التعديل السطحي بالليزر للطلاءات النانوية السيراميكية الحيوية (YSZ/TiO2) على سبائك التيتانيوم للتطبيقات الطبية الحيوية

الباحث

مروان باسل حسين

المشرف

علي منذر مصطفى - مكارم حازم عبد الكريم

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم هندسة الانتاج والمعادن / هندسة المعادن

الشهادة

دكتوراه

السنة

2024

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Laser surface modification;YSZ/TiO2 coatings;Titanium alloys;Biomedical applications

تسمح المعالجة السطحية للمواد الحيوية بتحسين الاستجابات المادية والبيولوجية عن طريق التعديل الكيميائي لسطح المادة والطاقة والشحن مع الاحتفاظ بخصائص الاساس. ويمكن تقسيم التغييرات السطحية إلى حد كبير إلى ثلاث فئات: (1) إضافة المواد المطلوبة إلى السطح ؛ (2) تحويل السطح الحالي إلى تركيبات و/أو سمات سطح المادة أكثر استصوابا ؛ (3) إزالة المواد من السطح الحالي لتوليد سمات سطحية محددة. تتضمن هذه الدراسة نتائج تجريبية حول USUI بالإضافة إلى سلوك اختبار الشريط لقياس الالتصاقية لسبائك زرع العظام Ti-13Zr-13Nb و (cp-Ti) المغطاة بالسيراميك النانوي YSZ تم استخدام الترسيب الكهربائي (EPD) وطرق الطلاء بالغمسء بناءًَ على تصميمات تاغوتشي للتجارب ،(DOE) لإنتاج طبقة رقيقة ملتصقة. تم استخدام مجموعة تاغوتشي متعامدة من النوع 9] للتحقيق في تأثيرات محددات EPD مثل الجهد الكهربائي وتركيز YSZ ومدة الترسيب والدرجة من خشونة السطح., بالإضافة إلى تأثيرات مجددات طلاء الغمس مثل درجة الحرارة وتركيز YSZ ومدة الترسيب والدرجة من خشونة السطح على Ti-13Zr-13Nb 5 CP-Ti . تم طلاء سبائك 18 المذكورة أعلاه باستخدام نتائج اختبارات السُمك والالتصاقية التي تم استخدامها أثناء طلاء العينات لتحسين المحدادت لبيانات إدخال الطلاء لل BPD والطلاء بالغمس. وكانت الظروف المثلى لسماكة والتصاق الطلاء YSZ (المطلي باستخدام (EPD هي (60 ،ol 7 دقائق، تركيز 6%15 400 درجة الخشونة) لل Ti التجاري و(60 فولت،ء 7 دقائق، تركيز 6%20 400 درجة الخشونة) لل .Ti-13Zr-13Nb وكانت الظروف المثلى لسمك الطلاء YSZ والالتصاقية لل Ti التجاري (باستخدام طلاء الغمس) هي (درجة حرارة 60 درجة Ay sie وقت 10 ثانية، تركيز 210، 250 درجة الخشونة) وكانت الظروف المثلى لل Ti- 132-1310 (درجة حرارة 60 درجة مئوية ، 10 lsh تركيز 015؟9: 400 درجة الخشونة). تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح عالي الدقة، FE-SEM لتوصيف السبائك المطلية؛ تم استخدام المجهر الضوئي ومجهر القوة الذرية (AFM) لتحديد البنية المجهرية وسمك الأسطح المطلية؛ تم استخدام EDAX للنظر في تركيبة الطلاء؛ وتم استخدام XRD لتحليل وتجديد الاطوار المشكلة وأستخدام أختبار الشريط اللاصق لقياس القوة الالتصاقية للطبقة المطلية. تم فحص مقاومة التآكل لسبائك Tj المطلية بأستخدام المحددات المثلى في سائل جسدي محاكاة (SBF) باستخدام الطرق الكهروكيميائية بما في ذلك الاستقطاب (Tafel) والاستقطاب الدوريء والتي