
منیزیم و آلیاژهایش قابلیت استفاده برای ایمپلنتهای ارتوپدی زیستتجزیهپذیر را دارند. اما نرخ خوردگی در شرایط فیزیولوژیکی برای بسیاری از کاربردها بالاست. به همین دلیل اصلاح سطح برای کاهش نرخ خوردگی بسیار مورد توجه است. چنین اصلاحاتی باید از لحاظ بیولوژیکی سازگار و همچنین در محیطهای خورنده نیز محافظ باشند. این مقاله مروری خلاصه از تحقیقات اخیر در زمینه پوششهای غیرآلی وروشهای اصلاح سطحی برای تولید پوششهای بایو مواد پایه منیزیمی است.
منیزیم و آلیاژهای منیزیم پتانسیل تولید ایمپلنتهای ارتوپدی بهتری را دارند [1.] آلیاژهای منیزیم میتوانند استحکام و تافنس مورد نیاز برای ایمپلنتهای تحت بار ارائه دهند در حالی که این خواص در سرامیکها و پلیمرها ضعیفتر هستند. فلزات دیگری که در حال حاضر برای ایمپلنتها استفاده شدهاند مانند فولاد زنگنزن و آلیاژهای تیتانیم، مدول الاستیک خیلی بیشتری از استخوان طبیعی دارند، که منجر به پدیده تنش سپری ناخواسته میشوند .مدولهای الاستیک منیزیم و بسیاری از آلیاژهای منیزیم بسیار نزدیک به استخوان است [2.] همچنین عمل جراحی دوم برای خارج کردن ایمپلنتهایی که در حال حاضر استفاده میشود، لازم است. منیزیم مادهای برای ایمپلنتهای زیستتجزیهپذیر است که در بدن تجزیه میشود ونیازی به عمل جراحی دوم برای خارج کردن آن نیست. منیزیم به وفور در بدن یافت میشود و محصولات حاصل از تجزیه آن سمی نیستند [3.] به علاوه، منیزیم به شدت رشد استخوان جدید را تهییج میکند [1.]به دلیل ویژگیهای مطلوب گفته شده به نظر میرسد که برا ی استفاده در این کاربردها مناسب باشد. با این حال برخی چالشها وجود دارد که باید برطرف شود. به طور کلی منیزیم و آلیاژهایش مقاومت به خوردگی پایینی دارند که این ویژگی برای ایمپلنتهای فلزی در محیط خورنده در سیستم فیزیولوژی مهم است [4.] محصولات سمی حاصل از تجزیه و تخریب و کاهش خواص مکانیکی نگرانی اصلی است. مقاومت به خوردگی کم منیزیم منجر به کاهش سریع خواص مکانیکی آن و همچنین منجر به تصاعد سریع گاز هیدروژن در داخل بدن میشود. به این دلایل، فلز منیزیم تغییر داده نشده خالص یک ماده ایـدهآل بـرای ایمپلنـت نیسـت. بـه عـلاوه بهینـه سازی پاسخهای بیولوژیکی برای این ایمپلنتها برای رسیدن به حداکثر بازیابی مطلوب است. پاسخهای بیولوژیکی سطح ایمپلنت برای زیستسازگاری ایمپلنت با بافتهای اطراف مهم است [5.] از آنجایی که خوردگی و زیستسازگاری در نهایت پدیدههای سطحی هستند، اصلاح سطح توسط عملیـاتهـای مختلـف یـا سیستـمهـای پـوشـشدهـی راهـی بـرای بهینـه کردن خواص ایمپلنت است. یک پوشش خوب یا عملیات سطحی خوردگی ایمپلنت را کنترل میکند و همچنین یکپارچگی مکانیکی برای مدت زمانی را که ایمپلنت مورد نیاز است حفظ خواهد کرد. برای موثر بودن آن در انواع ایمپلنتها، ایده آل آنست که برای سطوح پیچیده پوشش به طور کامل سطح را بپوشاند تا اطمینان حاصل شود که خوردگی به سرعت رخ ندهد. همچنین، پوشش باید چسبندگی خوبی به فلز زمینه داشته باشد و مقاومت به سایش قابل قبولی برای حفاظت ایمپلنت در حین کاشت و بارهای سیکلی اعمالی لازم است. ایمپلنت نباید سمی باشد و باید بتواند بعد از مدت زمان موردنظر به طور کامل تجزیه شود. به علاوه پاسخ سلولی خوب و اتصال مناسب مطلوب است که به ایمپلنت اجازه میدهد به طور کامل با سیستم بیولوژیکی یکپارچه شود. یک پوشش مناسب که مطابق با این معیارها باشد این امکان را میدهد که ایمپلنتهای منیزیم زیست تجزیهپذیر جایگزینی مناسب برای ایمپلنتهای ارتوپدی فلزی حال حاضر باشد. این بحث به دنبال چند روش برای غلبه بر مشکلات ایمپلنتهای منیزیم است.
خوردگی منیزیم
به منظور تعیین بهترین روش برای کنترل خوردگی منیزیم، دانستن مکانیزم خوردگی منیـزیـم به خصوص در محیطهای فیزیولوژیکی، مهم است. به طور کلی فلز منیزیم خورده شده در محیطهای آبی به شکل هیدروکسید منیزیم و گاز هیدروژن است [6.] واکنش کلی خوردگی فلز منیزیم به صورت زیر است:
2+ H 2O Mg)OH(2H2 Mg +
محصولات خوردگی در حالت کلی به شکل هیدورکسید منیزیم 2Mg)OH( و اکسید منیـزیـم MgOهستنـد[6] کـه باعث تشکیل یک لایه پسیو بر روی فلز میشوند و نرخ خوردگی را کاهش میدهند. این لایه پسیو نقش حفاظت را بر عهده دارد مگر اینکه سوراخ شود و در معرض محلول قرار گیرد زمانی که این اتفاق بیفتد، نرخ خوردگی به صورت موضعی افزایش مییابد. اگر چه محصولات حاصل از خوردگی مجدداً سطح را پسیو میکنند و سرعت خوردگی را کاهش میدهند [7.]
زمانی که منیزیم در تماس با فلز دیگر قرار داده میشود، خوردگی گالوانیکی اتفاق خـواهـد افتـاد. کـه ایـن مـیتـوانـد هـم بـه علـت فلـزات خـارجـی و هـم فـازهـای دوم یا ناخالصیهای داخلی باشد. فلزاتی که فرا ولتاژ هیدروژن پایینتری دارند میتوانند باعث ایجاد خوردگی گالوانیک شدیدی شوند مانند نیکل، آهن و مس. فلزاتی با فرا ولتاژ هیدروژن کمتر مانند آلومینیم، روی، کادمیم و قلع چندان بد نیستند [6.]
محیطهای فیزیولوژیکی عمدتاً محیطهای خورنده برای فلزات هستند. تستهای خوردگی در محلول شبیهسازی شده بدن انجام میشود. این محلول که شامل بسیاری از یونهای دیده شده در بدن است، نحوه عملکرد فلز در محیط واقعی را نشان خواهد داد. در محلـول شبیـه سـازی شدهی بدن، خوردگی سریع منیزیم میتواند عمدتاً به حضور یونهای کلر نسبت داده شود. یون کلر به سطح هیدروکسید منیزیم جذب و کلرید منیزیم تشکیل میشود. این ترکیب کاملاً محلول است و بنابراین نرخ خوردگی را بوسیله تخریب لایه پسیو هیدروکسید منیزیم افزایش میدهد [8.] تاثیر یون کلر زمانی که خوردگی نمونه در محلولی مشابه با مقدار یون کلر خیلی کم، مقایسه شود میتواند دیده شود. حفرهدار شدن و ترکهای سطحی مکانیسم اصلی خوردگی در محلول شبیه سازی شده بدن است که به علت یون کلر است [9و10.] آلیاژسازی منیزیم با عناصر مناسب برای غلبه بر مشکلات خوردگی و زیستسازگاری توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است و برای کامل شدن ایمپلنتهای منیزیمی بسیار مهم خواهد بود [2.11.12.] عناصر آلیاژی لایهی پسیوی تولید میکنند که پایداری بیشتری نسبت به هیدروکسید منیزیم دارند و میتوانند سرعت خوردگی را کاهش دهند، اما اغلب آلیاژها با فازهای مختلف خوردگی میکروگالوانیکی از خود نشان میدهند [6.]
زیستسازگارپذیری
افــزایــش زیـسـتسـازگـارپـذیـری ایمپلنـت بسیـار مهـم اسـت. بـرای اینکـه ایمپلنـت ماکسیمم تاثیر و سرعت بازیابی بالایی داشته باشد شیوهای که در آن سلولها و بافتها با ایمپلنت واکنش دهند حیاتی است [13.] سمی بودن برای اهداف ایمپلنتهای زیست تخریبپذیر بسیار مهم است. اگر ایمپلنت در بدن تخریب شود، باید عناصر و ترکیبات سمی از ایمپلنت حذف شوند. این شرایط بسیاری از روشهای معمول استفاده شده برای مقاومت به خوردگی منیزیم در کاربردهای دیگر را حذف میکند. برای مثال، فلزات سنگین و پوششهای تبدیلی کروماته استفاده شده برای مقاومت به خوردگی منیزیم، نباید استفاده شود [14.] علاوه بر سمی بودن پاسخ سلولی هنگامی که ایمپلنت در جای خود گذاشته میشود از اهمیت زیادی برخوردار است.
زیستسازگاری ایمپلنتهای تیتانیمی بررسی شده است. ایمپلنتهای منیزیمی اگر بخواهند موثر باشند باید زیستسازگاری خوبی از خود نشان دهند.
پوششها
روش ساده اما موثر برای کاهش خوردگی، اعمال پوشش بر روی فلز است که باعث ایـجـاد مـانـع بین فلز و محیط میشود. پوششهای مقاوم به خوردگی معمولاً برای بسیاری از کاربردها بر روی فلزات استفاده میشوند. در این مورد، پوشش باید یونهای خورنده در سیستم فیزیولوژی ( به خصوص یون کلر) را از منیزیم در طول دوره ترمیم استخوان دور نگه دارد. این پوشش میتواند به همراه قطعه منیزیمی به عنوان ایمپلنت استفاده شود و به همراه قطعه فلزی در بدن تجزیه شود.
آندایزینگ
روش معمول برای تشکیل لایه محافظ مقاوم به خوردگی بر روی فلزات آندایزینگ است. آندایزینگ از جریان الکتریکی برای تشکیل لایه پسیو ضخیم و چگال که حفاظت بیشتری نسبت به لایه طبیعی که بر روی فلز تشکیل میشود دارد. لایههای اکسیدی منیزیم میتوانند به وسیله آندایزینگ منیزیم تشکیل شوند و باعث کاهش نرخ خوردگی در محلول شبیه سازی شده بدن مانند محلول هانکس میشوند [15و16.] علاوه بر این کیفیت پوشش مانند چگالی میتواند به وسیله کنترل ولـتــاژ در طــول آنــدایــزیـنــگ بـهـیـنــه شــود [17.] مقاومت به خوردگی لایه اکسیدی میتواند با انجام آندایزینگ در محلول سیلیکاتی، که باعث تولید 4SiO2Mg و اکسید منیزیم بر روی سطح مـیشـود، افـزایـش یـابـد [18.] اگـر چه لایههای اکسید منیزیم در محیطهای آبی به هیدروکسید منیزیم در محیطهای آبی تبدیل خواهند شد و هیدروکسید منیزیم در محلول حاوی کلر مانند سیال بدن، حل میشود [19.] اکسو نشان داد که آنـــدایـــزیـنـــگ بـــه مـقـــدار زیـــادی مـقـــاومـــت بــه پلاریزاسیون را در محلول کلرید سدیم افزایش میدهد، اما بعد از دو ساعت مقاومت با فاکتور دو کـاهش یافته است [18.] زیرا این فیلمها در مـحـلــولهــای فـیــزیــولــوژیـکــی پــایـدار نیستنـد، آنـدایـزیـنـگ بـه تـنهایی برای تولید پوششهای مـحـافـظ مـورد نـیـاز بـرای کـاربـردهـای پـزشکی غیرممکن است. آندایزینگ میتواند به عنوان یــــک پــیــــش عــمــلــیــــات بـــرای ســیــســتـــمهـــای پـوششدهی دیگری استفاده شود. برای مثال، لایـههـای آنـدایـز شـده مـیتـواننـد بـرای کنتـرل مـقـدار و نرخ ترکیبات فسفات کلسیم رسوب داده شده بر روی سطح در محلول شبیهسازی شده بدن استفاده شود [20.]
پوششهای فلزی
پوششهای فلزی برای جلوگیری از تخریب (تـجـزیـه) مـنـیـزیـم اسـتفاده میشوند. نشان داده اسـت کـه پـوشـش منیزیم خالص بر روی آلیاژ مـنـیــزیــم مـسـتـعــد بــه خـوردگـی بـاعـث کـاهـش خـوردگـی مـیشوند. اگر عناصر آلیاژی باعث افـزایـش پتـانسیـل خـوردگـی شـونـد، پـوشـش با خلـوص بـالای منیـزیـم خـالـص بـر روی سطح خـوردگی را کم خواهد کرد [21.] پوششهای رسـوبنشـانـی فیزیکی از فاز بخار آلومینیم به طور موفقیت آمیزی بر روی آلیاژ منیزیم 31AZ اعمـال شـدهاند [22.] پوشش در محلول کلرید ســدیـم خـورده نشـد، اگـرچـه آلـومینیـم بهتـریـن انـتـخـاب بـرای زیستسازگارپذیری نیست. با ایـن حـال، یـک پـوشش فلزی برای مقاومت به خـوردگـی یـک گـزینه قابل دوام برای حفاظت اسـت. زیـرکـنـیـم [23[ و روی[24[ انـتخابهای منـاسبـی در ایـن رابطـه هستند. متاسفانه پوششهای فلزی بر روی منیزیم زمانی که هـرگـونـه عیبی بر پوشش ایجاد شود باعث ایجاد خوردگی گالوانیک میشوند. اگر پوشش فلزی نجیبتر از زمینه باشد ترجیحاً خورده خواهد شد [9.] یک جای خالی در پوشش منجر به خوردگی گالوانیکی شدید زمینه میشود و خواص مکانیکی به دنبال آن کاهش خواهند یافت. از آنجایی که منیزیم پتانسیل خوردگی کمتری از همه فلزات مهندسی دیگر دارد کاربرد پوششهای فلزی محدود شده است.
فسفاتهای کلسیم
یکـی از زیسـتسـازگـارتـریـن پـوشـشهـا بـرای کـاربردهای ارتوپدی پوششهای فسفات کلسیم است. پوششهای آپاتایتی به طور گسترده برای استفاده در کاربردهای پزشکی مورد بررسی قرار گرفتهاند [25و26.] چندین نوع بیولوژیکی مهم هیدروکسی آپاتایت، استاکلسیم فسفات، تری کلسیم فسفات، دی کلسیم فسفات دی هیدراته و فسفاتهای کلسیم آمورف هستند که اغلب شامل یون ثانویه دیگری هستند. ترکیب معدنی استخوان خودش یک آپاتایت است، اما همچنین حاوی یونهای دیگری مانند کربنات و گروههای فسفاتی است. قسمت معدنی استخوان از یک زمینه کلاژن ساخته شده است. شباهت برخی از این آپاتایتها به مواد معدنی استخوان، مانند هیدروکسی آپاتایت استوکیومتری، به آنها زیستسازگاری خوبی میدهد. پوششهای فسفات کلسیم برای افزایش اتصال ایمپلنت به استخوان استفاده شدهاند [27و28.] ایمپلنتهای تیتانیمی پوشش داده شده با هیدروکسی آپاتایت باعث افزایش تکثیر سلولها و تشکیل استخـوان مـیشـونـد [29.] زیـرا تـرکیبـات فسفـات کلسیـم مـیتـواننـد نسبتاً در شرایط فیـزیولوژیکی غیرمحلول باشند و زیستسازگاری بالایی دارند. آنها یک انتخاب کـامل برای یک پوشش محافظ برای ایمپلنتهای منیزیمی هستند. برای ایجاد یک حفاظت به خوردگی مناسب پوشش باید کامل باشد و به زمینه بچسبد. کیفیت پوشش تولید شده به فرآیند و پارامترهای فرآیند استفاده شده برای تشکیل پوشش بستگی دارد.
