ساخت پوشش شیشه‌ی زیست‌فعال به روش سل-ژل و بررسی متغیر‌های مؤثر بر پوشش‌دهی و ارزیابی خواص پوشش
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین
تارا عسگری ارجنکی
1
,
منصور رهسپار
2
1 - دانشجوی دکتری بخش مهندسی مواد و متالورژی دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران
2 - عضو هیات علمی بخش مهندسی مواد دانشگاه شیراز
کلید واژه: پوشش سطحی, خوردگی, فرایند سل-ژل, فولاد زنگ‌نزن, مواد زیست‌سازگار,
چکیده مقاله :
مقدمه: پوشش‌های شیشه زیست‌فعال به‌عنوان راهکاری مؤثر برای بهبود زیست‌سازگاری و مقاومت به خوردگی ایمپلنت‌های فلزی، به‌ویژه فولاد زنگ‌نزن L316، مورد توجه قرار گرفته‌اند. روش سل–ژل به دلیل امکان کنترل ترکیب و ریزساختار، روشی مناسب برای سنتز این پوشش‌هاست. با این حال، دستیابی به پوششی یکنواخت، چسبنده و پایدار همچنان چالش‌برانگیز است.
روش: در این پژوهش، شیشه زیست‌فعال با ترکیب 80SiO₂–15CaO–5P₂O₅ به روش سل–ژل سنتز و با روش غوطه‌وری روی زیرلایه‌ی فولاد زنگ‌نزن L316 اعمال شد. تأثیر سرعت حرکت زیرلایه و ویسکوزیته‌ی سل بر کیفیت پوشش بررسی شد. از آزمون‌های XRD، SEM، میکروسختی، چسبندگی و آزمون‌های الکتروشیمیایی در محلول شبیه‌ساز بدن (SBF) برای ارزیابی پوشش‌ها استفاده شد.
یافته‌ها: بهترین کیفیت پوشش در سرعت ۴ سانتی‌متر بر دقیقه و ویسکوزیته‌ی پایین حاصل شد. پوشش ایجادشده یکنواخت، بدون ترک و متخلخل بود و چسبندگی مناسبی داشت. آنالیز XRD ساختار آمورف پوشش پس از عملیات حرارتی در دمای 700 درجه سانتی‌گراد را تأیید کرد. سختی پوش (230 VHN) نسبت به زیرلایه‌ی بدون پوشش (198 VHN) افزایش پیدا کرد. آزمون‌های خوردگی کاهش نرخ خوردگی و افزایش مقاومت پلاریزاسیون را در نمونه‌های پوشش‌دار نشان دادند.
نتیجه‌گیری: پوشش شیشه زیست‌فعال تهیه‌شده به روش سل–ژل، در شرایط بهینه، ساختاری یکنواخت، متخلخل و پایدار ایجاد کرده و مقاومت به خوردگی و سختی سطحی را افزایش داده است. این ویژگی‌ها، آن را گزینه‌ای مناسب برای کاربرد در ایمپلنت‌های فلزی در محیط فیزیولوژیک می‌سازند.
Introduction: Bioactive glass coatings have attracted attention in biomedical applications due to their ability to bond with bone and enhance biocompatibility. However, ensuring structural stability and corrosion protection of metallic implants in physiological environments remains challenging.
Methods: In this study, a bioactive glass with the composition 80SiO₂–15CaO–5P₂O₅ was synthesized via the sol-gel method and applied onto 316L stainless steel using dip-coating. Processing parameters such as withdrawal speed and sol viscosity were optimized to improve coating quality and corrosion resistance. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to examine the structure and morphology. Corrosion resistance was assessed using potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Mechanical performance was evaluated through Vickers microhardness and adhesion tests.
Findings: The optimal coating, obtained at a withdrawal speed of 4 cm/min and low sol viscosity, showed a uniform, crack-free, porous structure with strong adhesion. XRD confirmed the amorphous nature of the coating after heat treatment at 700 °C, essential for maintaining bioactivity. Corrosion tests revealed a marked improvement in resistance compared to the bare substrate, with reduced corrosion current density and higher polarization resistance. Surface hardness also increased from 198 HV (substrate) to 230 HV (coated).
Conclusion: These results suggest that sol-gel derived bioactive glass coatings, when processed under optimized conditions, offer enhanced mechanical integrity and corrosion resistance in simulated body environments, making them a promising strategy for improving the longevity and functionality of metallic implants.
1. Ackun-Farmmer MA, Overby CT, Haws BE, Choe R, Benoit DSW. Biomaterials for orthopedic diagnostics and theranostics. Curr Opin Biomed Eng. 2021 Sep 1;19:100308.
2. Yadav VS, Sankar MR, Pandey LM. Coating of bioactive glass on magnesium alloys to improve its degradation behavior: Interfacial aspects. Journal of Magnesium and Alloys. 2020 Dec 1;8(4):999–1015.
3. Rai P, Rai A, Kumar V, Chaturvedi RK, Singh VK. Corrosion study of biodegradable magnesium based 1393 bioactive glass in simulated body fluid. Ceram Int [Internet]. 2019;45(14):16893–903. Available from: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.05.234
4. Nawaz A, Bano S, Yasir M, Wadood A, Ur Rehman MA. Ag and Mn-doped mesoporous bioactive glass nanoparticles incorporated into the chitosan/gelatin coatings deposited on PEEK/bioactive glass layers for favorable osteogenic differentiation and antibacterial activity. Mater Adv. 2020;1(5):1273–84.
5. Galliano P, José J, José J, Damborenea DE, Jes´us M, Jes´us J, et al. Sol-Gel Coatings on 316L Steel for Clinical Applications. Vol. 5, Journal of Sol-Gel Science and Technology. 1998.
