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

ابراهیمی, ادیب; اصفهانی, حمید; فتاح الحسینی, آرش; ایمان طلب, امید

doi:10.30501/jamt.2018.91740

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

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

ادیب ابراهیمی

حمید اصفهانی

آرش فتاح الحسینی

امید ایمان طلب

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

10.30501/jamt.2018.91740

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

استخوان سازی

بوراید تیتانیوم

پوشش کامپوزیتی

ریزساختار

زیست فعال

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

Park, J. P. and R. S. Lakes. Biomaterials: An introduction, 2nded. New York: Plenum Press, 1992.
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.
Bose S., Ford Robertson S., Bandyopadhyay A., Surface modiﬁcation of biomaterials and biomedical devices using additive manufacturing, Acta Biomaterialia, 2018, 66, 6–22.
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.
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.
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.
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.
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.