پاشش پلاسمایی
یکی از رایجترین روشهای تجاری برای چسباندن پوششهای فسفات کلسیم به ایمپلنتهای فلزی روش پاشش پلاسما است. این روش مستلزم استفاده از جت گاز خنثی است. ماده پیشران که برای پوششدهی استفاده میشود در داخل جت قرار میگیرد و بوسیله بعضی روشها مانند قوس جریان مستقیم پلاسمایی میشود. پاشش پلاسمایی بر روی زمینه رسوب داده میشود در حالی که پوشش تشکیل میشود. فرآیند کنترل دقیق ضخامت و ترکیب پوشش با استفاده از کنترل تغذیه یا شارژ پودر امـکــانپــذیــر اســت [30.] هـیـدروکسـی آپـاتـایـت پـلاسمـا اسپـری شـده بـرای پـوشـش ایمپلنتها استفاده شدهاند و زیستسازگاری ایمپلنت را افزایش دادهاند [31و32.] با این حال، دمای بالا برای این فرآیند مورد نیاز است و بنابراین باید از حضور فازهای ناخواسته و همچنین تجزیه پوشش و یا زمینه اجتناب شود [30.] برای منیزیم و آلیاژهای زیستسازگار، دمای رسیده شده بوسیله پاشش پلاسمایی به اندازه کافی بزرگ است که بتواند باعث تغییر یا ذوب زمینه شود، بنابراین استفاده از این فناوری برای منیزیم مشکل است. پاشش پلاسمایی بوسیله ساختار هندسی قطعه محدود میشود و ایجاد پوشش یکنواخت بر روی اشکال پیچیده و ساختارهای متخلخل بسیار مشکل است. تلاش شده است که برای غلبه به مشکلات مربوط به پاشش حرارتی مانند یکپارچگی و چسبندگی ضعیف، بلوری بودن پایین و شکست مکانیکی پوشش، از روشهای دیگری برای اعمال پوششهای فسفات کلسیم روی زمینه فلزی استفاده شود [33.] بعضی از این روشها ممکن است برای آلیاژهای پایه منیزیمی مناسبتتر باشند.
رسوبنشانی شیمیایی از فاز بخار
پــوشـشهـا مـیتـواننـد بـوسیلـه واکنـشهـای شیمیایی گازی مواد شیمیایی در نزدیک سطح زمـیـنـه حـرارت داده شـده تـولـیـد شـونـد که این فـرآیـند به عنوان رسوبنشانی شیمیایی از فاز بخار شناخته شده است. با این روش میتوان پـوشـشهـای کـامـپوزیتی و چندلایه و بر روی اشـکــال پـیـچـیــده تــولـیــد کـرد [34.] بـرای مـثـال رسـوبنشـانـی شیمیـایـی از فـاز بخـار به عنوان جـــایـگــزیــن پــاشــش پــلاسـمــایــی بــرای تــولـیــد پوششهای هیدروکسی آپاتایت پایدار، بلوری و زیسـتفعـال بـر روی فـولاد زنـگنـزن L316 اسـتـفــاده شـده اسـت [35.] بـیـشـتـر فـرآیـنـدهـای رسوبنشانی شیمیایی از فاز بخار در دمای بالا انجام میشوند و بنابراین ماده زمینه باید در دمای بالای 600 درجه سانتیگراد پایدار باشد. با این حـال کـاهـش دمـای فرآیند تا دمای حدود 180 درجه سانتیگراد در حال بررسی است [14.]
رسوبنشانی لیزری پالسی
رسوبنشانی لیزری پالسی از لیزر برای بخار کردن هدف و چگالش بخار بر روی سطح زمینه استفاده میکند. در این روش کنترل بیشتری بر روی میـزان بلـوری شـدن، تـرکیـب و ضخامت پــوشــش مــیتـوان داشـت [26.] رسـوبنشـانـی لـیـزری پـالـسـی بـر روی فـلـزات ایـمـپـلـنـتهای زیـادی بـه خـصـوص تـیتانیم مطالعه شده است [33و 36-38] ، با این وجود گزارش چندانی در خـصوص حفاظتشان در محلولهای خورنده بر روی منیزیم موجود نیست.
رسوب به کمک پرتو یونی
رســـوب
بـــه کــمـــک پــرتــو یــونــی مــیتــوانــد پـوشـشهایی با چسبندگی
خوب تولید کند و اجـازه کـنـتـرل دقـیـق شیمی پوششرا که شامل نسبت کلسیم به
فسفر است میدهد. یانگ و همکارانش از این فرآیند برای پوششدهی آلیاژ
31AZ استفاده کردند [39.] پوششهای فسفات کـــلـــســـیـــــم
تـــــولـــیـــــد شــــده بــــرای تــبــــدیــــل بــــه
هـیـدروکـسـیآپـاتـایـت حـرارت داده مـیشوند. تابکاری باعث بهبود خواص
مکانیکی پوشش مـیشـود. بـرای تـعـیـیـن ویژگیهای خوردگی، پـوشـشهـا در
مـحـلـول 3 درصـد وزنـی کـلـریـد سـدیـم آزمایش شدند. نمونههای پوشش داده
شده محافظت بیشتری از خود نشان دادند، اگر چه حفره دار شدن در طول ترکهای
پوشش اتفاق افتاد.
پوششهای ایجاد شده در محلول
روشهای شیمی محلول
برای پوششدهی فلزات با فسفات کلسیم چندین مزیت دارد. تجهیزات ساده و
ارزان، توانایی پوششدادن مواد متخلخل و پیچیده و توانایی استفاده از دمای
پایین امکان سنتز شیمی محلول فسفاتهای کلسیم را بر روی زمینه منیزیمی
میدهد. اکسداسیون منیزیم باعث میشود که اسیدیته به طور موضعی بالا رود که
باعث تشویق رسوب فسفات کلسیم در محلول حاوی یونهای فسفات و کلسیم میشود
[40.] با این حال این روش مشکلاتی نیز دارد، چون منیزیم واکنشپذیری بالایی
در محیطهای آبی دارد در طول فرآیند پوششدهی تمایل به خورده شدن دارد.
علاوه بر این ترکیبات فسفات کلسیم به وسیله یون منیزیم در شبکه بلوری
جایگزین میشود و باعث افزایش عیوب [41]و کاهش پایداری ترکیبات تولید
شده[42] میشود. هیروموتو و یاماموتو تشکیل پوشش هیدروکسی آپاتایت بر روی
منیزیم و آلیاژهایش را تنها با یک مرحله پوشش در محلول گزارش دادند [43.]
در این روش غلظت یونی و اسیدیته بر روی پوشش رسوب داده شده تاثیر
میگذارد. آنها کاهش چگالی جریان خوردگی ( به میزان 310 تا 410 برابر)
در محلول 5/3 درصد وزنی کلرید سدیم نسبت به منیزیم پوشش داده نـشــده بــا
اسـتـفــاده از تکنیـک پـلاریـزاسیـون پتـانسیـودینـامیـک را گـزارش
دادنـد. هـو و همکارانش تولید پوشش دی کلسیم فسفات دیهیدراته بر روی آلیاژ
91AZ بوسیله تیتراسیون 4HPO2K به 2(3Ca)NO در محلول را گزارش دادهاند
[44.] پوشش دی کلسیم فسفات دیهیدراته در محلول شبیهسازی شده بدن به
هیدروکسی آپاتایت تبدیل شده است و مقاومت به خوردگی پوشش از 331 اهم
(منیزیم پوشش داده نشده) به 4210 اهم افزایش یافته است. با کمک تست
پلاریزاسیون پتانسیودینامیک مشاهده شد که چگالی جریان خوردگی از 70 به 6/2
میکرو آمپر بر سانتیمتر مربع افت پیدا کرد. تاموزاوا نیز تشکیل هیدروکسی
آپاتایت بر روی منیزیم خالص با استفاده از تکنیک شیمی محلول را گزارش داد
[45.] یافتهها نشان میدهد که افزایش دما به 333 کلوین و بالاتر باعث
تشکیل هـیـدروکـسـی آپـاتـایـت و اکـسـیـد مـنیزیم میشود. با این وجود
افزایش غلظت کلسیم میتواند بدون اینکه تاثیری بر روی اکسید منیزیمی داشته
باشد، تشکیل هیدروکسی آپاتایت را افزایش دهد که ممکن است برای زمینه به علت
حلالیت بالای آن نامطلوب بـاشـد. زو و هـمـکارانش پوششهای فسفات کلسیم
آماده شده به وسیله روشهای محلولی بر روی آلیاژهای منیزیم، منگنز و روی را
گزارش دادند [46.] خواص سطحی نمونه پوشش داده شده باعث رشد سلولی و
استخوانسازی بهتری نسبت به نمونههای پوشش داده نشده است.
زیـرا در
پـوششهای محلولی، استفاده از هرگونه عناصر سمی اجتناب میشود و
زیـسـتسـازگـاری خـوبـی دارد . بـا ایـن حـال بـافـت باقیمانده تولید
پوششی متراکم با چـسـبـنـدگـی کافی و عاری از ترک و محافظت کامل در محلول
در طول دوره زمانی موردنیاز میکند.
رسوبدهی الکتریکی
تشکیل
پوششهای فسفات کلسیم میتواند بوسیله اعمال پتانسیل و جریانهای خارجی
انجام شود. این فرآیندها در مجموع رسوبدهی الکتریکی نام دارند. تجهیزات
این روشها ساده و ارزان است و فرآیند میتواند در دمای پایین انجام شود.
پارامترهای فرآیند میتوانند به آسانی برای بهینه کردن پوشش تولید شده
کنترل شوند.
