تطوير سطح الفولاذ المقاوم للصدأ (316L) بطلاء HA/TiO2 باستخدام الترسيب الكهربائي

الباحث

فاطمة نعوم جاسم

المشرف

علي عبادي الطيف - مروان نافع علي

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم العلوم التطبيقية / علم المواد الطبية والصناعية

الشهادة

دكتوراه

السنة

2023

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

316L Stainless Steel; Hydroxyapatite; Titanium Dioxide; Electrophoretic Deposition

على الرغم من النجاح الملحوظ لتطبيقات المعادن في جراحة و زراعة بدائل العظام إلا أن هناك تحديات رئيسية تواجهها في استمرار وبقاء هذه المزروعات لفترة طويلة بعد زراعتهاء وذلك نظرا لضعف خصائص الاندماج العظمي للغرسات والمخاطر المرتبطة بتآكل السطح وكذلك الأتهابات الناتجة في المراحل المتقدمة بعد الجراحة. لذا يتوجب تطوير وتحسين خاصية الاندماج العظمي مع الانسجة المحيطة للغرسات المعدنية. في هذه الدراسة ، تم تطوير طلاءات متراكبة نانوية نشطة بيولوجيًا مكونة من السيراميك الحيوي على قواعد معدنية من الفولاذ المقاوم للصدأ SS 316 L .ولمعرفة الطريقة الانسب للطلاء من Cus خصائص الطلاءء الالتصاقية الجيدة، والكلفة الاقل، تم اعتماد طريقين للطلاء هما: الرش الحراري و والترسيب الكهربائي EPD تم اعتماد طريقة الترسيب الكهربائي لثلاثة اسباب هي: الكلفة الاقل، الالتصاقية الجيدة، والاستقرارية العالية للهايدروكسي ابتايت(114). في هذه الدراسة تم اعتماد بوليمر الشيتوزان الذي يمثل الجزء العضوي للطلاء والذي كان بمثابة طور الاساس والذي يوفر التصاقية افضل مع المعدن؛ كما تم اعتماد مواد مالئة مختلفة من المساحيق السيراميكة والتي مثلت الجزء الغير العضوي من الطلاء وهي الهايدروكسي ابتايت و اوكسيد التيتانيوم (TiO) تمت دراسة تأثير متغيرات مختلفة على خصائص الطلاء مثل: اختلاف خشونة سطح القواعد المعدنية المشحوذة بدرجات مختلفة من ورق التنعيم )330، 800) و القواعد المعدنية المخشنة بأستخدام الرمل. USS ظروف الترسيب المختلفة (تركيز الدقائق في الطلاء، فرق الجهد المسلط، و زمن الترسيب) ولأختيار الظروف المثلى لعملية الترسيب تم استخدام برنامج تاكوشي لتصميم التجارب للمتغيرات التي تم اختيارها وكانت هذه الظروف هي ( 3 غم لكل لترء 50 4 bal 1 دقيقة). ان الهدف الاساسي للدراسة هوتطوير تقنية الترسيب الكهربائي EPD وفهم خصائص الطلائات المتراكبة النانوية المكونة من الهايدروكسي ابتايت HA و التيتانيا TO, (مع الاخذ بنظر الاعتبار تأثير نسبة التيتانيا في الطلاء) لأنتاج طلائات GIS خصائص مناسبة من ناحية: (1) التجانسء (2) الألتصاق بالقاعدة، )3( الخشونة، )4( قابلية التبلل، )5( السلوك الكهروكيميائي؛ (6) النشاط الحيوي، (7) و سلوك التحلل. كما تم تحليل خصائص أخرى مثل النشاط المضاد للبكتيريا. تم دراسة مورفولوجيا سطح الطلاء بأستخدام المجهر الالكتروني الماسح SEM و مجهر القوى الذرية AFM اظهرت النتائج اختلاف في تضاريس السطح كنتيجة لتغير نسبة التيتانيا في الطلاء، ويظهر هذا الاختلاف في انخفاض المسامية وخشونة السطح للطلاء بسبب إضافة التيتانيا THO وزيادة تركيزها. اما بالنسبة لقياس قابلية الترطيب فأن النتائج اظهرت أن جميع أسطح الطلاء هي اسطح محبة للماء مع قيم زاوية تلامس تتراوح من )69.43° -48.42°( تركيب وهيكلية الطلائات المتربسة تم دراستها باستخدام كل من حيود الاشعة السينية XRD و تشتت طاقة الاشعة السينية الطيفي EDS والتي اظهرت عدم تأثيرعملية الترسيب على تركيب الطلاء. اما لتقييم النشاط الحيوي للطلاءات فقد تم غمرها في محلول SBF وقد اكدت النتائج أن جميع الطلاءات أظهرت نشاطًا ae Gye وأن الهيدروكسي ابتايت الطبيعي قد تشكل على سطحها بعد غمرها في 5817.

Despite the remarkable and successful application of metallic orthopaedic surgery and bone replacement, there are main challenges of the long-term lively remains. Due to the poor osteoconductivity and dangers associated with surface corrosion and infections post-surgery, there is a related attention on improving the osteointegration of metallic implants with the surrounding tissues. In this study, bioactive nanocomposite coatings of bioceramics on metallic substrates (316L stainless steel substrates) were developed. Two methods of coating are adopted, electrophoretic deposition (EPD) and thermal spraying, to find the most appropriate method in terms of coating properties, attachment to the substrate, and the lowest cost. The EPD deposition method was adopted for three reasons: lower cost, better attachment to the substrate, and more stability for hydroxyapatite. In the present work, the chitosan was used as the organic part, acting as the matrix of the coating and enabling the coating to attach to the metallic substrates. Different types of ceramic fillers were investigated for the inorganic phases of the coatings, which were hydroxyapatite (HA) and titanium dioxide (TiO2). The major goal was to develop suitable EPD technology and understand the properties of nanocomposite HA / TiO2 coatings concerning the TiO2 concentration, to produce coatings with: adequate (i) homogeneity, (ii) attachment to the substrate, (iii) roughness, (iv) wettability and morphology, (v) electrochemical behaviour, (vi) bioactivity, and (vi) degradation behaviour. Other properties, such as antibacterial activity, were also analyzed. Different approaches were studied: substrate surfaces with different roughness (320-grit SiC grind, 800-grit SiC grind, and sandblasted surfaces); also, different deposition parameters were used (concentration of powders, applied voltage, and deposition time). Taguchi's approach was used to select the optimum conditions for deposition coatings. These conditions were 3 g/L, 50 V, and 1 min. The SEM and AFM analyses of HA/TiO2 nanocomposite coatings show the variation in the morphology as a consequence of different TiO2 concentrations. This appears in the reduction in the porosity and surface roughness of the coatings due to the addition of TiO2. The wettability measurements showed that all the coating surfaces are hydrophilic, with contact angle values ranging from 48.42° to 69.43°. XRD and EDS were used to investigate the composition and structure of the deposited coatings. The results proved that EPD did not affect the composition of the coating. To evaluate the bioactivity and formation of natural hydroxyapatite, all the coated samples were immersed in simulated body fluid (SBF). The results confirmed that all coatings showed good bioactivity and that hydroxyapatite formed on their surfaces after being immersed in (SBF). The results also proved that all coatings imparted corrosion protection to the substrate when evaluated via potentiostatic polarization curves by immersion in SBF, but the coating with a 75% concentration of TiO2 showed the best corrosion protection and a lower corrosion rate. The diffusion method was used for the assessment of antibacterials against two types of bacteria; Gram-negative Escherichia coli (E. coli), and Gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus). The samples exhibited good antibacterial activity against the Gram-negative type and excellent antibacterial activity against the positive type. Table of Abbreviations and symbols 316L SS 316L Stainless Steel AAS Atomic Absorption Spectrometry ACP Amorphous calcium phosphate AD Deacetylation Degree AFM Atomic Force Microscopy AISI American Iron and Steel DOE Design of Experimental E. coli Escherichia coli bacteria EDS Energy Dispersive X-ray Spectrometry) ELD Electrolytic Deposition EPD Electrophoretic Deposition FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope FG Functionally Graded FTIR Fourier-Transform Infrared Spectroscopy HA Hydroxyapatite OCP Open circuit potential PMMA Poly(methyl methacrylate) ppb parts per billion PVA polyvinyl alcohol S. aureus Staphylococcus aureus S/N Signal-to-Noise ratio SBF Simulated Body Fluid TCP Tri-Calcium Phosphate vol.% volume percentage wt.% Weight percentage XRD X-Ray Diffraction Ca10 (PO4)6 (OH)2 Hydroxyapatite SiC Silicon Carbide TiO2 Titanium dioxide Ni Nickel Cr Chromium CR Corrosion rate Ecorr Corrosion potential Icorr Corrosion current KBr Potassium Bromide A Area Rp Polarization resistance βa Anodic Tafel slope βc Cathodic Tafel slope

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب