Właściwości kompozytowych, warstwowych powłok tlenkowo

II Wyjazdowa Sesja Naukowa Doktorantów
Politechniki Łódzkiej
Kwiecień 16 – 18, 2012; Rogów – Polska
WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTOWYCH, WARSTWOWYCH POWŁOK TLENKOWO HYDROKSYAPATYTOWYCH WYTWARZANYCH METODĄ ZOL - ŻEL NA STOPIE
TYTANU Ti6Al7Nb
Doktorant: Daniel Kucharski
Promotor: Zbigniew Gawroński
* Instytut Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, Polska
e-mail: [email protected]
Streszczenie
Zagadnieniem podejmowanym w rozprawie doktorskiej jest modyfikacja powierzchni
nowoczesnego stopu tytanu Ti6Al7Nb stosowanego w medycynie do wytwarzania implantów. Celem
stosowanej modyfikacji jest wzrost szybkości procesów osteointegracji implantu z kością
z równoczesnym ograniczeniem ilości jonów metali przedostających się ze stopu do organizmu. Wzrost
szybkości osteointegracji można osiągnąć poprzez wytworzenie na powierzchni implantu powłoki
hydroksyapatytu (HAP). Implanty pokryte tego typu powłokami szybko i na trwałe wiążą się z żywą
kością. Problemem stosowania powłok HAp jest ich stosunkowo niska przyczepność do podłoża. W
pracy zakłada się, że problem słabej adhezji powłok HAP może zostać rozwiązany poprzez zastosowanie
międzywarstwy zbudowanej z tlenków (TiO2, Al2O3). Zastosowanie powłoki międzywarstwowej
dodatkowo spełniać będzie rolę bariery dyfuzyjnej chroniącej organizm przed przenikaniem jonów z
metalicznego podłoża.
W ramach realizacji pracy doktorskiej przewidziane jest wytworzenie kompozytowych powłok
tlenkowo – HAP na stopie tytanu, w której warstwa tlenkowa przylega bezpośrednio do metalowego
podłoża, a powłoka hydroksyapatytu stanowi warstwę zewnętrzną, natomiast celem jest wyjaśnienie
zjawisk zachodzących na granicach rozdziału pomiędzy podłożem, międzywarstwą tlenkową i HAP,
wpływających na adhezję badanych powłok kompozytowych.
Hipoteza badawcza projektu zakłada, że możliwe jest osiągnięcie wyżej założonych celów
modyfikacji nowoczesnego stopu tytanu poprzez wykorzystanie technologii zol – żel. Metodą zol-żel
możliwe jest wytworzenie kompozytowej powłoki tlenkowo – hydroksyapatytowej, posiadającej lepsza
adhezję do podłoża niż powłoka hydroksyapatytowa wytworzona tą metodą.
Do osiągnięcia postawionych celów przewidziane zostały następujące grupy badań:
a) Wytwarzanie powłok tlenkowych, hydroksyapatytowych oraz kompozytowych powłok
tlenkowo-hydroksyapatytowych
b) Badania budowy chemicznej, struktury krystalicznej, grubości, adhezji, twardości
i modułu Younga oraz morfologii powierzchni wytworzonych powłok.
c) Analiza wpływu międzywarstwy tlenkowej na adhezję powłok kompozytowych.
Podjęcie takiego tematu wpłynie na rozwój dyscypliny naukowej, jaką jest inżynieria
materiałowa. Badania zależności adhezji powłok od rodzaju międzywarstwy dostarczą danych do
wyjaśnienia zjawisk występujących na granicach rozdziału pomiędzy podłożem, międzywarstwą,
a hydroksyapatytem wpływających na przyczepność powłok do podłoża.
Uzyskane wyniki badań mogą zostać wykorzystane do stworzenia nowoczesnego biomateriału z
kompozytową powłoką charakteryzującego się szybkim zrostem z otaczającą kością w procesach
osteintegracji i wysoką odpornością korozyjną. Tego typu implanty skrócą czas rehabilitacji pacjenta po
implantacji, przyspieszą powrót do codziennej aktywności, poprawią komfort życia i obniżą koszty
leczenia. Metoda zol-żel zastosowana do wytworzenia powłok ma duży potencjał aplikacyjny ze względu
na niskie koszty technologiczne.
II Wyjazdowa Sesja Naukowa Doktorantów
Politechniki Łódzkiej
Kwiecień 16 – 18, 2012; Rogów – Polska
PROPERTIES OF COMPOSITE MULTILAYER OXIDE - HYDROXYAPATITE COATINGS
PRODUCED BY SOL -GEL METHOD ON THE TITANIUM ALLOY Ti6Al7Nb
PhD Student: Daniel Kucharski
Supervisor: Zbigniew Gawroński
*Institute of Materials Science and Engineering, Faculty of Mechanical Engineering,
Technical University of Lodz, Poland
e-mail address: [email protected]
Abstract:
Problem in a PhD thesis undertaken to modify the surface of modern titanium alloy Ti6Al7Nb
used in medicine for the manufacture of implants. The purpose of the modification is to increase rate
osteointegration process of implant with bone and with simultaneous minimization of metal ions entering
with alloy into the body. Growth rate of osteointegration can be achieved by creating on the surface
implant a coating consist of hydroxyapatite (HAP). Implants coated with these coatings quickly and
permanently associated with living bone. The problem of HAP coatings is their relatively low adhesion to
the substrate. PhD thesis assumes that the problem of poor adhesion of HAP coatings can be solved by
applying the interlayer built of titania and almunia. Application of the interlayer coating will also perform
as diffusion barrier to protect of the organism against penetration of ions from the metal substrate.
The aim of this thesis is to produce a composite coatings oxide - HAP on titanium alloy, in which
the oxide layer directly adjacent to the metal substrate and the coating of hydroxyapatite is the outer
layer, and an explanation of the phenomena occurring at interphase boundary, between the substrate, an
interlayer oxide and HAP, influencing on the adhesion strength of composite coatings. The hypothesis of
the research assumes that it is possible to achieve above goals of modification a modern titanium alloy
use by technology of sol - gel.
Sol-gel method is possible to produce multilayer coatings of oxide - hydroxyapatite, having better
adhesion to the substrate than single coating of hydroxyapatite produced by this method.
To achieve the objectives provided the following research groups:
a) Preparation of oxide and HAP single coatings and composite coatings consist of oxide layer and
hydroxyapatite layer.
b) Research of the chemical structure, crystalline structure, thickness, adhesion, hardness and
Young's modulus and surface morphology of produced coatings.
c) Analysis of the effect the oxide interlayer on the adhesion of composite coatings.
Adopting this topic in the research project will affect on the development of a scientific
discipline, which is a materials engineering. Research of the adhesion coatings depending on the type of
interlayer provide data to explain the phenomena occurring at the interphase boundary between the
substrate, an interlayer and hydroxyapatite coatings influencing on the adhesion of substrate.
The results obtained can be used to create a modern composite coating of biomaterial
characterized by fast connection with the surrounding bone in the osteointegration process and high
corrosion resistance. These types of implants ultimately reduce time rehabilitation of patient after
implantation, will speed up the return to daily activities, improve quality of life and reduce treatment
costs. Sol-gel method used to produce coatings has great potential application because because it is
characterized by low-cost technology.