جنبه­ های کلی

تولید آلیاژهای تیتانیوم از چند مرحله­ جداگانه تشکیل می­ شود. مراحل زیر بیان­گر تبدیل تیتانیوم از یک سنگ­ معدن به یک شمش آماده برای فراوری کار سرد یا ریخته­ گری یا تبدیل به محصولات اولیه است:

• تولید اسفنج تیتانیوم (احیای سنگ­ معدن تیتانیوم به یک شکل ناخالص متخلخل فلز تیتانیوم)
• خالص ­سازی تیتانیوم
• ذوب کردن اسفنج یا اسفنج بعلاوه عناصر آلیاژی یا آمیژان برای تشکیل یک شمش
• تولید اصلی که در آن، شمش­ ها به محصولات اولیه نظیر میله، ورق نازک، ورق ضخیم، نوار یا سیم تبدیل می­ شوند.

پیش‌زمینه

تیتانیوم در کاربردهای ارتوپدی برای اولین بار در دهه 50 میلادی مورداستفاده قرار گرفت. ارتوپدی شاخه‌ای از جراحی است که مربوط به سیستم اسکلتی-عضلانی می‌شود. جراحان ارتوپدی از هر دو روش جراحی و غیر جراحی برای معالجه آسیب‌های اسکلتی-عضلانی، بیماری‌های ستون فقرات، آسیب‌های ورزشی و موارد دیگر استفاده می‌کنند. در حال حاضر، آلیاژهای تیتانیوم اولویت اصلی (شکل 1-1-1) برای تجهیزات ارتوپدی مانند مفاصل ران، پیچ‌های استخوانی، مفاصل زانو، قفسه‌ی مایع نخاعی، مفاصل شانه و آرنج و صفحات و داربست‌های استخوانی است (شکل 1-1-2) [1–3]. تیتانیوم به دلیل مقاومت کلی در برابر خوردگی (شکل 1-1-3) برخلاف آهن، فلز موردنظر برای متخصصان ارتوپدی است (شکل 1-1-4). این ماده در بدن انسان بی‌اثر است و در برابر حمله‌ی مایعاتِ بدن مقاوم است. علاوه بر این، ثابت‌شده است که با تراکم استخوان سازگار است، مستحکم است و مدول کمی دارد؛ ازاین‌رو، یک ماده‌ی عالی برای عرصه‌ی ارتوپدی است.

آلیاژهای تیتانیوم و اهمیت آن‌ها

آلیاژهای تیتانیوم از جمله مهم‌ترین مواد جدید هستند که برای بهبود کارایی در سیستم های هوایی و زمینی مهم هستند (شکل 1-2-1 و 1-2-2 ). آن‌ها حتی در صنعت خودروسازی با هزینه-آگاهی نیز در حال کاربرد یافتن هستند (جدول 1-2-1) [2-10]. این کاربردها به دلیل ترکیب عالی از خصوصیات مکانیکی مخصوص (خواص نرمال شده توسط چگالی) و رفتار خوردگی برجسته آلیاژهای تیتانیوم است [2-10]. اگرچه، هزینه بالای آلیاژهای تیتانیوم در مقایسه با مواد رقیب از استفاده گسترده‌ی آن جلوگیری می کند (جدول 1-2-2). در این فصل، رفتار تیتانیوم با یک بررسی اجمالی در مورد متالورژی تیتانیوم و بحث در مورد دو روش در حال توسعه‌ی تکنیک رسیدن به شکل نهایی یا نزیک به نهایی دنبال خواهد شد: ساخت افزایشی (AM) و قالب‌گیری تزریقی فلزات (MIM).

مقدمه

امروزه اصطلاح طراحی آلیاژ پیش پا افتاده به نظر می رسد زیرا مدت زمان زیادی است که علم در حوزه فلز گسترش یافته است. اما در آغاز دهه 1980 هنگامی که تحقیقات طراحی آلیاژ آغاز شد کاملاً جدید بود. از یک دیدگاه تاریخی، پس از تهیه روش PHACOMP در سال 1964، شروع به استفاده از اصطلاح طراحی آلیاژ کردیم. به دنبال این روش، شکل‌گیری فازهای ترد مانند فاز σ و فاز μ در سوپرآلیاژهای پایه نیکل پیش بینی شد [1-2]. با این حال، در آن روزها طراحی آلیاژ هنوز هم چنان دشوار بود که اکثر آلیاژها با تکیه بر تجربه قبلی و آزمایش های سعی و خطا تولید می‌شدند. با این حال، امروزه انفورماتیک مواد [3] معمولاً در هر زمینه از مواد مورد استفاده قرار می گیرد برای صرفه جویی در وقت و هزینه‌ای که برای توسعه‌ی مواد لازم است. همانطور که نویسنده از آن روزها فرا می‌خواند، به نظر می رسد که ما در دنیای دیگری بوده‌ایم.

