Наноструктурированные стеклокерамические покрытия для ортопедических применений - часть 2

Стеклокерамика, состоящая из аморфной и кристаллической фаз, вызвала большой интерес в

биоматериалов. Одно из их преимуществ перед биогазом заключается в том, что они предоставляют большие возможности для управления их свойствами, включая прочность, сопротивление истиранию и коэффициент теплового расширения [26]. Их скорость деградации или поведение выхода ионов могут быть адаптированы путем контроля степени кристаллизации с использованием пост-термической обработки [26, 27]. Технология плазменного напыления имеет преимущества для производства стеклокерамики. Во-первых, он дает температуры до 12 000 К в области ядра плазменной струи. Во-вторых, скорость охлаждения процесса плазменного напыления превышает 10 6 -10 7 8 ℃ с -1 [3]. В этих термических условиях подающие порошки полностью или частично расплавляются в плазменной струе в зависимости от свойств порошка и параметров обработки. По этой высокой скорости охлаждения расплавленные порошки подвергаются быстрой затвердеванию. Поскольку высокая скорость охлаждения может подавлять зародышеобразование из расплавов и рост кристаллитов, надлежащим образом контролируя условия обработки, можно сохранить как

стеклянных и кристаллических фаз в покрытиях, образуя, таким образом, стеклокерамические покрытия. Кроме того,

стоит отметить, что надлежащая корректировка параметров обработки может нанести покрытия с плазменным напылением наноструктурами [28,29], которые, как было доказано, являются полезными для их биосовместимости [30-33].

В настоящем исследовании стеклокерамические покрытия НТ и СП с наноструктурированной поверхностью были депонированы на

Сплава Ti-6Al-4V с использованием технологии плазменного напыления. Их потенциальное использование в качестве биомедицинских покрытий для ортопедических применений было изучено в этой работе.


2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ


2.1. Синтез порошков и изготовление покрытий


Порошки HT (Ca 2 ZnSi 2 O 7 ) и SP (CaTiSiO 5 ) были синтезированы высокотемпературной твердой реакцией. Вкратце, порошки CaCO 3 , ZnO и SiO 2 реагента были смешаны в молярной пропорции 2: 1: 2 для синтеза порошков керамики HT; Порошки CaCO 3, TiO 2 и SiO 2 смешивали в молярной пропорции 1: 1: 1 для синтеза порошков SP-керамики. После сушки смешанные порошки спекали при 1200 ° C в течение 3 часов (порошок HT) и при 1290 ° C в течение 6 часов (порошок SP). Затем спеченные порошковые порошки были измельчены и просеяны. Порошки с размером частиц менее 75 мкм были сделаны более текучими путем восстановления с помощью 6 мас.% Поливинилового спирта (ПВА) для плазменного напыления. Процесс восстановления порошков можно кратко описать следующим образом: порошки помещали в раствор, и раствор PVA по каплям добавляли в порошки во время мягкого измельчения. После тщательного перемешивания порошки сушили при 80 ° C в течение 12 часов. Восстановленные порошки окончательно просеивали с использованием сит 80 меш. Для плазменного напыления использовали менее 80 меш (менее 177 мкм ).

Система атмосферного плазменного напыления (Sulzer Metco, Швейцария) была применена для нанесения покрытий HT и SP на промышленные диски Ti-6Al-4V ( Baoji Junhang Metal Material Co., Ltd ) диаметром 15 мм и толщиной 1 мм . Перед плазменным напылением диски подвергали ультразвуковой очистке в абсолютном этаноле и пескоструйной обработке песками оксида алюминия. Параметры обработки, оптимизированные по фазовому составу покрытий, описываются следующим образом: аргон (40 slpm) и водород (12 slpm) были использованы в качестве первичного и вспомогательного плазмообразующих газов соответственно. Скорость подачи порошка составляла около 20 г мин-1, используя аргон (3,5 slpm) в качестве переносящего газа. Ток и напряжение плазменной дуги составляли 600 А и 70 В соответственно. Расстояние распыления было зафиксировано на уровне 100 мм. Диаметр питающей трубки составлял 1,8 мм, угол подачи порошка 90 °; скорость факела составляла 10 мм - 1, временной интервал между смежными проходами составлял около 5 с; общее число циклов составляло 20. После распыления образцы покрытия разрезали на половинки и устанавливали в эпоксидную смолу с новой плоскостью резания вниз. Поперечное сечение шлифовали абразивной бумагой SiC и полировали с помощью полирующей пасты Al 2 O 3 0,3 мкм . Поверхность образцов покрытия, используемых для испытаний на микроиндентацию, была также измельчена и полирована.

Морфологию поверхности и поперечное сечение покрытий исследовали с помощью полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (SEM, Zeiss EVO 50). Фазовый состав покрытий анализировали с использованием рентгеновской дифракции (XRD, Siemens D6000, Германия) с излучением Cu Ka1 с шагом шаг 0,02 °. Данные были получены от 15 до 75 ° (2 θ ) со скоростью сканирования 4 ° мин -1 . Шероховатость поверхности (R a ) измерялась поверхностным профилометром (Hommelwerke T8000-C, Германия). Были испытаны три образца для каждого типа покрытий и зафиксированы значения шероховатости пяти разных дорожек на каждом образце. Значения Ra были выражены как среднее + стандартное отклонение (sd) (n = 15).


******продолжение следует******