Warstwy powierzchniowe o podwyższonych właściwościach

Andrzej Miklaszewski
Politechnika Poznańska
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Warstwy powierzchniowe o podwyższonych właściwościach
użytkowych przeznaczone na aplikacje biomedyczne otrzymywane
z nanoprekursorów proszkowych metodą stopowania plazmowego
Największy postęp zgodnie z doniesieniami literaturowymi w tematyce biomateriałów
dokonuje się za sprawą nanotechnologii oraz stosowanych i rozwijanych metod inżynierii
powierzchni. W niniejszej pracy przedstawiono innowacyjne podejście otrzymywania
zmodyfikowanych pod kątem właściwości, mikrostruktury i składu fazowego warstw
powierzchniowych, będących wynikiem zastosowania procesu stopowania plazmowego
nanoprekursorów
proszkowych.
Zaproponowany
dodatkowy
proces
obróbki
elektrochemicznej uzyskanych powierzchni, pozwala również na zmiany parametrów
chropowatości powodując wzrost powierzchni właściwej a tym samym zwiększenie
atrakcyjności wytworzonych układów dla aplikacji biomedycznych rozważanych w pracy
przede wszystkim w kontekście implantów tkanki twardej.
Metoda stopowania mikroplazmowego powierzchni polega na przetopieniu warstwy
wierzchniej materiału podłoża z naniesionym filmem prekursora proszkowego o określonym
składzie chemicznym 2 lub 10% dodatek wagowym boru w mieszaninie z tytanem i
określonym charakterze mikro lub nanokrystalicznym. Uzyskana w ten sposób nowa warstwa
powierzchniowa uzyskuje korzystną jednorodną, drobnodyspersyjną mikrostrukturę układu
osnowy Ti oraz wydzieleń TiB wraz z kompleksem oczekiwanych pod kątem aplikacyjnym
właściwości. Użycie prekursorów nanokrystalicznymi pozwala na poprawę właściwości
technologicznych otrzymywanej warstwy poprzez zmniejszenie niekorzystnego zjawiska
porowatości jak również równomierne w porównaniu do mikro prekursorów rozłożenie
wydzieleń fazy TiB w całej objętości uzyskiwanej warstwy powierzchniowej. Użycie
powyższej technologii pozwala na poprawę właściwości materiału poprzez zmianę jego
składu chemicznego i struktury, będąc jednocześnie alternatywą dla drogich i bardziej
skomplikowanych co na to wpływa mniej dostępnych procesów stopowania laserowego czy
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
tez elektronowego. Powyższa technologia jest materiałooszczędna i ekologiczna przy tym
tania i jednocześnie selektywna w zakresie stosowanych parametrów oraz materiałów
wejściowych prekursorów proszkowych. Wytworzeniu warstw powierzchniowych nie
towarzyszy
konsumpcja
toksycznych
dla
środowiska
gazów
technologicznych
co
niewątpliwie przyczynia się do podniesienia poziomu bezpieczeństwa i zmniejszenia
zagrożenia skażeniem środowiska naturalnego. Dużo niższe zapotrzebowanie na energię w
stosunku do procesów konwencjonalnych ze względu na miejscowe przetopienie bez
konieczności podgrzewania detali wpływa na jej ekologiczny charakter. Niskie koszty
oprzyrządowania metody stopowania plazmowego w stosunku do stosowanych metod
laserowych czy elektronowych pozwalających na bardziej precyzyjną kontrole parametrów
nie ustępuje znacząco w uzyskiwanych wynikach prac badawczych.
W pracy doktorskiej zrealizowano badania dotyczące zagadnień związanych z
poprawą właściwości mechanicznych oraz biozgodności warstwy wierzchniej tytanu z
zastosowaniem metod cieplno-chemicznych oraz elektrochemicznych. Przetapiany metodą
stopowania mikroplazmowego prekursor proszkowy składał się z 2 lub 10% udziału
wagowego boru w mieszaninie z tytanem.
Analizie w pracy badawczej poddano wpływ parametrów obróbki metody plazmowego
stopowania takich jak: natężenie, prędkość stopowania, jak również charakter użytego
prekursora na wybrane właściwości uzyskiwanych warstw powierzchniowych. Wpływ
powyższych parametrów na mikrostrukturę obserwowano przy użyciu mikroskopii świetlnej i
elektronowej mikroskopii skaningowej. Skład fazowy analizowanych materiałów wejściowych
prekursorów proszkowych jak również uzyskanych warstw powierzchniowych analizowano
przy użyciu metody rentgenowskiej XRD. Zbadano również wpływ tych parametrów na profile
mikrotwardości. Dla wybranych parametrów przeprowadzono badania odporności na zużycie
przez tarcie pozwalających przybliżyć zachowanie się uzyskanych warstw powierzchniowych
w warunkach eksploatacji. Warstwy powierzchniowe przed oraz po dodatkowej obróbce
elektrochemicznej pozwalającej na rozwiniecie powierzchni, poddano również testom
biozgodności in vitro z hodowlami ludzkich komórek osteoblastów dokonując oceny
biokompatybilności modyfikowanych powierzchni.
Badania w pracy pozwoliły zakreślić obszar parametrów, z którymi obróbka pozwala
uzyskać warstwy powierzchniowe o korzystnych właściwościach użytkowych.
W pracy opracowano podstawy technologii otrzymywania warstw powierzchniowych
typu
Ti+TiB
w
tym
struktur
o
zwiększonej
powierzchni
właściwej
po
trawieniu
elektrochemicznym otwierając nowe możliwości w kierunkach modyfikacji powierzchniowej
tytanu.
Realizowany
rozwój
w
obszarze
nowych
biomateriałów
będący
wynikiem
prowadzonych procesów modyfikacji powierzchniowej czy też zmian składu chemicznego
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
wpływa jak dowiedziono na wzrost biokompatybilności, biotolerancji, odporności korozyjnej i
zgodności biologicznej, co przyczynić się może w bezpośrednim stopniu do poprawy
warunków i komfortu życia. Zaproponowane podejście nie wyklucza również możliwości
wykorzystania opracowanych rozwiązań w innych obszarach aplikacyjnych.
Obraz SEM hodowli komórkowej ludzkich osteoblastów po 24h na powierzchni stopowanej oraz
modyfikowanej elektrochemicznie z widocznymi wykształconymi filopodiami oraz drobnodyspersyjnymi
wydzieleniami fazy umocnieniowej TiB o morfologii podłużnych whiskersów sprzyjających procesom wzrostu i
rozprzestrzeniania.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego