] L. Fathyunes, J. Khalil-Allafi, S. O. R. Sheykholeslami, and M. Moosavifar, Biocompatibility assessment of graphene oxide-hydroxyapatite coating applied on TiO2 nanotubes by ultrasound-assisted pulse electrodeposition, Mater. Sci. Eng. C, Jun. 2018, vol. 87, pp. 10–21.

[12] L. Fathyunes, Effect of ultrasonic waves on the electrochemical deposition of calcium phosphate/nano-sized silica composite coating. Journal of Materials Research and Technology, 2021 14, 2345-2356.

 

[13] M. Kalantar, M. Mojahedian, and M. N. Vahidi, Crystal and Phase Evolution of Sol-Gel Derived Hydroxyapatite Synthesis with Various Ca/P Ratios, Journal of Metallurgical and Materials Engineering, 2016,27.2.

 

[14] A. J. Ruys, M. Wei, C. C. Sorrell, M.R. Dickson, A. Brandwood, & B. K. Milthorpe, Sintering effects on the strength of hydroxyapatite. Biomaterials, 1995, 16(5), 409415.

 

[15] M. F. Chen, X. J. Yang, Y. Liu, S. L. Zhu, Z. D. Cui, H. C. Man, Study on the formation of an apatite layer on NiTi shape memory alloy using a chemical treatment method. Surface and Coatings Technology, 2003, 173(2-3), 229234.

 

[16] F. Barrere, P. Layrolle, C. A. Van Blitterswijk, and K. De Groot, Biomimetic coatings on titanium: a crystal growth study of octacalcium phosphate, J. Mater. Sci. Mater. Med, 2001,vol. 12, no. 6, pp. 529534.

 

[17] م. منتظری، چ. دهقانیان، م. شکوه فر، ع. برادران گورانی " ایجاد پوشش‌های حاوی تیتانیا و هیدروکسی آپاتیت روی آلیاژTi-6Al-4V توسط فرآیند PEO و عملیات تکمیلی هیدروترمال و بررسی خواص خوردگی آن در محیط شبیه‌سازی شده بدن” فصل نامه علمی-پژوهشی مواد نوین، دوره 1، شماره 1، مهر 1389، صفحه 1-10.

 

[18] M. P. DaSilva, J. H. C. Lima, G. A. Soares, C. N. Elias, M.C. De Andrade, S. M. Best, I. R. Gibson, Transformation of monetite to hydroxyapatite in bioactive coatings on titanium. Surface and Coatings Technology, 2001, 137(2-3), 270276.

 

[19] A. K. Nayak, Hydroxyapatite synthesis methodologies: an overview. International Journal of ChemTech Research, 2010, 2(2), 903907 .

[20] M. Manso, C. Jimenez, C. Morant, P. Herrero, J. M. Martınez-Duart, Electrodeposition of hydroxyapatite coatings in basic conditions. Biomaterials, 2000, 21(17), 1755-1761.

 

[21] A, Montenero, G. Gnappi, F. Ferrari, M. Cesari, E. Salvioli, L. Mattogno, M. Fini, Sol-gel derived hydroxyapatite coatings on titanium substrate, Journal of Materials science, 2000, 35(11), 2791-2797.

 

[22] J. Ma, C. Wang, and K. W. Peng, Electrophoretic deposition of porous hydroxyapatite scaffold, Biomaterials, Sep. 2003, vol. 24, no. 20, pp. 3505–3510.

 

[23] Y. C. Tsui, C. Doyle, and T. W. Clyne, Plasma sprayed hydroxyapatite coatings on titanium substrates Part 2: optimisation of coating properties, Biomaterials, Nov. 1998, vol 19, no. 22, pp. 2031–2043.

 

[24] T. M. T. Dinh, T. T. Nguyen, T. N. Pham, T. P.Nguyen, T. T. T. Nguyen, T. Hoang, C. Drouet, Electrodeposition of HAp coatings on Ti6Al4V alloy and its electrochemical behavior in simulated body fluid solution, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2016, 7(2), 025008.‏

 

[25] L. Y. Huang, K. W. Xu, J. Lu, A study of the process and kinetics of electrochemical deposition and the hydrothermal synthesis of hydroxyapatite coatings. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2000 11(11), 667-673.

 

[26] M. R. Etminanfar, J. Khalil-Allafi, A. Montaseri, and R. Vatankhah-Barenji, “Endothelialization and the bioactivity of Ca-P coatings of different Ca/P stoichiometry electrodeposited on the Nitinol superelastic alloy,” Mater. Sci. Eng. C, vol. 62, pp. 28–35, May 2016.

 

 

[27] D.-Y. Lin and X.-X. Wang, Electrodeposition of hydroxyapatite coating on CoNiCrMo substrate in dilute solution, Surf. Coat. Technol, Jul. 2010, vol. 204, no. 20, pp. 3205–3213

[28] Z. S. Seyedraoufi, S. Mirdamadi, Effects of pulse electrodeposition parameters and alkali treatment on the properties of nano hydroxyapatite coating on porous Mg–Zn scaffold for bone tissue engineering application. Materials Chemistry and Physics, 2014, 148(3), 519-527.

