Download - Prezentare Proiect Valeanuanimatie Finala 98
Universitatea Politehnică Bucureşti
Susţinut de : Adrian-Paul VĂLEANU
INGINERIE MEDICALĂ
Coordonator : Conf. Dr. Ing. Sorin CIUCĂ Iunie 2005
„„STUDII PRIVIND OBŢINEREA UNORSTUDII PRIVIND OBŢINEREA UNORACOPERIRI CERAMICE BIOACTIVE DE ACOPERIRI CERAMICE BIOACTIVE DE
FOSFAŢI DE CALCIUFOSFAŢI DE CALCIUPRIN METODA LASER PULSATĂ”PRIN METODA LASER PULSATĂ”
Universitatea Politehnică Bucureşti Catedra de Ştiinţa Materialelor şi Metalurgie Fizică
Facultatea Ştiinţa şi Ingineria Materialelor Specializarea Inginerie Medicală
Plan de prezentarePlan de prezentare● CONCEPTE TEORETICECONCEPTE TEORETICE PRIVIND DEPUNERILE DE CERAMICI
BIOACTIVE DE FOSFAŢI DE CALCIU PRIN METODA LASER PULSATA
● EXPERIMENTE ŞI INVESTIGATII EXPERIMENTE ŞI INVESTIGAŢII PRIVIND OBŢINEREA DE
ACOPERIRI DE HIDROXIAPATITĂ PRIN METODA LASER PULSATĂ
● CONCLUZII
CONCEPTE TEORETICETabelul 9. Compoziţia chimică a tipurilor de titan pur (ASTM)
ElementeElemente GradGrad 1 1 GradGrad 2 2 GradGrad 3 3 GradGrad 4 4
Azot %Azot % 0.03 0.03 0.030.03 0.050.05 0.050.05
Carbon %Carbon % 0.10.1 0.10.1 0.100.10 0.150.15
Hidrogen %Hidrogen % 0.01250.0125 0.01250.0125 0.01250.0125 0.01250.0125
Oxigen %Oxigen % 0.180.18 0.250.25 0.350.35 0.450.45
Fier %Fier % 0.150.15 0.200.20 0.250.25 0.300.30
Titan %Titan % În restÎn rest În restÎn rest În restÎn rest În restÎn rest
Ceramica bioactivăCeramica bioactivă HIDROXIAPATITĂHIDROXIAPATITĂ
●● CaCa1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22
Fig. 24. Structura hexagonală a hidroxiapatitei proiectată în planul de bază (001)
●● Raportul CaRaportul Ca//P P =1,67;=1,67;
●● Ceramică cu proprietăţi Ceramică cu proprietăţi remarcabile de remarcabile de biocompatibilitatebiocompatibilitate;;
●● HA estHA estee constitu constitueentntulul principal principal alal os osului în proporţie de ului în proporţie de 50% 50% îîn n masmasăă şişi 70% 70% îîn volum.n volum.
HIDROXIAPATITA
StructurStructura unui implant a unui implant acoperit cu hidroxiapatităacoperit cu hidroxiapatită
Rolul stratului de hidroxiapatită:
• împiedică difuzia ionilor metalici în organism;
• asigură biocompatibilitatea;
• accelerează osteointegrarea.
PROPRIETĂŢILE FIZICE ALE HIDROXIAPATITEI ŞI TITANULUI
PARAMETRU(unităţi)
HA Ti
Densitate (g cm-3) 3,15 4,51
Modulul lui Young (Gpa) 90 115
Duritate Knoop (Mpa) 3450 4000
Rezistenţa le rupere (Mpa-2) 120 340
Dilatare termică (x 10-6K) 11 10
Punct de topire (C) 1660 1668
Căldura specifică (cal g-1K-1) 0,15 0,13
Conductivitate termică (W cm-1K-1) 0,01 0,2
Coeficient de absorbţie (694 nm)(cm-1) 910 -
Reflectivitate (694nm)(%) 70 -
Tabel 6. Proprietăţi fizice ale HA şi Ti
DDepunerea stratului de HA prin PLD epunerea stratului de HA prin PLD (d(deeppunereunere laser puls laser pulsatăată))
Figura 39. instalaţia experimentală
EXPERIMENTE ŞI INVESTIGAŢII
EXPERIMENTE ŞI EXPERIMENTE ŞI INVESTIGAŢIIINVESTIGAŢII
Nr. regim
Codificare probă
Substrat
Presiune
Dist. ţintă-
colector
Temp. Energia radiaţiei laser
Suprafaţa spotului
Număr de
pulsuri
Tratament termic
1 HA 13 Ti-grad 4
4·10-1 mbarr
5 cm ambiantă
70 mJ 2,82 mm2 20.000 Fără tratament termic
2 HA 14 Ti-grad 4
4·10-1 mbarr
5 cm 4000C 65 mJ 3,36 mm2 20.000 Fără tratament termic
3 HA 11 Ti-grad 4
1,4·10-1 mbarr
5 cm 2500C 70 mJ 4,2 mm2 20.000 Tratament termic în
atmosferă îmbogăţită cu vapori de H2O:
T=2500C/6h4 HA 12 Ti-grad
41,4·10-1 mbarr
5 cm 4000C 80 mJ 4,5 mm2 20.000 Tratament termic în
atmosferă îmbogăţită cu vapori de H2O: T=40000C/6h
Tabel 10. Regimurile de lucru experimentate
METODE DE INVESTIGARE:
● structurală:▪ microscopie electronică SEM
▪ difracţie de raze X cu incidenţă razantă
● compoziţională – analiză EDS (EDAX)
ANALIZĂANALIZĂ STRUCTURAL STRUCTURALĂĂ PRIN PRINMICROSCOPIE ELECTRONICMICROSCOPIE ELECTRONICĂĂ CU BALEIAJ CU BALEIAJ ((SEMSEM))
Figura 40.a Microscopie electronică cu baleiaj a probei HA 13 (depunere la temperatura ambiantă)-mărire 3000x
Figura 41.a Microscopie electronică cu baleiaj a probei HA 14 (depunere la T=400oC)-mărire 3000x
