ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙΙ: ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΙΑΒΡΩΣΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΕΝΘΕΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙΙ: ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΙΑΒΡΩΣΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΕΝΘΕΜΑΤΩΝ ΟΜΑ Α: ΦΛΩΡΟΠΟΥΛΟΥ ΒΗΘΛΕΕΜ ΣΟΒΟΛΟΣ ΗΜΗΤΡΙΟΣ 1

2 ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΣΤΗΝ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΚΑΤΑ ΤΗΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ ΣΕ ΟΡΘΟΠΕ ΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Νi-Ti ΜΕ ΕΜΦΥΤΕΥΣΗ ΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΜΕ ΠΛΑΣΜΑ ΑΝΘΡΑΚΑ 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι µοναδικές σούπερ ελαστικές ικανότητες και οι συνέπειες του (σχήµατος µνήµης) κάνουν το κράµα Νi-Ti ικανό για ορθοπεδικά εµφυτεύµατα. Παρόλα αυτά η διάχυση του βλαβερού Ni από το υπόστρωµα Ni-Ti κατά την παρατεταµένη χρήση στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώµατος είναι ένα σοβαρό ζήτηµα και το πρόβληµα θα πρέπει να λυθεί πρίν τα υλικά χρησιµοποιηθούν ευρέως στην ορθοπεδική. Στην παρούσα εργασία, ερευνούµε την πιθανότητα αναβάθµισης της αντιδιαβρωτικής ικανότητας της επιφάνειας του κράµατος Ni-Ti χρησιµοποιώντας βύθιση και εµφύτευση ιόντων και εναπόθεση µε πλάσµα C (PIII & D). Χρησιµοποιήθηκε εναπόθεση παραγόµενου άµορφου υδρογονοποιηµένου φίλµ C πάνω στην επιφάνεια Ni-Ti και εµφύτευση για τη δηµιουργία στρώµατος ιόντων και καρβιδίου τιτανίου. Στα πρώτα πειράµατα, παρήχθηκε αρχικά µια διαβαθµισµένη διεπιφάνεια C/Ni-Ti και ακολούθησε η εναπόθεση ενός φίλµ άµορφου υδρογονοµένου C µε χρήση ραδιοσυχνότητας (RF) C 2 H 2 PIII &D. Στο δεύτερο µέρος των πειραµάτων µας, άνθρακας εµφυτεύτηκε σε δοκίµια µε χρήση υψηλής τάσης εκκένωσης αίγλης ΡΙΙΙ σε περιβάλλον C 2 H 2. Η δοµή της επιφάνειας, η αντίσταση κατά της διάβρωσης και η µορφολογία της επιφάνειας των υλικών που λάβανε µέρος και στις δύο µεθόδους υποογίζονται (λαµβάνονται υπόψη) και συγκρίνονται. 2.ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κυκλικοί ράβδοι Νi-Ti µε 50,8% Ni (SE508 bar), κόπηκαν σε δίσκους διαµέτρου 5mm και πάχους 1mm, λειάνθηκαν έτσι ώστε να δηµιουργηθεί γυαλιστερή επιφάνεια και 2