رسوبنشانی الکتروشیمیایی
رسوبنشانی الکتروشیمیایی از
احیای آب در محلول آبی برای رسوب فسفاتهای کلسیم بر روی سطح زمینه فلزی
استفاده میکند. احیای آب تولید گاز هیدروژن میکند و گـروههـای
هیـدروکسیـدی روی کاتد تولید میشوند.
این باعث افزایش موضعی اسیدیته
در سطح زمینـه مـیشـود. افـزایش اسیدیته باعث کاهش حل شدن فسفاتهای کلسیم
در محلول و منجر بـــــه رســـــوب در ســطـــــح مـــــیشــــود.
فــــرآیــنــــد رســوبنشـانـی الکتـروشیمیـایـی بـرای فسفـات کـلـسـیـم
مـیتـوانـد بـا اسـتـفـاده از چندین روش کنترل شود [26.] یک پتانسیل ثابت
بین الکترود کار ( سطحی که قرار است پوشش داده شود) و الکترود کمکی که
مادهای خنثی مانند پلاتین یا گرافیت است میتواند نگهداشته شود. پتانسیل
ثابت بین الکترود کار و الکترود کمکی به این مـعـنی است که پتانسیل بین
محلول و الکترود مـستقیماً کنترل نمیشود. پتانسیل و جریان به هـنـدسـه
سـلول، ترکیب محلول، مواد الکترود کمکی و غیره مربوط میشود.
از
ایـــــن روش بـــــرای تـــشـــکـــیـــــل پـــــوشـــــش هیدروکسی
آپاتایت بر آلیاژ D91AZ استفاده شده اســت و بــوسـیـلــه روشهــای
الـکتـروشیمیـایـی پـتـانـسـیـودیـنـامـیـک پـلاریـزاسـیـون و طیفسنج
امــپــدانــس الـکـتــروشـیـمـیــایــی کــاهــش جــریــان خوردگی نشان
داده شده است [47.]
هـمـچـنـیـن فـرآیـنـد پـوشـشدهی میتواند به
صـورت پـتانسیواستاتیک انجام شود که در آن الکترود کار در ولتاژی ثابت نسبت
به الکترود مــرجـع نـگـه داشـتـه مـیشـود. بـه مـنـظـور ثـابـت
نـگــهداشـتــن اخـتــلاف پـتـانسیـل بیـن محلـول و پوشش، الکترود مرجع در
نزدیک الکترود کار قــرار داده مــیشــود کــه ایــن بــرای
نـگـهداشـتـن پتانسیل در یک سطح مطلوب که باعث احیای آب، بـدون اینکه
احیای مواد دیگر اتفاق بیفتد مفید است. در این چیدمان جریان به علت اینکه
زمینه پوشش داده میشود و ناحیه در معرض قــرار داده شـده الکتـرود بـا
الکتـرولیـت کـاهـش مییابد، افت خواهد کرد. کمتر شدن تولید یون هیدروکسید
در کاتد میتواند منجر به کاهش اسـیـدیـتـه نـزدیـک الـکـتـرود کار شود و
بنابراین بـــاعــث کــاهــش نــرخ رســوبدهــی مــیشــود. پوششهای دی
کلسیم فسفات دیهیدراته بر روی آلــیــاژهــای مـنـیــزیــم بــا
اسـتـفــاده از روش پتانسیواستاتیک تولید شدهاند و نرخ خوردگی را کاهش
دادهاند و پوششهای چگال به طور کامل از زمینههای باقیمانده در بافت
حفاظت میکنند. با اینکه پوششها باعث کاهش نرخ خوردگی میشوند ولی میزان
حفاظت یک پوشش ضخیم و متراکم همواره باید در نظر قرار گیرد [48]
برای
ثابت نگهداشتن تولید یون هیدروکسید، روشهای گالوانواستاتیکی یا جریان
ثابت برای پوششدهی منیزیم با این روش استفاده شده است. پیل سه الکترود
استاندارد استفاده شده است اما دستگاه به نحوی تنظیم میشود که جریان
اعمالی بین الکترود کار و الکترود کمکی ثابت باقی بماند. آب تنها مولکولی
است که تحت اکسیداسیون و احیا در محلول قرار میگیرد. اسیدیته در حین
فرآیند تقریباً ثابت باقی میماند.
ولتاژ در حین فرآیند میتواند ثابت
شود، به خصوص بعد از اینکه قسمتی از زمینه پوششدهی شد. سونگ نشان داد که
روش گالوانواستاتیکی ، پوشش فسفات کلسیم را تشکیل میدهد که در محلول
شبیهسازی شده بدن محافظ و افت جریان خوردگی به طــــور چــشــمــگـیـــری
بـعـــد از 48 ســـاعـــت مـشـــاهـــده شـــده اســـت [47.] ون از روش
گـالـوانواستاتیکی برای پوششدادن آلیاژ 31AZ با هیدروکسی آپاتایت استفاده
کرد. نـتـایج پلاریزاسیون پتانسیودینامیک حفاظت موثری را نشان داد. پتانسیل
خوردگی افزایش یافته بود و چگالی جریان خوردگی کاهش داده شد. عملیات در
محلول قلیایی میتواند باعث پایداری بیشتر پوشش و در نتیجه کاهش نرخ از دست
دادن جرم بعد از 30 روز شود [49.] وو و همکارانش پوششهای کامپوزیتی
چیتوسان و فسفات کلسیم بر روی آلیاژهای منیزیم را گزارش دادهاند [50.]
بوسیله رسوب در یک محلول شامل سوسپانسیون هیدروکسی آپاتایت و چیتوسان پوشش
کامپوزیتی میتواند در حین فـرآیـنـد رسوبنشانی تشکیل شود. در نهایت نوع
ولتاژ کنترل میشود. انواع ولتاژ دیگری در این فرآیند شامل مدهای مختلف
پالسی استفاده شده است. نفوذ یون در محلول پوشش میتواند سرعت پوششدهی را
محدود کند و احتیاج به جریان بیشتری از منبع داشته باشد. اضافه بر این،
احیای آب در کاتد زمانی که ولتاژ بالاست باعث تولید گاز هیدروژن میشود.
نتیجه کلی این فاکتورها این است که پوشش متخلخل و سست شود [51.] طول پالس
میتواند برای تغییر خواص پوششها نظیر اندازه بلور ( مدت زمان بیشتر منجر
به بلورهای بزرگتر میشود) اصلاح شود [42.] دیگر اینکه محدودیت رسوبنشانی
بر روی آلیاژ MgZnCa با استفاده از جریان پالسی مطالعه شده است، که
نـتـایـج حـاکـی از افـزایـش پـتـانـسـیـل خـوردگـی و کـاهـش جـریـان
خـوردگـی در تـست پلاریزاسیون پتانسیودینامیک هستند[51.] عیب روش
رسوبنشانی الکتروشیمیایی این است که پوشش چسبندگی و تراکم کاملی ندارد
[48.] کومار و همکارانش گزارش دادهاند که تصاعد هیدروژن در سطح زمینه
فلزی تولید حبابهای گازی میکند که مانع از تشکیل شیمیایی سرامیک در فصل
مشترک و در نتیجه فصل مشترک آتشفشان مـانـنـدی مـیشـود [52.]
مـتـاسـفـانـه تـصـاعـد گـاز هـیـدروژن در ایـن نـوع پـوشـشدهـی
رسوبنشانی الکتروشیمیایی در محلول آبی اجتنابناپذیر است و در واقع لازم
است که اسیدیته در سطح بالا رود و فرآیند پوششدهی ادامه پیدا کند.
نیاز
به یک سیال رسانای الکتریکی، موجب شده است تا مایعات یونی در حال حاضر به
عنوان جایگزینی برای محیط آبکاری استفاده شوند. بارکر و نیبرت آبکاری زمینه
منیزیمی با روی فلزی برای افزایش مقاومت به خوردگی را گزارش دادهاند
[24.] ترکیب مایع یونی، چگالی جریان اعمال شده و ترکیب آلیاژی زمینه نشان
داده شده است که بر روی پوشش تولید شده تاثیرگذار است.
عملیات سطحی
روش
دیگری برای افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژهای منیزیم اصلاح ساختار سطح خود
فلز است. آلیاژهای منیزیم زمانی که چندین فاز در آلیاژ وجود داشته باشد و
یکی کاتدیتر از بقیه باشد در معرض خوردگی میکروگالوانیک قرار میگیرد
[9.] این میتواند بـرای مقـاومـت بـه خـوردگـی مضـر بـاشد چون خــوردگــی
مــوضـعــی در مـنـاطـق آنـدی تسـریـع میشود. علاوه بر این اختلاف انرژی
در دانهها و مـرزهـای دانـه در منیزیم و آلیاژهایش وجود دارد.