استفاده از تیتانیوم برای کاربردهای پزشکی از دهه 1950 میلادی آغاز شد و با توجه به زیست سازگاری آن با بدن انسان و بسیاری از مزایای دیگر همچنان مورد استفاده قرار می­ گیرد. استفاده از تیتانیوم در مفاصلی مانند پروتز لگن و زانو کاملاً شناخته شده می ­باشد؛ علاوه بر این، برای تولید پیچ­ ها­، نیل ­ها و پلیت­ های تروما نیز کاربرد دارد. با این حال، تیتانیوم و آلیاژهای آن امکان توسعه بیشتر ایمپلنت­ های زیست سازگار، پروتز­های خارجی و ابزار دقیق را فراهم می­ سازد.

بسیاری از تجهیزات پزشکی متشکل از فلزات به وسیله سرامیک­ها و پلیمرها جایگزین شده ­اند، زیرا خواص آن­ها با پیشرفت تکنولوژی در طول چهار دهه گذشته بسیار بهبود یافته است. با این حال، بیش از 70% از دستگاه­ های ارتوپدی به دلیل استحکام، دوام و چقرمگی بالا هنوز هم از فلزات ساخته می­ شوند. بخصوص، تیتانیوم و آلیاژهای آن که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی و سازگاری خوب با بافت بدن به عنوان مواد ایمپلنت پزشکی و دندانپزشکی مورد استفاده قرار می­­ گیرند. اما با توجه به اینکه دستگاه ­های ایمپلنت ساخته شده از فلزات به طور معمول مواد مصنوعی هستند، بنابراین زیست سازگاری کمتری را از خود نشان می­ دهند و هیچ­گونه عملکرد بیولوژیکی ندارند. برای بهبود زیست­ سازگاری و افزودن عملکرد بیولوژیکی به فلزات، عملیات سطح یا اصلاح سطح ضروری است.

2-2-1 مقدمه

کاشت استخوان با استفاده از ایمپلنت ­های تیتانیوم پس از تحقیقات پروفسور برنمارک در اوایل دهه 1960 میلادی امکان­ پذیر شد، جایی که در آن فرآیند پیوند استخوانی تیتانیوم برای اولین بار انجام شد [1]. پس از کشف این علم، متوجه شدند که این اثرات نه تنها برای تیتانیوم بلکه برای اکسید زیرکونیوم [2]، آلیاژهای مختلف [3]، هیدروکسی آپاتیت [4] و سایر مواد نیز مشخص است. اما با این حال، اکثر ایمپلنت­ های استخوان از تیتانیوم و آلیاژهای آن ساخته می­ شوند. دلیل این امر خواص بیوپزشکی، مکانیکی و همچنین در دسترس بودن تجاری است.
بیش از 50 سال تجربه به ویژگی اصلی فرآیند پیوند استخوانی تیتانیوم اشاره دارد: ساختار هندسی سطح، مهمترین عامل تأثیرگذار در جایگزینی پیوند (engraftment) ایمپلنت به همراه ترکیب شیمیایی است. این موضوع با استفاده از نتایج مطالعات سیتولوژیکی و بافت­ شناسی نشان داده شده است [5-6].
به طور کلی اکثر آثار هم­ افزایی مثبت توپوگرافی سطح توسعه یافته را در میان خواص بیوپزشکی مربوط به تیتانیوم پولیش یافته توصیف می­ کند [7-9].
با این حال، در برخی موارد اصلاح ناچیز برجستگی منجر به واکنش ارزشمند استئوپلاست­ها و بافت استخوانی می­ شود ]10[. ما تلاش می­ کنیم تا این روابط را براساس نتایج تحقیقات همکاران بیان کنیم. همچنین در این فصل سعی داریم که روش­های موجود برای اصلاح هندسی سطح را آنالیز کنیم. براساس مواد ارزیابی شده، ما مطالب کلی مربوط به آینده درباره اصلاح هندسی سطح ایمپلنت­ های تیتانیوم را بدون تغییر ترکیب شیمیایی لایه سطحی به منظور بهبود خواص بیوپزشکی آن­ها بیان خواهیم کرد.

3-1-1 مقدمه

ساخت افزایشی(AM) اشاره به یکی از روش‌های ساخت دارد که در آن محصول نهایی با اضافه کردن پشت  سرهم منبع موادی بر پایه‌ی هندسه‌ی دیجیتالی مورد نظر، ساخته می‌شود[1,2]. روش AM اساساً با ساخت محاسباتی که شامل روش‌های کاهشی مثل ماشین‌کاری که در آن ماده به‌ صورت مکانیکی از بیلت اولیه با سایز بزرگ، حذف می‌شود، ریخته‌گری و آهنگری که در آن قالب اصلی یا حدیده برای ایجاد شکل هندسی مورد نظر استفاده می‌شود و ساخت که از اتصال زیرمجموعه‌های دلخواه ایجاد می‌شود، متفاوت می‌باشد. تفاوت بنیادی بین روش‌های ساخت قدیمی و افزایشی، باعث یک‌سری تکنیک‌های نوین و فرصت‌های تجاری شده که امکان تغییر عمیقی را در کارهای بالینی نتیجه می‌دهد.[3]