3 µετά υπερηχητικά καθαρίστηκαν µε ακετόνη και αιθανόλη πρίν η εναπόθεση και η εµφύτευση επάχθει στην καταβύθιση πλάσµατος εµφύτευση ιόντων, µε δωµάτιο κενού όγκου 0,94m 3. Οι παράµετροι εναπόθεσης και εµφύτευσης πλάσµατος παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Πίνακας 1 Σε πειράµατα όπου πραγµατοποιήθηκε µόνο εναπόθεση, η ανάφλεξη-εκκίνηση της αίγλης εκκένωσης πραγµατοποιήθηκε σε περιβάλλον C 2 H 2 σε 30KV για 20 λεπτά για τη δηµιουργία στρώµατος καρβιδίου για τη βελτίωση της συνάφειας του φίλµ. Στη συνέχεια το C 2 H 2 πλάσµα διατηρήθηκε κατά τη διάρκεια όλης της ΡΙΙΙ&D διεργασίας και έτσι η αρχική διαδικασία είναι η εναπόθεση ( είγµα Νο2-Πίνακας 1), διότι ο παράγοντας κύκλου λειτουργίας της εµφύτευσης ήταν πολύ χαµηλός. Από την άλλη πλευρά κατά τη διάρκεια των πειραµάτων µόνο ΡΙΙΙ διεργασίας ( είγµα Νο3-Πίνακας 1), η ανάφλεξη του C 2 H 2 πλάσµατος έγινε µε υψηλής τάσης εφαρµόστηκε στο δείγµα. Η δεσπόζουσα διεργασία ήταν λοιπόν η εµφύτευση ιόντων µε πολύ ελάχιστη εναπόθεση διότι δεν υπήρξε δηµιουργία πλάσµατος µεταξύ των παλµών υψηλής τάσης. Οι χηµικές καταστάσεις Τi και Ni καθορίστηκαν µε φωτοηλεκτρική φασµατοσκοπία ακτίνων Χ (XPS) [Physical Electronics PHI 5802]. Η χηµεία του άνθρακα εκτιµήθηκε µε χρήση Raman φασµατοσκοπίας [Renishaw Raman System 2000] µε χρήση laser αργού 514mm. Η µορφολογία της επιφάνειας των επεξεργασµένων και µη ελεγχόµενων δειγµάτων, εξετάστηκε µε µικροσκόπιο ατοµικής δύναµης (AFM-Autoprobe CP). Ηλεκτροχηµικά τεστ βασισµένα σε ASTM-G5-94 (1999) και G61-86 (1998) εκτελέστηκαν µε ποτενσιοστάτη (Versa Sat II EG &G) χρησιµοποιώντας ένα πρότυπο 3

4 προσοµοιωτή (SBF) σε ph 7,42 και θερµοκρασία 37±0,5 ο C. Ένα κυκλικό δυναµικό κυµαίνεται µεταξύ 400mV και +1600mV εφαρµόστηκε µε ταχύτητα σάρωσης 600mV/h. Πριν τα ηλεκτροχηµικά τεστ το µέσο καθαρίστηκε µε άζωτο για µία ώρα για να αφαιρεθεί το διαλυµένο οξυγόνο και ο καθαρισµός συνεχίστηκε κατά τη διάρκεια των µετρήσεων. Το SBF που λάβαµε από κάθε δείγµα, µετά το τεστ διαβρώσεως αναλύθηκε για Νi και Τi, χρησιµοποιώντας επαγόµενο διαζευγµένο πλάσµα µε φασµατοσκοπία µάζας (ICP-MS) [Perkin Elmen, PE SCIEX ELAN 6100]. Για την αξιολόγηση της µορφολογίας επιφάνειας των διαφορετικών δειγµάτων, τα ηλεκτροχηµικά τεστ πραγµατοποιήθηκαν ξανά σε ένα άλλο σετ δειγµάτων αλλά αυτή τη φορά η εξωτερική µεριά των εκτιθέµενων επιφανειών των δειγµάτων καλύπτονται µε βερνίκι νυχιών. Η µορφολογία επιφανείας του κάθε δείγµατος πρίν και µετά τα ηλεκτροχηµικά τεστ, εκτιµήθηκε µε µικροσκοπία ηλεκτρονικής σάρωσης (SEM) [SEM,JEOL JSM-820], µετά την αφαίρεση του βερνικιού µε ακετόνη. 3.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η Εικόνα 1 παρουσιάζει τα XPS προφίλ βάθους που ελήφθησαν από το µη επεξεργασµένο δείγµα αναφοράς, και τα δείγµατα που είχαν υποστεί εναπόθεση, εµφύτευση και ανόπτηση. Εικόνα 1 Τα προφίλ σχεδιάστηκαν για µία κλίµακα βάθους βασισµένη στο ρυθµό που υπολογίστηκε από οξείδιο του πυριτίου αναφοράς υπό παρόµοιες συνθήκες αναφοράς 4