تم استخدامها للمقارنة وأختيار الأمثل بين السبيكتين (Ti-13Zr-13Nb , Cp-Ti) والتي تم طلائهم بواسطة EPD والطلاء بالغمس LIS . السبيكتين المطلية (Ti-13Zr-13Nb , Cp-Ti) بأستخدام EPD والطلاء بالغمس أظهرت تحسن بمقاوة USL في محلول ال (SBF) في درجة حرارة °C 37 وكذلك أظهرت النتائج أن معمغدل التأكل للسبيكة المطلية Ti-13Zr-13Nb كانت Jil من السبيكة المطلية Cp-Tj بأستخدام طريقة الطلاء ال 0مع. (3- 1.888*10 بالمقابل 3- 3.013*10على ll sill ) وذلك كانت نتيجة فحص التأكل للسبيكة المطلية Ti-13Zr-13Nb اقل من السبيكة المطلية Cp-Ti والتي تم طلائهم بطريقة الطلاء بالغمس (3- 5.41710 مقابل 3 1.04210 على التوالي). تم تضمين ثلاث نسب مئوية مختلفة من 7102 (5/ و 210 و 215( في المحلول الأمثل للترسيب الكهربائي (EPD) وعمليات الطلاء بالغمس. ثم تم استخدام هذه المحاليل لطلاء السبيكة المثلى Ti-) (13Zr-13Nb التي تم الحصول عليها من خلال اختبار التآكل المذكور أعلاه. ثم تم تحديد سمك وقوة الالتصاق لطبقات الطلاء 752/1107 الناتجة. تم فحص مقاومة USUI لسبائك 71-1320-1380 المطلية في ils جسدي محاكاة (SBF) باستخدام طرق كهروكيميائية بما في ذلك الاستقطاب (Tafel) والاستقطاب ،gy sill والتي تم استخدامها لأختيار التركيز (TIO2 415) Sey! والذي تمت إضافته إلى الحلول المغطى بسبائك Ti-13Zr-13Nb التي تم تغطيتها بواسطة طرق الطلاء ال EPD والطلاء بالغمس. تم طلاء سبيكة Ti-13Zr-13Nb المثلى، المغطاة بطبقة من 7102 % ،¥$Z/15 باستخدام الترسيب الكهربائي (EPD) وطرق طلاء الغمس. ثم خضعت هذه السبيكة ذات الطلاء الأمثل لتعديل السطح بواسطة الليزرء وهي تقنية تستخدم حرارة الليزر لتغيير الخصائص السطحية للمواد المعدنية. كانت قوة الليزر 80 واط مع الحفاظ على سرعة ثابتة من أجل كسر وتشتت طبقات YSZ7/TIO2 المنصهرة داخل سطح السبيكة. وقد استخدم نظام FE-SEM لتوصيف السبائك المعدلة بالليزر ؛ واستخدم الفحص المجهري الضوئي والفحص المجهري للقوة الذرية لتحديد البنية المجهرية للأسطح المطلية وسمكها وخشونتها ؛ تم استخدام EDAX للنظر في تكوين الطلاء ؛ واستخدم XRD لتحليل وتحديد الأطوار المكونة. تم فحص قابلية الالتصاق الزاوي ،contact angle والنشاط الحيوي في المختبر في محلول ،SBF والاختبارات المضادة للبكتيريا على سطح السبيكة المعدلة بالليزر لسبيكة Ti-13Zr-13Nb المطلية باستخدام EPD وعمليات الطلاء بالغمس. أخيرّاء لأختيار الطريقة الأمثل لطرق الطلاء (0مع،: طلاء الغمس) بين تعديلات الليزر السطحية Ti-13Zr-13Nb المطلية و52/1596710/,، تم فحص اختبار التآكل في سائل جسدي محاكي (SBF) باستخدام الطرق الكهروكيميائية بما في ذلك الاستقطاب (Tafel) والاستقطاب الدوري.عززت عينات الطلاء مقاومة التآكل في محلول Ringer عند درجة حرارة USI 37 °C اطريقتي الطلاء ؛ ومع ذلك، كان معدل تآكل سطح الليزر لسبيكة Ti-13Zr-13Nb المطلية بواسطة Jil EPD من معدل تآكل سطح Ti-13Zr-13Nb_ Sell) المطلية بعملية طلاء الغمس (4 9.31110 مقابل 3 2.165x10 على التوالي).

Surface treatment of biomaterials allows for improvements in material and biological responses by modifying a material's surface chemistry, topography, energy, and charge while retaining the implant's bulk characteristics. This study includes experimental findings on the corrosion as well as tape test behavior of Ti-13Zr-13Nb orthopedic implantation alloys and commercially pure Ti (cp-Ti) covered with YSZ nanoceramic. The electrophoretic deposition (EPD) and dip coating methods, based on the Taguchi designs of experiments (DOE) method, were used to produce an adherent thin layer. An orthogonal Taguchi array of type L9 was used to investigate the effects of EPD parameters such as electrical voltages, YSZ concentration, deposition duration, and degree from grinding, as well as the effects of dip coating parameters such as temperature, YSZ concentration, deposition duration, and degree from grinding on the Cp-Ti and Ti-13Zr-13Nb alloy substrates on deposition yield. The aforementioned Ti alloys were coated using the thickness and adhesive tests that were utilized to improve the EPD and dip coating input data settings. The optimal conditions for YSZ coating thickness and adhesion (coated using EPD) were (60 volts, 7 minutes, 15% concentration, 400 degrees of grinding) for commercial Ti and (60 volts, 7 minutes, 20% concentration, 400 degrees of grinding) for Ti-13Zr-13Nb. The optimum conditions for YSZ coating thickness and adhesion for commercial Ti (using dip coating) were (60° C temperature, 10 sec time, 10% concentration, 250 degree of grinding) and for Ti-13Zr-13Nb were (60°C temperature, 10 sec time, 15% concentration, 400 degree of grinding). Scanning electron microscopy, FE-SEM, was used to characterize the coated alloys; optical microscopy and atomic force microscopy (AFM) were used to determine the microstructure and thickness of the coated surfaces; EDS was used to look into the coating's composition; and XRD was used to analyze the formed phases. The adhesion force of the coatings was assessed using a tape tester. The corrosion resistance of the optimally coated Ti alloys was examined in a simulated bodily fluid (SBF) using electrochemical methods including polarization (Tafel) and cyclic polarization, which were used to optimize between the Cp-Ti and Ti- 13Zr-13Nb alloys that had been coated by EPD and dip coating processes. Both coating alloys, Cp-Ti and Ti-13Zr-13Nb, using both coated methods improved corrosion resistance in Ringer's solution at a temperature of 37°C; however, the corrosion rate of the coated Ti-13Zr-13Nb alloy was lower than that of the coated Cp-Ti alloy using the EPD process mpy (1.888×10-3 versus 3.013×10-3, respectively), and the coated Ti-13Zr-13Nb alloy exhibited a lesser rate of corrosion than the coated Cp-Ti alloy using the dip coating process mpy (5.417×10-3 and 1.042×10-2, respectively). Three different percentages of TiO2 (5%, 10%, and 15%) were included in the optimized suspension for the electrophoretic deposition (EPD) and dip coating processes. These suspensions were then used to coat the optimized alloy (Ti-13Zr-13Nb) that was obtained by the corrosion test mentioned above. The thickness and adherence of the resulting YSZ/TiO2 coating layers were then determined. The corrosion resistance of the coated Ti alloys was examined in a simulated bodily fluid (SBF) using electrochemical methods including polarization (Tafel) and cyclic polarization, which were used to optimize the (15% TiO2) concentration that was added to the suspension coated with Ti-13Zr-13Nb alloys that had been coated by EPD and dip coating processes. The optimized Ti-13Zr-13Nb alloy, coated with a layer of YSZ/15% TiO2, was adjusted using electrophoretic deposition (EPD) and dip coating methods. This optimized-coated alloy was then subjected to laser surface modification, a technique that utilizes laser heat to alter the surface properties of metallic materials. The laser power was 80 W while maintaining a constant speed in order to fracture and disperse the molten YSZ/TiO2 layers inside the matrix. FE-SEM was used to characterize the coated alloys; optical microscopy and atomic force microscopy (AFM) were used to determine the microstructure, thickness, and roughness of the coated surfaces; EDS was used to look into the coating's composition; and XRD was used to analyze the formed phases. Wettability, in vitro bioactivity in SBF, and antibacterial tests were examined on the surface of laser modification for the Ti-13Zr-13Nb alloy coated using EPD and dip coating processes. Finally, to optimize the coating methods (EPD, dip coating) between the surface laser modifications for Ti-13Zr-13Nb coated by YSZ/TiO2, the corrosion test was examined in a simulated bodily fluid (SBF) using electrochemical methods including polarization (Tafel) and cyclic polarization. Both coating samples improved corrosion resistance in Ringer's solution at a temperature of 37°C; however, the corrosion rate of the laser surface for the Ti-13Zr-13Nb alloy coated by EPD was lower than that of the laser surface for the Ti-13Zr-13Nb coated by the dip coating process mpy (9.311× 10- 4 versus 2.165× 10-3, respectively).

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