بـنــابــرایــن پـیــل گــالـوانـیـک بـیـن دانـههـا و مرزهای دانه
میتواند تشکیل شود. برای منیزیم خالص، مرزهای دانه، نسبت به دانه کاتدیتر
هستنـد در نتیجـه منجـر بـه خـوردگـی دانـههای نزدیک مرزها میشوند.
[19.] خوردگی موضعی باعث کاهش خواص مکانیکی میشود. برای طـراحـی
ایمپلنـتهـا کنترل و حذف خوردگی موضعی مطلوب است. یک روش برای حذف ایــن
اثـرات اصـلاح سطـح بـا همـوژن کـردن آن اسـت. در ایـن صـورت سـطـحـی
کاملاً آمورف تـولـیـد مـیشـود، کـه بـاعـث حـذف تشکیل پیل گالوانیک بین
دانهها و مرزهای دانه میشود.
شیشههای فلزی حجیم
ساخت زمینه کاملاً
آمورف شیشهای فلزی حـجـیـم رویـکـردی آشـکـار بـرای حـذف کـامـل اختلاف
خوردگی با توجه به ساختار بلوری فلز اســت. ریختـهگـری شیشـههـای فلـزی
نیـازمنـد ترکیبات آلیاژی خاص و نرخ سرد کردن بسیار بـالای بـرای سـرد شـدن
فلز مایع بدون تشکیل دانــههــای بـلــوری اســت [53.] ایــن امــر
بـاعـث میشود که تولید ساختار آمورف با ابعاد بیشتر از چند میلیمتر مشکل
باشد. ترکیبهای آلیاژی میتوانند به شکل شیشههای فلزی حجیم بهینه شوند.
اخیراً آلیاژهای MgZnCa با شیشه ترکیب شدند و توانایی استفاده برای مصارف
پزشکی و کـاربـردهـای دیگـر را دارنـد [54-58.] ایـن آلیاژ سـهتایی حاوی
عنصر سمی نیست و میتواند بهعنوان ایمپلنت تجزیهپذیر استفاده شود.
آلیـاژهـای
MgZnCa آمـورف در محیـط زنده تست شدند تا نشان دهند که تصاعد هیدروژن کاهش
داده شده است [58.] خواص پسیو شدن این آلیاژهای آمورف با 28 درصد وزنی و
بیشتر بهبود یافتند که به علت لایه اکسیدی روی است. نمونههای شیشهای فلزی
حجیم با ورقهایی با ضخامت 5/0 میلیمتر تولید شد. استفاده از این مــواد
شـیـشـهای بـرای ایمپلنـتهـای بـزرگتـر بـا محدویت همراه است.
گو و
همکارنش نتایجی مشابه برای نمونههای شیشهای فلزی حجیم MgZnCa که باعث
کاهش نرخ خوردگی شده بود را گزارش دادند [54.] روش جایگزین برای تشکیل
شیشههای فلزی حجیم برای زمینه، درست کردن سطح آمورف بر روی ماده بلوری با
استفاده از تکنیکهای عملیات سطحی است. کاشت یونی یک راه ممکن برای تولید
سطح اصلاح شده است. شتاب دادن یونها با سرعت بالا و گذاشتن یا کاشتن
آنها بر روی سطح زمینه باعث برخورد میشود و طیف زیادی از بلورهای فلز را
تخریب یا از بین میبرد و باعث تشکیل سطح شیشهای میشوند.
چترج این
چنین تشکیلی را در زمینه آلومینیمی بوسیله کاشت یونی نشان داد [59.] سطح
شیشهای میتواند بعد از پرتو یونی به صورت ترکیب یک لایه سطحی پوشش داده
شده با زمینه شود [60.]
کاشت یونی
کاشت یونی یک روش اصلاح سطح برای
افزایش مقاومت به خوردگی است. مزایای استفاده از کاشت یونی شامل اصلاح سطح
زمینه موجود، ایجاد یک انتقال تدریجی بین سطح اصلاح شده و مغز ماده هستند.
این به طور کلی باعث چسبندگی و استحکام بیشتر پوشش میشود. کاشت یونی
غوطهوری پلاسما آلومینیم، زیرکونیم و تیتانیم برای ایجاد مقاومت به خوردگی
بر روی 91AZ استفاده شد. مکانیزم نشان میدهد که عناصر نزدیک سطح باعث
افزایش چگالی اکسید تشکیل شده در حین خوردگی آلیاژ و در نتیجه یک لایه پسیو
با محافظت بیشتر ایجاد میشود [61.]
با این وجود، برای ایمپلنتهای
زیست تجزیهپذیر، عناصر اضافی اگر مانند آلومینیم سمی باشند یا مانند
تیتانیم تجزیهناپذیر باشند، مطلوب نیستند. وان و همکارانش از یونهای روی
به علت زیستسازگاریشان استفاده کردند اما مشاهده کردند که کاشت یون روی
در آلیاژ MgCa باعث افزایش نرخ خوردگی به جای کاهش آن میشود [62.]
کاشت
یونی اکسیژن نیز به کار گرفته شده است اما موفقیتهای کمی در محلولهای
کلریدی داشته است [63.] کاشت یونی نیتروژن برای بهبود مقاومت به خوردگی
منیزیم استفاده شده است. ناکاتاسوگاوا و همکارانش گزارش دادند که کاشت یون
نیتروژن بــاعــث کــاهــش نــرخ خـوردگـی آلیـاژ D91AZ بـه میـزان 15درصـد
فلـز خـام در محلـول کلریدسدیم 5 درصدوزنی میشود [64.] به طور مشابه،
تیان و همکارانش برای بهبود مقاومت به خوردگی آلیاژ B31AZ از کاشت یونی
غوطهوری پلاسمایی استفاده کردند [65.] در روش کاشت یون، انرژی ایمپلنت و
مقدار یون ورودی از جمله موارد کلیدی در افزایش کارکرد ایمپلنت هستند.
نتیجهگیری
عملیات
سطحی ایمپلنتهای زیستتجزیهپذیر قادر به کاهش نرخ خوردگی برای مدت زمانی
که مقاومت مکانیکی ایمپلنت مورد نیاز است خواهد بود. نرخ خوردگی باید بـه
انـدازه کـافـی کم باشد که تصاعد هیدروژن و محصولات خوردگی مشکلی برای
بافتهای اطراف ایجاد نکنند. بدین منظور پوشش باید چسبنده و سازگار با
زمینه باشد. سیستم پوششدهی باید زمینه را از حملات یون کلر و خوردگی
گالوانیک بین فازها محافظت کند. از عیوبی مانند ترکها و تخلخلها در پوشش
برای جلوگیری از خوردگی مـوضـعـی و افـت مـکـانـیـکـی ایـمـپـلـنـت باید
اجتناب شود. به علاوه پوشش باید کاملا زیستتجزیهپذیر و زیستسازگار باشد.
عناصر سمی نباید داخل سیستم پوششدهی باشند. و زمانی که پوششهای تولید
شده بتوانند حفاظت لازم در برابر خوردگی را فراهم کنند استفاده از
ایمپلنتهای ارتوپدی زیست تجزیه پذیر امکانپذیر خواهد بود.
منابع:
رسوب به کمک پرتو یونی
رســـوب
بـــه کــمـــک پــرتــو یــونــی مــیتــوانــد پـوشـشهایی با چسبندگی
خوب تولید کند و اجـازه کـنـتـرل دقـیـق شیمی پوششرا که شامل نسبت کلسیم به
فسفر است میدهد. یانگ و همکارانش از این فرآیند برای پوششدهی آلیاژ
31AZ استفاده کردند [39.] پوششهای فسفات کـــلـــســـیـــــم
تـــــولـــیـــــد شــــده بــــرای تــبــــدیــــل بــــه
هـیـدروکـسـیآپـاتـایـت حـرارت داده مـیشوند. تابکاری باعث بهبود خواص
مکانیکی پوشش مـیشـود. بـرای تـعـیـیـن ویژگیهای خوردگی، پـوشـشهـا در
مـحـلـول 3 درصـد وزنـی کـلـریـد سـدیـم آزمایش شدند. نمونههای پوشش داده
شده محافظت بیشتری از خود نشان دادند، اگر چه حفره دار شدن در طول ترکهای
پوشش اتفاق افتاد.