5 µόνο, εφόσον είναι γνωστό ότι (ανοµοιόµορφος) ρυθµός αλλαγών στην επιφάνεια και είναι διαφορετικοί από αυτούς στο SiO 2. Είναι εµφανές από τα γραφήµατα ότι το περιεχόµενο Ni βρίσκεται στην περιοχή εµφύτευσης. Η Εικόνα 2 παρουσιάζει τα φάσµατα Raman από τα δείγµατα που επεξεργαστήκαµε. Εικόνα2 Τα φάσµατα είναι αντιπροσωπευτικά του άµορφου υδρογονωµένου C και του κρυσταλλικού γραφίτη. Τελικά η ανόπτηση όχι µόνο ενισχύει τη διάχυση αλλά βελτιώνει την κρυστάλλωση. Η Εικόνα 3 και ο Πίνακας 2 συγκρίνει τιµές RMS για την τραχύτητα της επιφάνειας των δειγµάτων. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι το δείγµα αναφοράς και τα δείγµατα που είχαν υποστεί εµφύτευση και ανόπτηση έχουν πανοµοιώτυπη τραχύτητα επιφάνειας, ενώ το δείγµα που έχει υποστεί εναπόθεση είναι σε διπλάσιο βαθµό τραχύ. Παρόλα αυτά πρέπει να τονιστεί ότι η απόλυτη τραχύτητα είναι σχετικά µικρή όσον αφορά τη γενική προοπτική των βιοϊατρικών µετάλλων. Πίνακας 2 5

6 Εικόνα 3 Στον Πίνακα 3 παρουσιάζονται εν περιλήψει τα αποτελέσµατα που λάβαµε για τη συγκέντρωση των Νi και Ti στα SBF διαλύµατα όπως προσδιορίστηκαν από το ICP-MS µετά τα ηλεκτροχηµικά τεστ. Πίνακας 3 6

7 Τα αποτελέσµατα µας δείχνουν ότι η ποσότητα Ni που εκπλύθηκε από το µη επεξεργασµένο δείγµα αναφοράς µετά τα ηλεκτροχηµικά τέστ είναι υψηλότερη από την ποσότητα που λάβαµε από δείγµατα που είχαν υποστεί εµφύτευση ή εναπόθεση. Τα ICP-MS αποτελέσµατα παρέχουν ισχυρές αποδείξεις ότι µόνο το ΡΙΙΙD ή ΡΙΙΙ µπορούν αποτελεσµατικά να εµποδίσουν τη διάχυση του Νi από το κράµα Ni-Ti στο SBF διάλυµα. Η µορφολογία της επιφάνειας των δειγµάτων, που ήταν µερικώς καλυµένη µε βερνίκι, µετά τα ηλεκτροχηµικά τεστ φαίνεται στην Εικόνα 4. Εικόνα 4 Οι εικόνες από το SEM που ελήφθησαν µετά την αφαίρεση του βερνικιού µε ακετόνη δείχνουν ότι υπάρχουν πολύ λίγες µικρές τρύπες στην επιφάνεια των επεξεργασµένων δειγµάτων. Σε σύγκριση µε το µη επεξεργασµένο δείγµα αναφοράς, το οποίο περιέχει πολυάριθµες µεγάλες και ακανόνιστου σχήµατος τρύπες. 7

8 εν είναι τελικώς τυχαίο ότι η ποσότητα ιόντων Ni που εκπλύεται από το ακατέργαστο δείγµα αναφοράς είναι µεγαλύτερη από αυτή που εκπλύεται από τα δείγµατα που έχουν υποστεί εναπόθεση, εµφύτευση και ανόπτηση. 4.ΕΠΙΛΟΓΟΣ Έχουµε λεπτά φίλµ άµορφου υδρογονωµένου C από εναπόθεση µε πλάσµα και εµφυτευµένο C από πλάσµα σε υποστρώµατα Ni-Ti. H επικάλυψη C που σχηµατίστηκε στο υπόστρωµα έχει µία διαβαθµισµένη διεπιφάνεια καρβιδίου, και αυτό έχει σαν συνέπεια την ενδυνάµωση της συνάφειας του φίλµ. Στα δείγµατα που έχουν υποστεί εµφύτευση έχει σχηµατιστεί καρβίδιο τιτανίου.και τα δύο είδη δειγµάτων παρουσιάζουν καλύτερη αντίσταση στη διάβρωση σε σύγκριση µε το ακατέργαστο δείγµα αναφοράς, σύµφωνα µε τα δικά µας τέστ διάβρωσης, και ICP-MS ανάλυση του SBF, παρόλο που η επιφάνεια του δείγµατος που υπέστη εναπόθεση είναι λίγο πιο τραχιά από αυτή του ακατέργαστου δείγµατος αναφοράς και του δείγµατος που υπέστη εµφύτευση. Τελικά αποδείξαµε ότι η µέθοδος ΡΙΙΙ&D είναι αποτελεσµατική στο να βελτιώνει την αντίσταση στη διάβρωση των κραµάτων Ni-Ti. 5.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1.A.Kapanen, J. Ilvesaro, A.Danilov, J.Ryhanen, P.Lehenkari, J.Tuukanen, Biomaterials 23 (2002) P.K.Chu, S.Qin, C.Chan, N.W.Cheung, L.A.Larson, Material Science Eng.: Rep. 17 (1996) P.K.Chu, J.Vac. Scien.Technol. B22 (2004) X.B.Tian, R.K.Y.Fu, L.W.Wang, P.K.Chu, Mater.Sci.Eng A316 (2001) 200 8

