اهمیت پوشش دهی ورق استیل 316L

مقدمه:

ورق استیل آستنیتی 316L معمولاً به عنوان یک ماده زیستی برای کاربردهای ایمپلنت انسانی استفاده می شود. با این حال، کاربردهای بالینی آن به دلیل نرخ خوردگی نسبتاً بالا در شرایط فیزیولوژیکی محدود است. تغییرات سطحی مختلف، از جمله پوشش‌ها، برای افزایش عملکرد آن ایجاد شده است. در یک مطالعه تجربی، یک لایه نازک از تانتالیوم (Ta) با استفاده از سیستم کندوپاش مگنترون DC روی سطح ورق استیل 316L اعمال شد. ضخامت پوشش از 1.504 تا 6.083 میکرومتر متغیر بود که با زمان‌های رسوب‌گذاری از 15 تا 60 دقیقه این نتایج به دست آمد. هدف بررسی ویژگی‌های خوردگی الکتروشیمیایی L316 بدون پوشش و L316 با پوشش تانتالوم و به دنبال آن پلاریزاسیون پتانسیودینامیک (PDP)، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، و آزمایش‌های پتانسیل مدار باز بود. این تست ها به مدت 10 دقیقه، 60 دقیقه و 90 دقیقه برای ارزیابی عملکرد آنها در طول زمان انجام شد. اندازه‌گیری‌های PDP در یک مایع بدن شبیه‌سازی‌شده (SBF) در pH 25/0 ± 8/7 و دمای 40 درجه سانتی‌گراد، با مدت‌های پوشش متفاوت انجام شد. نتایج آزمایش PDP نشان داد که ورق استیل L316 با پوشش Ta مقاومت بیشتری در برابر خوردگی در مقایسه با نمونه ورق استیل L316 بدون پوشش از خود نشان می دهد. کارایی پوشش‌های Ta بر روی نمونه‌های ورق استیل 316L از طریق چندین تکنیک از جمله میکروسکوپ‌های نوری، طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی، میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس ارزیابی شد. یافته های SEM و EDS کاربرد موفقیت آمیز پوشش Ta بر روی ورق استیل را تأیید کرد. ترکیب لایه اکسید سطحی Ta، زیرلایه و ضخامت پوشش با استفاده از تکنیک XPS تعیین شد که اثربخشی پوشش Ta را در محافظت از ورق استیل 316L در برابر خوردگی الکتروشیمیایی، به ویژه برای کاربردهای زیست پزشکی تایید می‌کند. در این مقاله به بررسی اهمیت پوشش دهی ورق استیل 316L پرداخته شده است.

کاربرد ورق استیل 316L در پزشکی:

رایج ترین ورق استیل موجود در بازار گرید 316L است، آلیاژی که معمولاً برای ایمپلنت های زیست پزشکی استفاده می شود. ورق استیل 316L حاوی یون های آهن، کروم، نیکل و مولیبدن است. وجود کروم در ورق استیل 316L ضروری است زیرا دو هدف را دنبال می کند:
-    محافظت از ایمپلنت ها در برابر خوردگی 
-    تسهیل تشکیل یک پوشش اکسید روی سطح فلز
این پوشش اکسید محافظ از طریق فرآیندی به نام غیرفعال سازی ایجاد می شود. علاوه بر این، ورق استیل 316L دارای محتوای کربن پایینی است که این اطمینان را می دهد که در هنگام استفاده در بدن انسان در برابر خوردگی مقاوم می ماند. اگرچه ورق استیل مقاوم در برابر خوردگی است، یون‌های کلر می‌توانند باعث خوردگی آن شوند. با استفاده از ورق استیل L316 در بدن انسان برای جایگزینی آرتروپلاستی مفصل ران می توان مواد کاشتنی با کیفیت ساخت. میانگین طول عمر افراد در طول زمان افزایش یافته است و باعث استفاده از چنین بیوموادی با کیفیت بالا برای ایمپلنت های ارتوپدی و دندان شده است. فلزات عمدتاً به عنوان مواد ایمپلنت در سراسر جراحی ارتوپدی، قلب و عروق و دندان مورد استفاده قرار می گیرند. آلیاژهای Co-Cr، ورق استیل و آلیاژهای تیتانیوم فلزاتی هستند که مورد توجه اولیه قرار می گیرند.

معایب ورق استیل 316L:

گرید 316L رایج ترین ورق استیل است. انتشار نیکل در مایع بدن باعث ایجاد سمیت می شود که یکی از معایب 316L است. تخلیه یون های فلزی در مقادیر بالاتر در مایع بدن پس از 13 سال کاشت مشاهده شد. یون های فلزی حاصل از ایمپلنت های مفصل مصنوعی می تواند منجر به التهاب موضعی و در نهایت شل شدن ایمپلنت ها شود. ورق استیل (SS) دارای مدول یانگ 200 گیگا پاسکال است که بالاتر از استخوان است. این عدم تطابق مکانیکی بین SS و استخوان در نهایت می تواند باعث شود ایمپلنت SS از موقعیت خود خارج شود. با این حال، ورق استیل هنوز برای کاربردهای کوتاه مدت مانند دستگاه های ثابت شکستگی غیر دائمی به دلیل سهولت ساخت، هزینه کم و سازگاری آن استفاده می شود.

مواد مناسب ساخت ایمپلنت پزشکی:

با توجه به منابع علمی، یافتن یک فلز یا آلیاژ منفرد که تمام کیفیت های لازم برای ایمپلنت زیست پزشکی را برآورده کند، بسیار چالش برانگیز است. در نتیجه یکی از اهداف بهبود خصوصیات مکانیکی، شیمیایی و بیولوژیکی فلزات و آلیاژها با اصلاح سطوح آنهاست. از آنجا که دارای یک لایه آپاتیت استخوان مانند است، فلز Ta دارای فعالیت زیستی است و پیش تیمار می تواند تشکیل یک لایه آپاتیت را تسهیل کند. این برهمکنش بین یون های Na+ و یون های H3O+ در مایع بدن شبیه سازی شده منجر به تولید گروه های Ta OH می شود. فرآیند هسته‌زایی و رشد این لایه آپاتیت روی Ta در SBF منجر به پیوند قوی بین فلز Ta و استخوان می‌شود. Ta به دلیل بی اثر بودن، رفتار مکانیکی عالی و مقاومت در برابر خوردگی به عنوان یک ماده پوشش برای کاربردهای زیست پزشکی بسیار مورد توجه است.

جذب پروتئین بر روی مواد کاشتنی:

جذب پروتئین روی سطح ایمپلنت های فلزی نقش مهمی در تعیین عملکرد بیولوژیکی آنها دارد. در مقایسه با 316L، لایه‌های پوشش‌داده‌شده با اکسید Ta و هیدروکسی آپاتیت جذب پروتئین بهتری را نشان می‌دهند که نشان می‌دهد تغییرات سطحی می‌تواند زیست سازگاری را افزایش دهد. پوشش Ta و TaO2 از نظر زیست سازگاری عملکرد بهتری نسبت به 316L و Ti داشتند. بنابراین، اکسید Ta پتانسیل استفاده در دریچه های مصنوعی قلب را دارد. فلز تا به عنوان ماده ایمپلنت استفاده نمی شود زیرا برش و تولید ایمپلنت هایی که استانداردهای بالینی را برآورده می کنند بسیار گران و دشوار است. در نتیجه، پوشش سطح Ta بر روی 316L دارای کیفیت مکانیکی، خوردگی و سایش عالی خواهد بود.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی