بررسی مکانیزم تشکیل پوشش سرامیکی کامپوزیتی TiB/TiB2 روی تیتانیوم خالص تجاری و توانایی استخوان‌سازی آن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه بوعلی سینا همدان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مواد

چکیده

تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی بالا در ساخت کاشتنی­های تحت بار استفاده می­شوند. با این وجود از لحاظ رفتارهای سطحی و تریبولوژی دچار ضعف هستند. در این پژوهش مکانیزم ایجاد پوشش محافظ کامپوزیتی TiB/TiB2 روی تیتانیوم خالص تجاری به روش نفوذی پک سمانتاسیون و توانایی استخوان­سازی آن در آزمون­های in-vitro مطالعه شده اند. فرایند بوردهی در دماهای  مختلف (˚C 800 و ˚C 1000) به مدت 60 دقیقه انجام شد. بررسی تصاویر SEM از سطح مقطع نمونه­ها و مطالعه مدل­های نفوذی نشان داد که در یک زمان مشخص با افزایش دما گرادیان غلظتی از اتم­های بور در سطح تیتانیوم ایجاد می­شود که منجر به تشکیل ترکیب­های TiB2، Ti3B4 و TiB از سطح به عمق نمونه می­شود. نتایج فاز شناسی به کمک فن XRD مکانیزم را تائید کرد. همچنین نتایج نشان داد که بوردهی در دمای ˚C 800 منجر به تشکیل پوشش تک فاز TiB و بوردهی در دمای ˚C 1000 منجر به تشکیل پوشش کامپوزیت TiB/TiB2 می­شود. نتایج آزمون in-vitro توانایی استخوان­سازی طی دو هفته غوطه­وری در محلول شبیه ساز بدن (SBF) برای نمونه­های بدون و با پوشش نشان داد که پوشش کامپوزیت TiB/TiB2 قادر است سطح تیتانیوم خالص تجاری را از یک بیوماده خنثی به یک بیوماده زیست فعال با قابلیت استخوان­سازی تبدیل نماید. تصویر SEM از سطح پوشش کامپوزیت TiB/TiB2 پس از دو هفته غوطه­وری تشکیل رسوبات آپاتیت استخوانی با ساختار متخلخل و مشابه بافت استخوان اسفنجی را نشان داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study on Ceramic Composite TiB/TiB2 Coating Mechanism on Commercial Pure Titanium and Its Osteoconduction

نویسندگان [English]

  • Adib Ebrahimi
  • Hamid Esfahani
  • Arash Fattah-alhosseini
  • Omid Imantalab
Department of Materials Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan
چکیده [English]