9 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΝΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΓΙΑ ΟΡΘΟΠΕ ΙΚΑ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην ορθοπεδική εδώ και πολλά χρόνια χρησιµοποιούνται εµφυτεύµατα, σε περιπτώσεις στις οποίες η αναγέννηση του οστού είναι περιορισµένη. Εξαιτίας σοβαρών τραυµατισµών το ίδιο το οστό, αν και έχει πολύ καλές µηχανικές ιδιότητες και εκπληκτική αναγεννησιµότητα δεν έχει τη δυνατότητα να ανασχηµατιστεί. Τα µεταλλικά εµφυτεύµατα που αντικαθιστούν το οστό απαιτείται να έχουν υψηλή αντίσταση στη διάβρωση, διότι σε αντίθετη περίπτωση ελευθερώνουν µεταλλικά ιόντα στον οργανισµό και να είναι βιολογικά αποδεκτά από τον οργανισµό. Το τιτάνιο αποτελεί πλέον ένα ικανό και ευρέως χρησιµοποιηµένο εµφύτευµα, διότι παρουσιάζει καλή αντίσταση στη διάβρωση, µηχανική αντίσταση, βιοσυµβατότητα, χαµηλό µέτρο ελαστικότητας, πυκνότητα και χωρητικότητα, καθιστώντας επιτυχή την ένωση µε το οστό. Στο παρών άρθρο εξετάζεται ένα κράµα τιτανίου (Ti-35Nb-7Zr-5Ta) που περιέχει επιπρόσθετα νιόβιο, ζιρκόνιο και ταντάλια, το οποίο έχει χαµηλότερο µέτρο ελαστικότητας, σε σχέση µε άλλα µέταλλα ευρέως χρησιµοποιηµένα, και πλησιάζει το µέτρο του οστού. Το κράµα αυτό παράχθηκε µε µέθοδο σκόνης µεταλλουργίας (Ρ/Μ), η οποία επιθυµητή τεχνική παραγωγής για συστήµατα πορώδους επικάλυψης τιτανίου και έχει τα πλεονεκτήµατα ότι παρουσιάζει ανώτατες µηχανικές ιδιότητες και πιο έντονη πρόσφυση (συνάφεια) στο υπόστρωµα. είγµατα του κράµατος τιτανίου παρήχθησαν ανακατεύοντας αρχικές µεταλλικές σκόνες συνδυάζοντας ψυχρή µονοαξονική ισοστατική συµπίεση (unaxial cold isostatic pressing) και επακολουθεί συµπύκνωση µάζας χωρίς τήξη (sintering). Όλες οι σκόνες ελήφθησαν µε υδριδική µέθοδο (hydride method) και συµπυκνώθηκαν χωρίς τήξη σε υδριδικό επίπεδο. Οι αρχικές σκόνες ζυγίσθηκαν, αναµείχθησαν και ενσωµατώθηκαν σε κάψουλες, υπό κενό, σε ελαστικά καλούπια. Τα δείγµατα πέρασαν από διαδικασία συµπύκνωσης µάζας χωρίς τηξη, υπό συνθήκες υψηλού κενού, οι θερµοκρασίες συµπύκνωσης κυµάνθηκαν από 900 ο C µέχρι 1700 o C ενώ ο ρυθµός θέρµανσης ήταν 20 ο C/min. Οι µετρήσεις µικροσκληρότητας πραγµατοποιήθηκαν σε Micromet 2004 και τα µικρογραφήµατα ελήφθησαν µε χρήση SEM (Scanning Electron Microscopy), ενώ η πυκνότητα των δειγµάτων µετρήθηκε µε τη µέθοδο Αρχιµήδη. 9

10 Τελικά από τα αποτελέσµατα διαπιστώσαµε ότι: 1) µε την έναρξη της διάλυσης β- σταθεροποιητών (Nb & Ta) σε χαµηλές θερµοκρασίες συµπύκνωσης, δηµιουργείται α+β φάση Widmanstatten [σταθεροποίηση των περιοχών β-φάσης παρατηρείται µε αύξηση διάλυσης Nb & Ta σε µήτρα τιτανίου, σε υψηλές θερµοκρασίες], 2) εξαιτίας της ολικής διάλυσης των στοιχείων του κράµατος σε µήτρα τιτανίου (άνω των 1500 ο C) πετυχαίνουµε ένα καλό συνδυσµό µικροδοµής, µηχανικών ιδιοτήτων και συµπύκνωσης, 3) οι περιοχές µε υψηλές περιεκτικότητες Τi ευθύνονται για την τελική κατάσταση των πόρων.η διαµόρφωση των πόρων είναι ιδιαίτερα σηµαντική για την τελική κατάσταση του οστού. ιάγραµµα 1: Αποτελέσµατα µετρήσεων µικροσκληρότητας συναρτήσει της θερµοκρασίας συµπύκνωσης ιάγραµµα 2: Αποτελέσµατα µετρήσεων πυκνότητας συναρτήσει της θερµοκρασίας συµπύκνωσης 10

11 Εικόνα 1: Τα φάσµατα XRD ανάλυσης για τα δοκίµια σε θερµοκρασία 900 ο C,1100 ο C,1400 ο C και 1700 ο C. Στους 900 ο C αρχίζει η δηµιουργία διφασικής Widmanstatten δοµής. Στους 1700 ο C απουσιάζει εντελώς η α-φάση τιτανίου ενώ τα δείγµατα παρουσιάζουν την τάση σταθεροποίησης µιας οµογενούς β-φάσης µικροδοµής λόγω υψηλής συγκέντρωσης διαλυµένων β-σταθεροποιητών (Nb & Ta). Εικόνα 2: Στους 900 ο C αρχίζει η δηµιουργία της Widmanstatten δοµής ενώ τα τµήµατα νιοβίου λειτουργούν ως πυρήνες δηµιουργίας της β-φάσης. 11

12 Εικόνα 3 και 4: Συνεχόµενοι σχηµατισµοί (α+β) δοµής και έναρξη σταθεροποίησης β- οµογενούς φάσης. Μεγάλη ποσότητα διαλυµένου Nb (1000 ο C και 1100 o C). Εικόνα 5: Στους 1300 ο C αρχίζει η διάλυση των τµηµάτων Ta Εικόνα 6: Στους 1500 ο C παρατηρείται το τέλος της διάλυσης και των τελευταίων τµηµάτων Nb & Ta, και το τέλος της οµογενοποίησης των τελευταίων περιοχών πλουσίων σε Ti. 12

13 Εικόνα 7: Στους 1700 ο C παρουσιάζονται τα δοκίµια που συµπυκνώθηκαν χωρίς τήξη, τα οποία παρουσιάζουν τα καλύτερα αποτελέσµατα συγκρινόµενα µε τη µικροδοµή που συναντάται σε εµπορικά δείγµατα. 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα κράµατα µε βάση το τιτάνιο έχουν αποδειχθεί κατάλληλα, ως υλικά εµφύτευσης στη χειρουργική των οστών, εδώ και πολλά χρόνια σε πεδία όπως η οστεοσύνθεση, η στοµατική χειρουργική (εµφυτευµατα) και σε κάποιες εφαρµογές στην ορθοπεδική των οστών. Τα κόκκαλα αποτελούν το βασικότερο συστατικό του ανθρώπινου οργανισµού. Ο ιστός του οστού έχει πολλά φυσικά µεταλλικά στοιχεία και παρουσιάζει πολύ καλές µηχανικές ιδιότητες και εκπληκτική αναγεννησιµότητα. Έτσι λοιπόν τα ελαττώµατα και οι ταυµατισµοί στα οστά θεραπεύονται µε το σχηµατισµό ενός νέου ιστού στο οστό, το οποίο θα έχει µια δοµική οργάνωση παρόµοια µε αυτή του αρχικού οστού. Παρόλα αυτά αυτή η δυνατότητα αναγέννησης του οστού περιορίζεται ανάλογα µε τη ζηµιά που έχει υποστεί το οστό, διότι µεγάλες κακώσεις στο οστό δεν αναγεννόνται αυθόρµητα. Με κάποια είδη χειρουργικών διαδικασιών, οι θεµελιώδεις λειτουργίες αποκαθίστανται εντός µερικών ηµερών µετά το χειρουργείο. Για άλλα είδη απαιτείται µια θεραπευτική περίοδος, για τη σύνθεση µεταξύ του κόκκαλου και του εµφυτεύµατος, έτσι ώστε η ένωση να µπορέσει να αντέξει όλο το βάρος του σώµατος. Μετά από 1-15 χρόνια, το εµφύτευµα µπορεί να χαλαρώσει και να είναι απαραίτητη άλλη µία χειρουργική επέµβαση. Μεταλλικά εµφυτεύµατα δουλέυουν υπό µεγάλο µηχανικό φορτίο σε πειβάλλον άλατος και απαιτείται από το υλικό να έχει υψηλή αντίσταση στη διάβρωση. Η διάβρωση των µετάλλων µπορεί να ελευθερώσει µεταλλικά ιόντα ή σωµατίδια στο σώµα και να προκαλέσει πρόωρη αποτυχία του εµφυτεύµατος, ενώ παράλληλα µπορεί 13