پوششهای ایجاد شده در محلول
روشهای شیمی محلول
برای پوششدهی فلزات با فسفات کلسیم چندین مزیت دارد. تجهیزات ساده و
ارزان، توانایی پوششدادن مواد متخلخل و پیچیده و توانایی استفاده از دمای
پایین امکان سنتز شیمی محلول فسفاتهای کلسیم را بر روی زمینه منیزیمی
میدهد. اکسداسیون منیزیم باعث میشود که اسیدیته به طور موضعی بالا رود که
باعث تشویق رسوب فسفات کلسیم در محلول حاوی یونهای فسفات و کلسیم میشود
[40.] با این حال این روش مشکلاتی نیز دارد، چون منیزیم واکنشپذیری بالایی
در محیطهای آبی دارد در طول فرآیند پوششدهی تمایل به خورده شدن دارد.
علاوه بر این ترکیبات فسفات کلسیم به وسیله یون منیزیم در شبکه بلوری
جایگزین میشود و باعث افزایش عیوب [41]و کاهش پایداری ترکیبات تولید
شده[42] میشود. هیروموتو و یاماموتو تشکیل پوشش هیدروکسی آپاتایت بر روی
منیزیم و آلیاژهایش را تنها با یک مرحله پوشش در محلول گزارش دادند [43.]
در این روش غلظت یونی و اسیدیته بر روی پوشش رسوب داده شده تاثیر
میگذارد. آنها کاهش چگالی جریان خوردگی ( به میزان 310 تا 410 برابر)
در محلول 5/3 درصد وزنی کلرید سدیم نسبت به منیزیم پوشش داده نـشــده بــا
اسـتـفــاده از تکنیـک پـلاریـزاسیـون پتـانسیـودینـامیـک را گـزارش
دادنـد. هـو و همکارانش تولید پوشش دی کلسیم فسفات دیهیدراته بر روی آلیاژ
91AZ بوسیله تیتراسیون 4HPO2K به 2(3Ca)NO در محلول را گزارش دادهاند
[44.] پوشش دی کلسیم فسفات دیهیدراته در محلول شبیهسازی شده بدن به
هیدروکسی آپاتایت تبدیل شده است و مقاومت به خوردگی پوشش از 331 اهم
(منیزیم پوشش داده نشده) به 4210 اهم افزایش یافته است. با کمک تست
پلاریزاسیون پتانسیودینامیک مشاهده شد که چگالی جریان خوردگی از 70 به 6/2
میکرو آمپر بر سانتیمتر مربع افت پیدا کرد. تاموزاوا نیز تشکیل هیدروکسی
آپاتایت بر روی منیزیم خالص با استفاده از تکنیک شیمی محلول را گزارش داد
[45.] یافتهها نشان میدهد که افزایش دما به 333 کلوین و بالاتر باعث
تشکیل هـیـدروکـسـی آپـاتـایـت و اکـسـیـد مـنیزیم میشود. با این وجود
افزایش غلظت کلسیم میتواند بدون اینکه تاثیری بر روی اکسید منیزیمی داشته
باشد، تشکیل هیدروکسی آپاتایت را افزایش دهد که ممکن است برای زمینه به علت
حلالیت بالای آن نامطلوب بـاشـد. زو و هـمـکارانش پوششهای فسفات کلسیم
آماده شده به وسیله روشهای محلولی بر روی آلیاژهای منیزیم، منگنز و روی را
گزارش دادند [46.] خواص سطحی نمونه پوشش داده شده باعث رشد سلولی و
استخوانسازی بهتری نسبت به نمونههای پوشش داده نشده است.
زیـرا در
پـوششهای محلولی، استفاده از هرگونه عناصر سمی اجتناب میشود و
زیـسـتسـازگـاری خـوبـی دارد . بـا ایـن حـال بـافـت باقیمانده تولید
پوششی متراکم با چـسـبـنـدگـی کافی و عاری از ترک و محافظت کامل در محلول
در طول دوره زمانی موردنیاز میکند.
رسوبدهی الکتریکی
تشکیل
پوششهای فسفات کلسیم میتواند بوسیله اعمال پتانسیل و جریانهای خارجی
انجام شود. این فرآیندها در مجموع رسوبدهی الکتریکی نام دارند. تجهیزات
این روشها ساده و ارزان است و فرآیند میتواند در دمای پایین انجام شود.
پارامترهای فرآیند میتوانند به آسانی برای بهینه کردن پوشش تولید شده
کنترل شوند.
رسوبنشانی الکتروشیمیایی
رسوبنشانی الکتروشیمیایی از
احیای آب در محلول آبی برای رسوب فسفاتهای کلسیم بر روی سطح زمینه فلزی
استفاده میکند. احیای آب تولید گاز هیدروژن میکند و گـروههـای
هیـدروکسیـدی روی کاتد تولید میشوند.
این باعث افزایش موضعی اسیدیته
در سطح زمینـه مـیشـود. افـزایش اسیدیته باعث کاهش حل شدن فسفاتهای کلسیم
در محلول و منجر بـــــه رســـــوب در ســطـــــح مـــــیشــــود.
فــــرآیــنــــد رســوبنشـانـی الکتـروشیمیـایـی بـرای فسفـات کـلـسـیـم
مـیتـوانـد بـا اسـتـفـاده از چندین روش کنترل شود [26.] یک پتانسیل ثابت
بین الکترود کار ( سطحی که قرار است پوشش داده شود) و الکترود کمکی که
مادهای خنثی مانند پلاتین یا گرافیت است میتواند نگهداشته شود. پتانسیل
ثابت بین الکترود کار و الکترود کمکی به این مـعـنی است که پتانسیل بین
محلول و الکترود مـستقیماً کنترل نمیشود. پتانسیل و جریان به هـنـدسـه
سـلول، ترکیب محلول، مواد الکترود کمکی و غیره مربوط میشود.
از
ایـــــن روش بـــــرای تـــشـــکـــیـــــل پـــــوشـــــش هیدروکسی
آپاتایت بر آلیاژ D91AZ استفاده شده اســت و بــوسـیـلــه روشهــای
الـکتـروشیمیـایـی پـتـانـسـیـودیـنـامـیـک پـلاریـزاسـیـون و طیفسنج
امــپــدانــس الـکـتــروشـیـمـیــایــی کــاهــش جــریــان خوردگی نشان
داده شده است [47.]
هـمـچـنـیـن فـرآیـنـد پـوشـشدهی میتواند به
صـورت پـتانسیواستاتیک انجام شود که در آن الکترود کار در ولتاژی ثابت نسبت
به الکترود مــرجـع نـگـه داشـتـه مـیشـود. بـه مـنـظـور ثـابـت
نـگــهداشـتــن اخـتــلاف پـتـانسیـل بیـن محلـول و پوشش، الکترود مرجع در
نزدیک الکترود کار قــرار داده مــیشــود کــه ایــن بــرای
نـگـهداشـتـن پتانسیل در یک سطح مطلوب که باعث احیای آب، بـدون اینکه
احیای مواد دیگر اتفاق بیفتد مفید است. در این چیدمان جریان به علت اینکه
زمینه پوشش داده میشود و ناحیه در معرض قــرار داده شـده الکتـرود بـا
الکتـرولیـت کـاهـش مییابد، افت خواهد کرد. کمتر شدن تولید یون هیدروکسید
در کاتد میتواند منجر به کاهش اسـیـدیـتـه نـزدیـک الـکـتـرود کار شود و
بنابراین بـــاعــث کــاهــش نــرخ رســوبدهــی مــیشــود. پوششهای دی
کلسیم فسفات دیهیدراته بر روی آلــیــاژهــای مـنـیــزیــم بــا
اسـتـفــاده از روش پتانسیواستاتیک تولید شدهاند و نرخ خوردگی را کاهش
دادهاند و پوششهای چگال به طور کامل از زمینههای باقیمانده در بافت
حفاظت میکنند. با اینکه پوششها باعث کاهش نرخ خوردگی میشوند ولی میزان
حفاظت یک پوشش ضخیم و متراکم همواره باید در نظر قرار گیرد [48]
برای
ثابت نگهداشتن تولید یون هیدروکسید، روشهای گالوانواستاتیکی یا جریان
ثابت برای پوششدهی منیزیم با این روش استفاده شده است. پیل سه الکترود
استاندارد استفاده شده است اما دستگاه به نحوی تنظیم میشود که جریان
اعمالی بین الکترود کار و الکترود کمکی ثابت باقی بماند. آب تنها مولکولی
است که تحت اکسیداسیون و احیا در محلول قرار میگیرد. اسیدیته در حین
فرآیند تقریباً ثابت باقی میماند.