Figura 42. Microscopie electronică cu baleiaj a probei HA 11 (depunere la T=250oC,
urmată de tratament termic la 250oC)-mărire 3000x Figura 43.a Microscopie electronică cu baleiaj
a probei HA 12 (depunere la T=400oC, urmată de tratament termic la 400oC)- mărire 3000x
ANALIZĂ STRUCTURALĂ PRIN DIFRACŢIE DE RAZE X
Figura 44-Difractograma de difracţie a ţintei de hidroxiapatită
Figura 45 Difractograma cu incidenţă razantă (α=1o) a probei HA13 (depunere PLD la temperatură ambiantă, fără TT)
Figura 46 Difractograma cu incidenţă razantă (α=1o) a probei HA14 (depunere PLD la T=400oC, fără TT)
ANALIZĂ STRUCTURALĂ PRIN DIFRACŢIE DE RAZE X
Figura 44-Difractograma de difracţie a ţintei de hidroxiapatită
Figura 47 Difractograma cu incidenţă razantă (α=1o) a probei HA11 (depunere PLD la T=250oC urmată de TT în vapori de apă la T= 250oC)
Figura 48 Difractograma cu incidenţă razantă (α=1o) a probei HA12 (depunere PLD la T=400oC
urmată de TT în vapori de apă la T= 400oC)
ANALIZA COMPOZIŢIONALĂ PRIN METODA EDS (EDAX)
A. Analiza chimică punctuală< 1,67 bioresorbabilitate
= 1,67 valoare teoretică
≥ 1,67 bioactivitate
Ca/P
Regim de depunereCa/P
zona 1 zona 2 zona 3 valoarea medie
HA 13 Depunerela T ambiantă
1.52 1.58 1.54 1.54
HA 14 depunere laT=400oC 1.52 1.52 1.61 1.55HA 11 depunere la T=250oC,urmată
de TT(250oC/6h/vapori de apă)1.62 1.60 1.66 1.62
HA 12 depunere la T=400oC,urmată de TT(400oC/6h/vapori de apă)
1.72 1.79 1.67 1.72
Tabelul 11 Valori ale raportului Ca/P pentru probele analizate
Codificareaprobei
IMAGINI DE COMPOZIŢIE; IMAGINI DE RAZE X PRODUSE DE RADIAŢIA
CARACTERISTICĂ A ELEMENTELOR CONSTITUTIVE
Figura 49 Imaginea de compoziţie a probei HA 13 (depunere la temperatură ambiantă)
Imagine de RX produsă de radiaţia caracteristică:a. Ca-Kα (distribuţie Ca); b. P- Kα (distribuţie P); c. O- Kα (distribuţie O)
a. b. c.
IMAGINI DE COMPOZIŢIE; IMAGINI DE RAZE X PRODUSE DE RADIAŢIA
CARACTERISTICĂ A ELEMENTELOR CONSTITUTIVE
Figura 50 Imaginea de compoziţie a probei HA 12(depunere la T=400oC, urmată de TT:400oC/6h/vapori de apă)
Imagine de RX produsă de radiaţia caracteristică:a. Ca-Kα (distribuţie Ca); b. P- Kα (distribuţie P); c. O- Kα (distribuţie O)
a. b. c.
DISTRIBUŢIA O ÎN CELE DOUĂ PROBE
Distribuţia O în proba HA 13 (depusă la T ambiantă)
Distribuţia O în proba HA 12 (depusă la T=400oC, urmată de TT la T=400oC,
timp de menţinere 6 H, în vapori de apă)
REZULTATELE CERCETĂRII; CONCLUZII● Tehnica PLD de obţinere a filmelor subţiri de hidroxiapatită conferă suprafeţei o morfologie tipică cu aspect „picătură”( „droplets” în terminologia engleză). Studiile medicale de specialitate consideră că o astfel de topografie a suprafeţei nu poate fi decât benefică. Protuberanţele sunt asemănătoare cu imperfecţiunile osului natural, contribuind la o mai bună bioacceptanţă a implanturilor.● Studiile de difracţie cu raze X evidenţiază o structură diferită cristalin, dar şi fazic, în strânsă dependenţă de condiţiile depunerii. Observaţiile, mai cu seamă cele legate de natura fazică a stratului depus se completează armonios cu rezultatele obţinute prin microscopie electronică analitică. ● Apropierea cât mai adecvată de hidroxiapatita pură, ca şi cristalinitatea necesară sunt asigurate prin efectuarea depunerii PLD la 400oC urmată de un tratament termic la aceeaşi temperatură (400oC), 6 ore, în vapori de apă. Tratamentul termic post-depunere are dublu scop-corecţia cantităţii de oxigen şi recristalizarea în proporţii maxime a hidroxiapatitei. Parametrul termic trebuie selectat cu atenţie, o temperatură sub 250oC nu asigură eficienţa maximă, în timp ce peste 600oC hidroxiapatia devine instabilă. Temperatura de 400oC s-a considerat optimă în atingerea scopurilor propuse.● CONCLUZIE GENERALĂ; PERSPECTIVE DE CONTINUARE A CERCETĂRILOR. Regimul aplicat probei HA 12 se consideră cel mai eficient. Testele specifice ce vor urma (aderenţă prin nanoindentaţie, rezistenţă la coroziune, teste pe culturi de celule) vor confirma corectitudinea parametrilor de depunere propuşi.