14 να πραγµατοποιηθούν και αντίστροφες αντιδράσεις. Το ph του φυσιολογικού αίµατος και του διαλύµατος παρεµβολής είναι 7,35 και 7,45, παρόλα αυτά, µειώνεται στο 5,2 στο σκληρό ιστό λόγω του εµφυτεύµατος και επανέρχεται στο 7,4 εντός 2 εβδοµάδων. Η φυσική επιλογή του τιτανίου ως εµφύτευµα, υποστηρίζεται από το συνδυασµό κάποιων κατάλληλων χαρακτηριστικών συµπεριλαµβανοµένου την αντίσταση στη διάβρωση, την µηχανική αντίσταση, τη βιοσυµβατότητα, το χαµηλό µέτρο ελαστικότητας, την πυκνότητα και την χωρητικότητα, για την ένωση µε το οστό και άλλον ιστό (οστεολοκλήρωση). Οι µηχανικές και φυσικές ιδιότητες των κραµάτων τιτανίου συνδυαζόµενες, παρέχουν στα εµφυτεύµατα µεγάλη ανθεκτικότητα στους τραυµατισµούς. Η ανατοµία του ανθρώπινου σώµατος φυσιολογικά περιορίζει το σχήµα και τον όγκο των εµφυτευµάτων. Το χαµηλό µέτρο ελαστικότητας των κραµάτων συγκρινόµενο µε αυτό του σιδήρου είναι ένα πλεονέκτηµα για τη µείωση (bone resorbtion). Πρόσφατη έρευνα στα βιοϋλικά έχει επικεντρωθεί στα κράµατα του β-τιτανίου, διότι η επεξεργασία των µεταβλητών µπορεί να ελεγχθεί για την παραγωγή επιλεγµένων αποτελεσµάτων. Στοχεύουν δε: 1) στη βελτίωση της βιοσυµβατότητας και 2) στη µείωση των ελαστικών σταθερών. Το πρώτο προωθεί το σχεδιασµό βιοϋλικών µε βιολογική αποδοχή των εµφυτευµάτων από τον οργανισµό και το τελευταίο προωθεί την κατανοµή του φορτίου µεταξύ του εµφυτεύµατο και του γυσικού οστού. Το Ti-35Nb-7Zr-5Ta, έχει χαµηλό µέτρο ελαστικότητας (55Gpa) σε σχέση µε άλλα µέταλλα ευρέως χρησιµοποιηµένα, και το µέτρο του είναι πιο κοντά σ αυτό του οστού. Αυτό το κράµα δεν αποτελείται από στοιχεία τα οποία έχουν αποδειχθεί ή προταθεί, ότι έχουν µικρής ή µεγάλης διάρκειας πιθανά δυσάρεστες συνέπειες, έτσι αυτό το κράµα µπορεί να θεωρηθεί το καλύτερο για ιατρικό εµφύτευµα. Το Ti-35Nb-7Zr-5Ta παράχθηκε µε µέθοδο σκόνης µεταλλουργίας (Ρ/Μ), η οποία είναι µία επιθυµητή τεχνική παραγωγής για συστήµατα πορώδους επικάλυψης τιτανίου, διότι έχουν το πλεονέκτηµα της παραγωγής ανώτατων µηχανικών ιδιοτήτων και πιο έντονης πρόσφυσης (συνάφειας) στο υπόστρωµα. Το επίπεδο πόρωδους επικάλυψης µπορεί να βαθµονοµηθεί, από επιφάνεια υψηλού πορώδους σε πυκνότερες σε επαφή µε το υπό στρωµα, παρέχοντας απαιτούµενη δύναµη (ενέργεια) για διατήρηση του φορτίου. 2.ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ Α ΜΕΘΟ ΟΣ: είγµατα του εξεταζόµενου κράµατος παράχθησαν ανακατεύοντας αρχικές µεταλλικές σκόνες συνδυάζοντας µονοαξονική και ψυχρή ισοστατική συµπίεση µε 14