ولتاژ در حین فرآیند میتواند ثابت
شود، به خصوص بعد از اینکه قسمتی از زمینه پوششدهی شد. سونگ نشان داد که
روش گالوانواستاتیکی ، پوشش فسفات کلسیم را تشکیل میدهد که در محلول
شبیهسازی شده بدن محافظ و افت جریان خوردگی به طــــور چــشــمــگـیـــری
بـعـــد از 48 ســـاعـــت مـشـــاهـــده شـــده اســـت [47.] ون از روش
گـالـوانواستاتیکی برای پوششدادن آلیاژ 31AZ با هیدروکسی آپاتایت استفاده
کرد. نـتـایج پلاریزاسیون پتانسیودینامیک حفاظت موثری را نشان داد. پتانسیل
خوردگی افزایش یافته بود و چگالی جریان خوردگی کاهش داده شد. عملیات در
محلول قلیایی میتواند باعث پایداری بیشتر پوشش و در نتیجه کاهش نرخ از دست
دادن جرم بعد از 30 روز شود [49.] وو و همکارانش پوششهای کامپوزیتی
چیتوسان و فسفات کلسیم بر روی آلیاژهای منیزیم را گزارش دادهاند [50.]
بوسیله رسوب در یک محلول شامل سوسپانسیون هیدروکسی آپاتایت و چیتوسان پوشش
کامپوزیتی میتواند در حین فـرآیـنـد رسوبنشانی تشکیل شود. در نهایت نوع
ولتاژ کنترل میشود. انواع ولتاژ دیگری در این فرآیند شامل مدهای مختلف
پالسی استفاده شده است. نفوذ یون در محلول پوشش میتواند سرعت پوششدهی را
محدود کند و احتیاج به جریان بیشتری از منبع داشته باشد. اضافه بر این،
احیای آب در کاتد زمانی که ولتاژ بالاست باعث تولید گاز هیدروژن میشود.
نتیجه کلی این فاکتورها این است که پوشش متخلخل و سست شود [51.] طول پالس
میتواند برای تغییر خواص پوششها نظیر اندازه بلور ( مدت زمان بیشتر منجر
به بلورهای بزرگتر میشود) اصلاح شود [42.] دیگر اینکه محدودیت رسوبنشانی
بر روی آلیاژ MgZnCa با استفاده از جریان پالسی مطالعه شده است، که
نـتـایـج حـاکـی از افـزایـش پـتـانـسـیـل خـوردگـی و کـاهـش جـریـان
خـوردگـی در تـست پلاریزاسیون پتانسیودینامیک هستند[51.] عیب روش
رسوبنشانی الکتروشیمیایی این است که پوشش چسبندگی و تراکم کاملی ندارد
[48.] کومار و همکارانش گزارش دادهاند که تصاعد هیدروژن در سطح زمینه
فلزی تولید حبابهای گازی میکند که مانع از تشکیل شیمیایی سرامیک در فصل
مشترک و در نتیجه فصل مشترک آتشفشان مـانـنـدی مـیشـود [52.]
مـتـاسـفـانـه تـصـاعـد گـاز هـیـدروژن در ایـن نـوع پـوشـشدهـی
رسوبنشانی الکتروشیمیایی در محلول آبی اجتنابناپذیر است و در واقع لازم
است که اسیدیته در سطح بالا رود و فرآیند پوششدهی ادامه پیدا کند.
نیاز
به یک سیال رسانای الکتریکی، موجب شده است تا مایعات یونی در حال حاضر به
عنوان جایگزینی برای محیط آبکاری استفاده شوند. بارکر و نیبرت آبکاری زمینه
منیزیمی با روی فلزی برای افزایش مقاومت به خوردگی را گزارش دادهاند
[24.] ترکیب مایع یونی، چگالی جریان اعمال شده و ترکیب آلیاژی زمینه نشان
داده شده است که بر روی پوشش تولید شده تاثیرگذار است.
عملیات سطحی
روش
دیگری برای افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژهای منیزیم اصلاح ساختار سطح خود
فلز است. آلیاژهای منیزیم زمانی که چندین فاز در آلیاژ وجود داشته باشد و
یکی کاتدیتر از بقیه باشد در معرض خوردگی میکروگالوانیک قرار میگیرد
[9.] این میتواند بـرای مقـاومـت بـه خـوردگـی مضـر بـاشد چون خــوردگــی
مــوضـعــی در مـنـاطـق آنـدی تسـریـع میشود. علاوه بر این اختلاف انرژی
در دانهها و مـرزهـای دانـه در منیزیم و آلیاژهایش وجود دارد.
بـنــابــرایــن پـیــل گــالـوانـیـک بـیـن دانـههـا و مرزهای دانه
میتواند تشکیل شود. برای منیزیم خالص، مرزهای دانه، نسبت به دانه کاتدیتر
هستنـد در نتیجـه منجـر بـه خـوردگـی دانـههای نزدیک مرزها میشوند.
[19.] خوردگی موضعی باعث کاهش خواص مکانیکی میشود. برای طـراحـی
ایمپلنـتهـا کنترل و حذف خوردگی موضعی مطلوب است. یک روش برای حذف ایــن
اثـرات اصـلاح سطـح بـا همـوژن کـردن آن اسـت. در ایـن صـورت سـطـحـی
کاملاً آمورف تـولـیـد مـیشـود، کـه بـاعـث حـذف تشکیل پیل گالوانیک بین
دانهها و مرزهای دانه میشود.
شیشههای فلزی حجیم
ساخت زمینه کاملاً
آمورف شیشهای فلزی حـجـیـم رویـکـردی آشـکـار بـرای حـذف کـامـل اختلاف
خوردگی با توجه به ساختار بلوری فلز اســت. ریختـهگـری شیشـههـای فلـزی
نیـازمنـد ترکیبات آلیاژی خاص و نرخ سرد کردن بسیار بـالای بـرای سـرد شـدن
فلز مایع بدون تشکیل دانــههــای بـلــوری اســت [53.] ایــن امــر
بـاعـث میشود که تولید ساختار آمورف با ابعاد بیشتر از چند میلیمتر مشکل
باشد. ترکیبهای آلیاژی میتوانند به شکل شیشههای فلزی حجیم بهینه شوند.
اخیراً آلیاژهای MgZnCa با شیشه ترکیب شدند و توانایی استفاده برای مصارف
پزشکی و کـاربـردهـای دیگـر را دارنـد [54-58.] ایـن آلیاژ سـهتایی حاوی
عنصر سمی نیست و میتواند بهعنوان ایمپلنت تجزیهپذیر استفاده شود.
آلیـاژهـای
MgZnCa آمـورف در محیـط زنده تست شدند تا نشان دهند که تصاعد هیدروژن کاهش
داده شده است [58.] خواص پسیو شدن این آلیاژهای آمورف با 28 درصد وزنی و
بیشتر بهبود یافتند که به علت لایه اکسیدی روی است. نمونههای شیشهای فلزی
حجیم با ورقهایی با ضخامت 5/0 میلیمتر تولید شد. استفاده از این مــواد
شـیـشـهای بـرای ایمپلنـتهـای بـزرگتـر بـا محدویت همراه است.
گو و
همکارنش نتایجی مشابه برای نمونههای شیشهای فلزی حجیم MgZnCa که باعث
کاهش نرخ خوردگی شده بود را گزارش دادند [54.] روش جایگزین برای تشکیل
شیشههای فلزی حجیم برای زمینه، درست کردن سطح آمورف بر روی ماده بلوری با
استفاده از تکنیکهای عملیات سطحی است. کاشت یونی یک راه ممکن برای تولید
سطح اصلاح شده است. شتاب دادن یونها با سرعت بالا و گذاشتن یا کاشتن
آنها بر روی سطح زمینه باعث برخورد میشود و طیف زیادی از بلورهای فلز را
تخریب یا از بین میبرد و باعث تشکیل سطح شیشهای میشوند.
چترج این
چنین تشکیلی را در زمینه آلومینیمی بوسیله کاشت یونی نشان داد [59.] سطح
شیشهای میتواند بعد از پرتو یونی به صورت ترکیب یک لایه سطحی پوشش داده
شده با زمینه شود [60.]
کاشت یونی
کاشت یونی یک روش اصلاح سطح برای
افزایش مقاومت به خوردگی است. مزایای استفاده از کاشت یونی شامل اصلاح سطح
زمینه موجود، ایجاد یک انتقال تدریجی بین سطح اصلاح شده و مغز ماده هستند.
این به طور کلی باعث چسبندگی و استحکام بیشتر پوشش میشود. کاشت یونی
غوطهوری پلاسما آلومینیم، زیرکونیم و تیتانیم برای ایجاد مقاومت به خوردگی
بر روی 91AZ استفاده شد. مکانیزم نشان میدهد که عناصر نزدیک سطح باعث
افزایش چگالی اکسید تشکیل شده در حین خوردگی آلیاژ و در نتیجه یک لایه پسیو
با محافظت بیشتر ایجاد میشود [61.]