Titanium and its alloys are used as under-load implants due to the high corrosion resistant and mechanical properties. However, they show weakness in surface and tribology behavior. In this study, the protective composite TiB/TiB2 coating mechanism towards the diffusion pack cementation method and also their osteoconduction properties have been investigated via in-vitro experience. Boriding process was performed at the different temperatures (800 and 1000 ˚C) for certain soaking time (60 min). SEM micrographs showed a gradient B concentration regard to the formation of TiB2, Ti3B4, and TiB phases. XRD analysis also confirmed the formation mechanism and indicated that boriding at 800 ˚C tends to single phase TiB, while at 1000 ˚C tends to the formation of composite TiB/TiB2 coating. In-vitro study during two weeks immersion in simulated body fluid (SBF) showed that the TiB/TiB2 coating exchanges the bio-inert titanium surface to a bio-active surface resulting in an osteoconductive material formation. SEM image of TiB/TiB2 coating after two weeks immersion revealed that bone like apatite precipitants formed a porous structure like cancellous bone tissue on the titanium surface.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioactivity
  • composite coating
  • Microstructure
  • Osteoconduction
  • Titanium Boride
  1. Park, J. P. and R. S. Lakes. Biomaterials: An introduction, 2nded. New York: Plenum Press, 1992.
  2. Gao A., Hang R., Bai L., Tang B., Chu P.K., Electrochemical surface engineering of titanium-based alloys for biomedical application, Electrochimica Acta, 2018, 271, 699-718.
  3. Bose S., Ford Robertson S., Bandyopadhyay A., Surface modification of biomaterials and biomedical devices using additive manufacturing, Acta Biomaterialia, 2018, 66, 6–22.
  4. Esfahani H., Dabir F., Taheri M., Sohrabi N. and Toroghinejad M. R., Sol–gel derived hydroxyapatite coating on TiB2/TiB/Ti substrate, Surface Engineering, 2012, 28, 526-531.
  5. Schmidt J., Boehling M., Burkhardt U. and Grin Y., Preparation of titanium diboride TiB2 by spark plasma sintering at slow heating rate, Science and Technology of Advanced Materials, 2007, 8, 376–382.
  6. Kulkan M., Makuch N., Dziarski P., Piasecki A., A study of nanoindentation for mechanical characterization of chromium and nickel borides’ mixtures formed by laser boriding, Ceramics International, 2014, 40, 6083–6094.
  7. Jamin M. Johnston, Matthew Jubinsky, Shane A. Catledge, Plasma boriding of a cobalt–chromium alloy as an interlayer for nanostructured diamond growth, Applied Surface Science, 2015, 328, 133–139.
  8. گلغدار م.ع.، اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها  مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان، 1378.
    1. Campos-Silva I., Balankin A.S., Sierra A.H., Lopez-Perrusquia N., Escobar-Galindo R., Morales-Matamoros D., Characterization of rough interfaces obtained by boriding, Applied Surface Science, 2008, 255, 2596–2602.
    2. پورتر دی ای، ایسترلینگ کی ای، استحاله فازها در فلزات و آلیاژها، ترجمه محمدرضا افضلی، مرکز نشر دانشگاهی تهران، چاپ اول 1379، صفحه 77.
      1. Ataibis V., Taktak S., Characteristics and growth kinetics of plasma paste borided Cp–Ti and Ti6Al4V alloy, Surface & Coatings Technology, 2015, 279, 65–71.
      2. He X., Zhang G., Wang X., Hang R., Huang X., Qin L., Tang B., Zhang X., Biocompatibility, corrosion resistance and antibacterial activity of TiO2/ CuO coating on titanium, Ceramics International, 2017, 43, 16185–16195.
      3. Kokubo, T. and Takadama. H., How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 2006, 27, 2907.
      4. Ding H., Zhou G., Liu T., Xia M., Wang X., Biotribological properties of Ti/TiB2 multilayers in simulated body solution, Tribology International, 2015, 89, 62-66.
      5. Fan Z., Miodownik AP., Chandrasekaran L., Ward-Close M., Young’s moduli of in situ Ti/TiB composites obtained by rapid solidification processing, Journal Materials Science, 1994, 29(4):1127-1134.
      6.  سوری م.ح.، اشرفی زاده ف.، صالحی م.، برونایزینگ جامع قطعات فولادی برای صنایع کشور، دومین سمینار ملی مهندسی سطح (1380)
        1. Murray J.L., Liao P.K., Spear K.E., The B–Ti (boron–titanium) system, Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1986, 7 (6), 550.
        2. Sarma B., Tikekar N.M., Ravi Chandra K.S., Kinetics of growth of superhard boride layers during solid state diffusion of boron into titanium, Ceramics International, 2012, 38, 6795–6805.
        3. Sivakumar B., Singh R., Chandra Pathak L., Corrosion behavior of titanium boride composite coating fabricated on commercially pure titanium in Ringer's solution for bioimplant applications, Materials Science and Engineering C, 2015, 48, 243–255.
        4. Nakama Y., Ohtani, H., and Hasebe M., Thermodynamic Analysis of the Nb–Ti–B Ternary Phase Diagram, Materials Transactions, 2009, 50(5), 984-993.
        5. Stevens M.M., Biomaterials for bone tissue engineering, Materials Today, 2008, 11(5), 18-25.
        6. Shojai M.S., Khorasani M.T., Jamshidi A., 3-Dimensional cell-laden nano-hydroxyapatite/protein hydrogels for bone regeneration applications, Materials Science and Engineering C, 2015, 49, 835–843.