15 επακόλουθη συµπύκνωση µάζας χωρίς τήξη. Όλες οι σκόνες ελήφθησαν µε υδριδική µέθοδο και συµπυκνώθηκαν χωρίς τήξη σε υδριδικό επίπεδο. Για την παραγωγή σκόνης υδριδικού τιτανίου, η υδριδική διαδικασία εκτελέστηκε στους 500 ο C σε φούρνο υψηλού κενού. Φτάνοντας την ονοµαστική θερµοκρασία, το υλικό έµεινε για 3 ώρες, υπό θετική πίεση υδρογόνου. Μετά τη ψύξη µέχρι θερµοκρασίας δωµατίου, το ευθραυστο υδρίδιο αναµείχθηκε σε κοντεΐνερ τιτανίου χωρίς προστατευτική ατµόσφαιρα. Οι υδριδικές σκόνες των ζιρκόνιο, ταντάλιο και νιόβιο ελήφθησαν ακολουθώντας την ίδια διαδικασία, παρόλο που οι υδριδικές θερµοκρασίες ήταν υψηλότερες (800 ο C). Οι αρχικές σκόνες ζυγίσθηκαν (4γρ.) και αναµείχθησαν γι α 15 σε µίξερ διπλού κώνου. Μετά την ανάµειξη οι σκόνες συµπιέστηκαν υπό ψύξη και µονοαξονικά υπό πίεση 60ΜΡα σε κύλινδρο 15 χιλιοστών. Κατόπιν τα δείγµατα ενσωµατώθηκαν υπό µορφή κάψουλας, υπό κενό, σε ελαστικα καλούπια και συµπιέστηκαν ψυχρά ισοστατικά (CIP) σε 300ΜPa για 30s ( υπό ισοστατική πίεση). Β ΜΕΘΟ ΟΣ: Συµπύκνωση µάζας χωρίς τήξη, πραγµατοποιήθηκε σε χωνευτήριο νιοβίου σε συνθήκες υψηλού κενού (10-7 Torr) χρησιµοποιώντας εξοπλισµό Thermal Technology model Astro Οι θερµοκρασίες συµπύκνωσης κυµάνθηκαν µεταξύ 900 και 1700 ο C ενώ οι ταχύτητες θέρµανσης στα 20 ο C/min. Αφού έφτασαν τις ονοµαστικές θερµοκρασίες, τα δείγµατα διατηρήθηκαν για µία ώρα σε µία θερµοκρασία επιλογής και κατόπιν ψύχθηκαν σε φούρνο µέχρι θερµοκρασία περιβάλλοντος. Μεταλλογραφική προετοιµασία πραγµατοποιήθηκε χρησιµοποιώντας συµβατικές τεχνικές. Τα δείγµατα αποτυπώθηκαν µε ένα διάλυµα Kroll: 1,5ml HF : 2,5ml HNO 3 : 100ml H 2 O, για την αποκάλυψη της µικροδοµής τους. Μετρήσεις µικροσκληρότητας πραγµατοποιήθηκαν σε Micromet 2004 (Buehler) εξοπλισµό µε ένα φορτίο των 0,2 kgf. Τα µικρογραφήµατα ελήφθησαν χρησιµοποιώντας SEM LEO 435Vpi. Η πυκνότητα των συµπυκνωµένων χωρίς τήξη δειγµάτων επιβεβαιώθηκε µε τη µέθοδο του Αρχιµήδη. 3.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Μετά τη συµπύκνωση χωρίς τήξη, τα δείγµατα παρουσίασαν υψηλή συµπύκνωση που κυµαίνεται µεταξύ 69 και 71% της θεωρητικής πυκνότητας, µετά την ψυχρή ισοστατική πίεση, και µεταξύ 91 και 93% µετά τη συµπύκνωση χωρίς τήξη, µε οµογενή µικροδοµή. Η θεωρητική πυκνότητα του κράµατος Ti-35Nb-7Zr-5Ta είναι 5,72 g/cm 3. Οι τιµές της σκληρότητας ποικίλουν, ως συνάρτηση της θερµοκρασίας συµπύκνωσης, και κυµαίνονται από 70 έως 350ΗV και το 350ΗV είναι η µέγιστη τιµή σκληρότητας για κράµµα που έχει υποστεί ανόπτηση. Τα αποτελέσµατα της µικροσκληρότητας και η 15