با این وجود، برای ایمپلنتهای
زیست تجزیهپذیر، عناصر اضافی اگر مانند آلومینیم سمی باشند یا مانند
تیتانیم تجزیهناپذیر باشند، مطلوب نیستند. وان و همکارانش از یونهای روی
به علت زیستسازگاریشان استفاده کردند اما مشاهده کردند که کاشت یون روی
در آلیاژ MgCa باعث افزایش نرخ خوردگی به جای کاهش آن میشود [62.]
کاشت
یونی اکسیژن نیز به کار گرفته شده است اما موفقیتهای کمی در محلولهای
کلریدی داشته است [63.] کاشت یونی نیتروژن برای بهبود مقاومت به خوردگی
منیزیم استفاده شده است. ناکاتاسوگاوا و همکارانش گزارش دادند که کاشت یون
نیتروژن بــاعــث کــاهــش نــرخ خـوردگـی آلیـاژ D91AZ بـه میـزان 15درصـد
فلـز خـام در محلـول کلریدسدیم 5 درصدوزنی میشود [64.] به طور مشابه،
تیان و همکارانش برای بهبود مقاومت به خوردگی آلیاژ B31AZ از کاشت یونی
غوطهوری پلاسمایی استفاده کردند [65.] در روش کاشت یون، انرژی ایمپلنت و
مقدار یون ورودی از جمله موارد کلیدی در افزایش کارکرد ایمپلنت هستند.
نتیجهگیری
عملیات
سطحی ایمپلنتهای زیستتجزیهپذیر قادر به کاهش نرخ خوردگی برای مدت زمانی
که مقاومت مکانیکی ایمپلنت مورد نیاز است خواهد بود. نرخ خوردگی باید بـه
انـدازه کـافـی کم باشد که تصاعد هیدروژن و محصولات خوردگی مشکلی برای
بافتهای اطراف ایجاد نکنند. بدین منظور پوشش باید چسبنده و سازگار با
زمینه باشد. سیستم پوششدهی باید زمینه را از حملات یون کلر و خوردگی
گالوانیک بین فازها محافظت کند. از عیوبی مانند ترکها و تخلخلها در پوشش
برای جلوگیری از خوردگی مـوضـعـی و افـت مـکـانـیـکـی ایـمـپـلـنـت باید
اجتناب شود. به علاوه پوشش باید کاملا زیستتجزیهپذیر و زیستسازگار باشد.
عناصر سمی نباید داخل سیستم پوششدهی باشند. و زمانی که پوششهای تولید
شده بتوانند حفاظت لازم در برابر خوردگی را فراهم کنند استفاده از
ایمپلنتهای ارتوپدی زیست تجزیه پذیر امکانپذیر خواهد بود.
منابع
1.
Staiger, M.P., et al., Magnesium and its alloys as orthopedic
biomaterials: A review. Biomaterials, 2006. 27(9): p. 1728-1734.
2.
Witte, F., et al., Degradable biomaterials based on magnesium corrosion.
Current Opinion in Solid State and Materials Science. 12(5-6): p.
63-72.
3. Li, L., J. Gao, and Y. Wang, Evaluation of cyto-toxicity
and corrosion behavior of alkali-heat-treated magnesium in simulated
body fluid. Surface and Coatings Technology, 2004. 185(1): p. 92-98.
4. Park, J.B. and J.D. Bronzino, eds. Biomaterials Principles and Applications. 2003, CRC Press: Boca Raton. 250.
5. Williams, D.F., On the mechanisms of biocompatibility. Biomaterials, 2008. 29(20): p. 2941-2953.
6. Song, G.L. and A. Atrens, Corrosion Mechanisms of Magnesium Alloys. Advanced Engineering Materials, 1999.
7.
HEnzi, A.C., et al., On the biodégradation performance of an Mg-Y-RE
alloy with various surface conditions in simulated body fluid. Acta
Biomaterialia, 2009. 5(1): p. 162-171.
8. Wang, Y., et al., Corrosion
process of pure magnesium in simulated body fluid. Materials Letters,
2008. 62(14): p. 2181- 2184.
9. Song, G. and A. Atrens, Understanding
Magnesium Corrosion - A Framework for Improved Alloy Performance.
Advanced Engineering Materials, 2003. 5(12): p. 837-858.
10. Xin, Y.,
et al., Influence of aggressive ions on the degradation behavior of
biomédical magnesium alloy in physiological environment. Acta
Biomaterialia, 2008. 4(6): p. 2008-2015.
11. Kirkland, N.T., et al., A survey of bio-corrosion rates of magnesium alloys. Corrosion Science, 2010. 52(2): p. 287- 291.
12. Gu, X., et al., In vitro corrosion and biocompatibility of binary magnesium alloys. Biomaterials, 2009. 30(4): p. 484- 498.
13. Ramaswamy, Y., C. Wu, and H. Zreiqat. Orthopedic coating materials: considerations and applications. 2009.
14.
Gray, J.E. and B. Luan, Protective coatings on magnesium and its alloys
- a critical review. Journal of Alloys and Compounds, 2002. 336(1-2):
p. 88-113.
15. Lei, T., et al., Enhanced corrosion protection of MgO coatings on magnesium alloy deposited by an anodic
3504-3508.
16.
Zhao, L., et al., Growth characteristics and corrosion resistance of
micro-arc oxidation coating on pure magnesium for biomédical
applications. Corrosion Science, 2010. 52(7): p. 2228-2234.
17.
Liu, X., et al., Effect of alternating voltage treatment on the
corrosion resistance of pure magnesium. Corrosion Science, 2009. 51(8):
p. 1772-1779.
18. Xue, D., et al., Corrosion protection of
biodegradable magnesium implants using anodization. Materials Science
and Engineering: C, 2010. In Press, Accepted Manuscript.
19.
Friedrich, H.E. and B.L. Mordike, Magnesium technology : metallurgy,
design data, applications. 2006, Berlin ; New York: Springer, xxii, 677
p.
20. Hiromoto, S., et al., Precipitation control of calcium
phosphate on pure magnesium by anodization. Corrosion Science, 2008.
50(10): p. 2906-2913.
21. Yamamoto, A., et al., Improvement of
corrosion resistance of magnesium alloys by vapor deposition. Scripta
Materialia, 2001. 44(7): p. 1039-1042.
22. Wu, G., X. Zeng, and G.
Yuan, Growth and corrosion of aluminum PVD-coating on AZ31 magnesium
alloy. Materials Letters, 2008. 62(28): p. 4325-4327.
23. Xin, Y., et
al., Corrosion behavior of ZrN/Zr coated biomédical AZ91 magnesium
alloy. Surface and Coatings Technology, 2009. 203(17-18): p. 2554-2557.
24. Bakkar, A. and V. Neubert, Electrodeposition onto magnesium in air and water stable ionic liquids: From
corrosion to successful plating. Electrochemistry Communications, 2007. 9(9): p. 2428-2435.
25.
Barrere, F., Biomimetic Calcium Phosphate Coatings: Physicochemistry
and Biological Activity. 2002, University of Twente: Enschede.
26. Leon, B. and J.A. Jansen, Thin Calcium Phosphate Coatings for Medical Implants. 2008: Springer.
27.
Barrere, F. and C.M.v.d. Valk, Osteogenecity of octacalcium phosphate
coatings applied on porous metal implants. Journal of Biomédical
Materials Research Part A, 2003. 66A(4): p. 779-788.
28. Barrere, F.,
et al., Osteointegration of biomimetic apatite coating applied onto
dense and porous metal implants in femurs of goats. Journal of
Biomédical Materials Research
Part B: Applied Biomaterials, 2003. 67B(1): p. 655-665.
29. Zhu, L., et al., Biomimetic coating of compound titania and
hydroxyapatite on titanium. Journal of Biomédical Materials
Research Part A, 2007. 83A(4): p. 1165-1175.
30. Kou, M., T. Toda, and O. Fukumasa, Production of fine
hydroxyapatite films using the well-controlled thermal
plasma. Surface and Coatings Technology, 2008. 202(22-23):
p. 5753-5756.
31.
Chen, D., et al., Apatite formation on alkaline-treated dense TiO2
coatings deposited using the solution precursor plasma spray process.
Acta Biomaterialia, 2008. 4(3): p. 553-559.
32. Gross, K.A. and C.C.
Berndt, Thermal processing of hydroxyapatite for coating production.
Journal of Biomédical Materials Research, 1998. 39(4): p. 580-587.
33.
Koch, CF., et al., Pulsed laser deposition of hydroxyapatite thin
films. Materials Science and Engineering: C, 2007. 27(3): p. 484-494.
34. Choy, K.L., Chemical vapour deposition of coatings. Progress in Materials Science, 2003. 48(2): p. 57-170.
نویسنده: حمیدرضا باقری، حمیدرضا مسیحا ، مرتضی قیطانی، محمود علیاف خضرایی، علیرضا صبور روح اقدم، تقی شهرابی فراهانی