 

[29] R. Drevet, H. Benhayoune, L. Wortham, S. Potiron, J. Douglade, and D. Laurent-Maquin, Effects of pulsed current and H2O2 amount on the composition of electrodeposited calcium phosphate coatings, Mater. Charact, Aug. 2010, vol. 61, no. 8, pp. 786–795.

 

[30] X. Lu, Y. Leng, and Q. Zhang, Electrochemical deposition of octacalcium phosphate micro-fiber/chitosan composite coatings on titanium substrates, Surf. Coat. Technol, Mar, 2008, vol. 202, no. 13, pp. 31423147.

‏[31] L. Fathyunes, J. Khalil-Allafi, F. Marashi-Najafi, Effect of pulsed current densities on co-electrodeposition of Graphene Oxide/Calcium-Phosphate coatings and their biocompatibility. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, 2019, 52(1), 57-68.‏

 

[32] N. Aboudzadeh, C. Dehghanian, M. A. Shokrgozar, Effect of electrodeposition parameters and substrate on morphology of Si-HA coating, Surface and Coatings Technology, 2019, 375, 341-351.‏

[33] M. R. Etminanfar, J. Khalil-Allafi, On the electrodeposition of Ca-P coatings on nitinol alloy: a comparison between different surface modification methods. Journal of Materials Engineering and Performance, 2016, 25(2), 466-473.

[34] D. Gopi, J. Indira, L. Kavitha, A comparative study on the direct and pulsed current electrodeposition of hydroxyapatite coatings on surgical grade stainless steel. Surface and Coatings Technology, 2012, 206(11-12), 2859-2869.

 

[35] T. Kokubo, H. Takadama, How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?. Biomaterials, 2006, 27(15), 2907-2915.‏

 

[36] M. Prodana, M. Duta, D. Ionita, D. Bojin, M. S. Stan, A. Dinischiotu, I. Demetrescu, A new complex ceramic coating with carbon nanotubes, hydroxyapatite and TiO2 nanotubes on Ti surface for biomedical applications, Ceramics International, 2015, 41(5), 6318-6325.

 

[37] B. Xiong, J. Li, C. He, X.Tang, Z. Lv, X. Li, X. Yan, Effect of pore morphology and surface roughness on wettability of porous titania films, Materials Research Express, 2020, 7(11), 115013.

 

[38] T. T. Li, L. Ling, M. C. Lin, Q. Jiang, Q C. Lin, W. Lou, J. H. Lin, Effects of ultrasonic treatment and current density on the properties of hydroxyapatite coating via electrodeposition and its in vitro biomineralization behavior. Materials Science and Engineering: C, 2019,105, 110062.‏

 

[39] Y. Diao, T. Harada, A. S. Myerson, T. Alan Hatton, B. L. Trout, The role of nanopore shape in surface-induced crystallization, Nature materials, 2011, 10(11), 867-871.

 

[40] F. Marashi-Najafi, J. Khalil-Allafi, M. R. Etminanfar, and R. Faezi-Alivand, Corrosion resistance and in vitro evaluation of the pulsed current electrodeposited hydroxyapatite coatings on Nitinol shape memory alloy, Mater. Corros, Nov. 2017, vol. 68, no. 11, pp. 1237–1245.

 

[41] J. Jeong, J. H. Kim, J. H. Shim, N. S. Hwang, C.Y. Heo, Bioactive calcium phosphate materials and applications in bone regeneration. Biomaterials research, 2019, 23(1), 111. ‏

[42] R. A. Surmenev, M. A. Surmeneva, A. A. Ivanova, Significance of calcium phosphate coatings for the enhancement of new bone osteogenesis–a review. Acta biomaterialia, 2014, 10(2), 557-579.

 

[43] R. N. Panda, M. F. Hsieh, R. J. Chung, and T. S. Chin, FTIR, XRD, SEM and solid state NMR investigations of carbonate-containing hydroxyapatite nano-particles synthesized by hydroxide-gel technique, J. Phys. Chem. Solids, Feb. 2003, vol. 64, no. 2, pp. 193–199.

 

[44] J. X. Zhang, M. Iwasa, and D. L. Jiang, Size-Controlled Hydroxyapatite Nanoparticles as Self-Organized Organic-Inorganic Composite Materials, Oct. 2006.

 

[45] Z. S. Kubro, K. Dahlan, and S. T. Wahyudi, Phase characterization and electrical properties of fluorhydroxyapatite : influence of molarity variation and microwave irradiation, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng, Jun. 2020, vol. 858, no. 1, p. 012011.

 

[46] R. Štulajterová and Ľ. Medvecký, Effect of calcium ions on transformation brushite to hydroxyapatite in aqueous solutions, Colloids Surf. Physicochem. Eng. Asp, Mar. 2008, vol. 316, no. 1–3, pp. 104–109.

[47] B. O Asimeng, J. R. Fianko, E. E. Kaufmann, E. K. Tiburu, C. F. Hayford, P. Anani, O. K. Dzikunu, Preparation and characterization of hydroxyapatite from A chatina achatina snail shells: effect of carbonate substitution and trace elements on defluoridation of water, Journal of Asian Ceramic Societies, 2018, 6(3), 205-212

[48] S. Best, B. Sim, M. Kayser, S. Downes, The dependence of osteoblastic response on variations in the chemical composition and physical properties of hydroxyapatite. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 1997, 8(2), 97-103.‏