16 εξάρτηση από τη θερµοκρασία συµπύκνωσης, στη συµπύκνωση του κράµατος Ti-35Nb- 7Zr-5Ta παρουσιάζονται στα διαγράµµατα 1 και 2. Στις εικόνες 1-7 παρουσιάζονται τα διάφορα στάδια και φάσεις της έρευνας. Τα δοκίµια που επεξεργάστηκαν σε χαµηλότερες των 1600 ο C θερµοκρασίες, δεν δηµιούργησαν µια κατανεµηµένη µικροδοµή β-µορφής σε όλα τα δείγµατα. Μπορεί να παρατηρηθεί µία διφασική περιοχή (α+β) οµογενώς διαχωρισµένη σε σχήµα νήσων,εντοιχισµένο σε µία µήτρα πλούσια σε τιτάνιο. Σ αυτή τη φάση είναι διαλυµένες χαµηλές ποσότητες Nb και Ta. Η EDS ανάλυση επιβεβαιώνει ότι το Nb εµφανίζεται σε µεγαλύτερες ποσότητες σε β-περιοχές ενώ µεγαλύτερες συγκεντρώσεις Ti εµφανίζονται στην α-περιοχή. Τα αποτελέσµατα αυτά αποδεικνύουν ότι δεν υπήρχε αρκετά χρόνος για αµοιβαά διάχυση (οµογενοποίηση) και περαιτέρω δηµιουργία α+β µικροδοµής κατά µήκος των δοκιµίων. 4.ΕΠΙΛΟΓΟΣ Η διαδικασία ανάµειξης των στοιχείων που παρουσιάστηκε αποδεικνύεται αποδοτική (ικανή) για την παραγωγή κραµάτων. Τα δείγµατα παρουσίασαν πολύ καλή συµπύκνωση και επαρκή µικροδοµή. Τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι η β-οµογενής µικροδοµή λαµβάνεται σ όλη την έκταση του δείγµατος µε τη µείωση της θερµοκρασίας συµπύκνωσης χωρίς τήξη. Με την έναρξη της διάλυσης β-σταθεροποιητών, σε χαµηλές θερµοκρασίες συµπύκνωσης, δηµιουργείται ενδιάµεση α+β φάση Widmanstatten. Με την αύξηση της διάλυσης τµηµάτων Nb και Τa στη µήτρα τιτανίου σε υψηλές θερµοκρασίες, πραγµατοποιείται η σταθεροποίηση των περιοχών β-φάσης. Λόγω της υψηλής σταθερότητας της β-φάσης, δεν απαιτείται συνήθως διάλυση µε νερό προς κορεσµό. Για το κράµα αυτό, ψύξη σε φούρνο είναι επαρκής, για τη µείωση των παραµορφώσεων, όσο επαρκής είναι και η χαµηλή θερµοκρασία διάλυσης. Εξαιτίας της ολικής διάλυσης των στοιχείων του κράµατος σε µήτρα τιτανίου (άνω των 1500 ο C), πετυχαίνουµε έναν καλό συνδυασµό µικροδοµής, µηχανικών ιδιοτήτων και συµπύκνωση µάζας. Οι τιµές της σκληρότητας που παρατηρούνται στα εξεταζόµενα δείγµατα είναι εντός του εύρους των τιµών σκληρότητας που χρησιµοποιούνται για τα µέρη που παράγονται µε συµβατικές τεχνικές (350HV). 16

17 Οι περιοχές µε υψηλές περιεκτικότητες Ti (περιοχή συσσώρευσης τµηµάτων Ti) καταλήγουν σε διαδικασία χαµηλής µεταφοράς µάζας, κατά τη διάρκεια της συµπύκνωσης χωρίς τήξη, και αυτές οι περιοχές ευθύνονται για την τελική κατάσταση των πόρων. Η τελική ύπαρξη πόρων είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για την καλή κατάσταση των ολοκληρωµένων (συναρµολογηµένων) οστών. 17