6. Chen Q, Thouas GA. Metallic implant biomaterials. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2015 Jan 1;87:1–57.
7. Navarro M, Michiardi A, Castaño O, Planell JA. Biomaterials in orthopaedics. J R Soc Interface. 2008 Oct 6;5(27):1137–58.
8. Manam NS, Harun WSW, Shri DNA, Ghani SAC, Kurniawan T, Ismail MH, et al. Study of corrosion in biocompatible metals for implants: A review. J Alloys Compd. 2017 Apr 15;701:698–715.
9. Sharifianjazi F, Sharifianjazi M, Irandoost M, Tavamaishvili K, Mohabatkhah M, Montazerian M. Advances in Zinc-Containing Bioactive Glasses: A Comprehensive Review. Journal of Functional Biomaterials 2024, Vol 15, Page 258 [Internet]. 2024 Sep 8 [cited 2025 Feb 11];15(9):258. Available from: https://www.mdpi.com/2079-4983/15/9/258/htm
10. Hench LL. The story of Bioglass®. J Mater Sci Mater Med. 2006 Nov;17(11):967–78.
11. Carvalho SM, Oliveira AAR, Lemos EMF, Pereira MM. Bioactive Glass Nanoparticles for Periodontal Regeneration and Applications in Dentistry. Nanobiomaterials in Clinical Dentistry. 2013 Jan 1;299–322.
12. Nandi SK, Mahato A, Kundu B, Prasenjit Mukherjee. Doped Bioactive Glass Materials in Bone Regeneration. Advanced Techniques in Bone Regeneration [Internet]. 2016 Aug 31 [cited 2023 Jul 18]; Available from: https://www.intechopen.com/chapters/50915
13. Romero-Gavilán F, Suay J, Romero-Gavilán F, Suay J. Application of Silica Sol-Gel Coatings for the Bioactivation of Metallic Implants. Sol-Gel - A Versatile and Wide Technology [Working Title] [Internet]. 2025 Jan 16 [cited 2025 Feb 11]; Available from: https://www.intechopen.com/online-first/1206039
14. Li R, Clark AE, Hench LL. An investigation of bioactive glass powders by sol-gel processing. Journal of Applied Biomaterials [Internet]. 1991 Dec 1 [cited 2023 Jul 23];2(4):231–9. Available from: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jab.770020403
15. Kravanja KA, Finšgar M. A review of techniques for the application of bioactive coatings on metal-based implants to achieve controlled release of active ingredients. Mater Des. 2022 May 1;217:110653.
16. Zarubica A. Modified nanostructured titania based thin films in photocatalysis: Kinetic and mechanistic approach. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis [Internet]. 2015 Jun 1 [cited 2025 May 3];115(1):159–74. Available from: https://link.springer.com/article/10.1007/s11144-014-0830-z
17. Kravanja KA, Finšgar M. A review of techniques for the application of bioactive coatings on metal-based implants to achieve controlled release of active ingredients. Mater Des. 2022 May 1;217:110653.
18. Bento R, Gaddam A, Ferreira JMF. Sol–Gel Synthesis and Characterization of a Quaternary Bioglass for Bone Regeneration and Tissue Engineering. Materials [Internet]. 2021 Aug 2 [cited 2025 Feb 20];14(16):4515. Available from: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8398804/
19. Mehdipour M, Afshar A, Mohebali M. Electrophoretic deposition of bioactive glass coating on 316L stainless steel and electrochemical behavior study. Appl Surf Sci. 2012 Oct 1;258(24):9832–9.
20. Yan XX, Deng HX, Huang XH, Lu GQ, Qiao SZ, Zhao DY, et al. Mesoporous bioactive glasses. I. Synthesis and structural characterization. J Non Cryst Solids [Internet]. 2005 Oct 15 [cited 2023 Jul 25];351(40–42):3209–17. Available from: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022309305006241
21. Skallevold HE, Rokaya D, Khurshid Z, Zafar MS. Bioactive Glass Applications in Dentistry. Int J Mol Sci [Internet]. 2019 Dec 1 [cited 2025 Jun 9];20(23):5960. Available from: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6928922/
22. Wen C, Bai N, Luo L, Ye J, Zhan X, Zhang Y, et al. Structural behavior and in vitro bioactivity evaluation of hydroxyapatite-like bioactive glass based on the SiO2-CaO-P2O5 system. Ceram Int. 2021 Jul 1;47(13):18094–104.
23. Taghian Dehaghani M, Ahmadian M, Fathi M. Synthesis, Characterization, and Bioactivity Evaluation of Amorphous and Crystallized 58S Bioglass Nanopowders. Int J Appl Ceram Technol [Internet]. 2015 Jul 1 [cited 2025 Jun 9];12(4):867–74. Available from: https://www.researchgate.net/publication/265016772_Synthesis_Characterization_and_Bioactivity_Evaluation_of_Amorphous_and_Crystallized_58S_Bioglass_Nanopowders
24. Golan G, Axelevitch A, Golan G, Rabinovich E, Axelevitch A, Seidman A, et al. Thin films indentation size effects in microhardness measurements [Internet]. Vol. 2, Article in Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2000. Available from: https://www.researchgate.net/publication/237550844
25. Köseoglu NC, Büyükaksoy A, Oral AY, Aslan MH. Hydroxyapatite/Bioactive Glass Films Produced by a Sol–Gel Method: In Vitro Behavior. Adv Eng Mater [Internet]. 2009 Nov 1 [cited 2025 May 26];11(11):B194–9. Available from: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.200900034
