Nghiên cứu chế tạo và đặc tính của hợp kim Titan dùng làm các chi tiết gia cố, thay thế cho xương người.

- HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA HỢP KIM Ti DÙNG LÀM CÁC CHI TIẾT GIA CỐ, THAY THẾ XƯƠNG NGƯỜI Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- Các số liệu, các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.
- Cho phép tôi được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô tại Bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc, các thày cô ở học viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu cùng Viện đào tạo sau đại học – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận án.
- Đồng thời, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ – Bộ Công thương và phòng Thí nghiệm Công nghệ và các Hợp kim đúc, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ.
- 3 1.1 Giới thiệu về vật liệu y sinh.
- 3 1.1.2 Các loại vật liệu y sinh.
- Hợp kim y sinh nền Titan [12.
- Tình hình nghiên cứu về vật liệu y sinh trong nước.
- 22 2.1 Đặc điểm nấu luyện hợp kim titan.
- 27 2.2.2 Nấu luyện bằng lò cảm ứng chân không (VIM.
- Phương pháp nghiên cứu.
- Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu nấu luyện.
- Lưu trình thí nghiệm nấu luyện hợp kim Ti-6Al-7Nb bằng lò cảm ứng chân không VIM02.
- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
- Kết quả phân tích thành phần.
- 50 4.1.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học.
- 50 4.1.3 Kết quả phân tích thành phần tạp chất khí.
- Kết quả phân tích kim tương.
- 55 4.3.1 Kết quả phân tích kim tương sau đúc.
- 56 4.3.2 Kết quả phân tích kim tương sau nhiệt luyện.
- Kết quả phân tích EDX và Mapping.
- Kết quả kiểm tra độ cứng.
- Kết quả kiểm tra cơ tính.
- Kết quả phân tích XRD.
- So sánh kết quả với một số vật liệu y sinh khác và xương người.
- Thành phần hóa học hợp kim trung gian Ti-Al.
- Thành phần hóa học hợp kim trung gian Ti-Nb.
- Tính toán phối liệu mác hợp kim Ti-6Al-7Nb.
- Thành phần hóa học hợp kim titan Ti-6Al-7Nb.
- Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện ở các mức áp suất cân bằng.
- Kết quả đo độ cứng mẫu hợp kim Ti-6Al-7Nb trước và sau ủ.
- Kết quả kiểm tra cơ tính hợp kim Ti-6Al-7Nb.
- Thông số kết quả X-ray.
- Cơ tính của xương người tại các độ tuổi và một số vật liệu y sinh khác.
- Chế tạo và khảo sát hợp kim titan y sinh Ti-6Al-7Nb.
- Hệ thống lò nấu luyện cảm ứng chân không.
- 42 Hình 3.10.
- 43 Hình 3.11.
- Sơ đồ lưu trình thí nghiệm nấu luyện hợp kim Ti-6Al-7Nb bằng lò cảm ứng chân không VIM02.
- 44 Hình 3.12.
- Quy trình ủ mẫu hợp kim titan Ti-6Al-7Nb đúc.
- Vật liệu và nồi nấu sau khi nấu luyện ở các mức chân không.
- Mẫu hợp kim titan Ti-6Al-7Nb.
- Tổ chức tế vi hợp kim titan Ti-6Al-7Nb.
- Tổ chức tế vi mẫu hợp kim Ti-6Al-7Nb sau đúc và ủ 2h ở và 1000oC – nguội không khí: a1, b1, c1, d1, e1 X100 và a2, b2, c2, d2, e2 X500.
- Phổ EDX hợp kim titan Ti-6Al-7Nb (mức chân không 5.10-2 mBar.
- Ảnh mapping hợp kim Ti-6Al-7Nb (chân không 5.10-2mbar.
- 60 Hình 4.10.
- Biểu đồ độ cứng hợp kim Ti-6Al-7Nb phụ thuộc vào nhiệt độ ủ.
- 62 Hình 4.11.
- Biểu đồ sự phụ thuộc độ bền kéo và độ giãn dài theo nhiệt độ tôi hợp kim Ti-6Al-7Nb.
- 63 Hình 4.12.
- Kết quả phân tích XRD mẫu Ti-6Al-7Nb trước và sau khi ủ 700oC .
- 64 Hình 4.13.
- Biểu đồ giá trị mô đun đàn hồi của một số vật liệu và xương người 66 1 LỜI MỞ ĐẦU Titan và hợp kim của nó là một trong những nhóm hợp kim khó nóng chảy và là nguyên tố có hoạt tính khá mạnh khi ở trạng thái lỏng.
- Bởi vậy, titan và hợp kim của nó rất khó nấu đúc nên cần phải nấu luyện trong điều kiện đặc biệt như nấu trong lò chân không.
- Vật liệu làm nồi lò phải chịu được nhiệt độ cao và không tác dụng với titan.
- Vật liệu làm khuôn cũng cần phải có đặc tính tương tự như vật liệu nồi hoặc là với trường hợp là khuôn kim loại thì cần được xử lý tốt.
- Với những nghiên cứu gần đây, hợp kim titan đã có được những đặc tính tốt hơn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cho các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người.
- Ví dụ như: có khả năng tương thích trong môi trường dịch thể của con người, có độ bền và mô đun đàn hồi tương đương với xương, không bị ăn mòn, không gây tác dụng phụ lên cơ thể… Do vậy, hướng nghiên cứu phát triển hợp kim titan thay thế các bộ phận xương trong cơ thể con người cho thấy rất nhiều điều khả quan.
- Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn của vật liệu, với mong muốn làm sáng tỏ một số cơ sở lý thuyết của công nghệ, vấn đề “Nghiên cứu chế tạo và đặc tính của hợp kim Titan dùng làm các chi tiết gia cố, thay thế cho xương người” là đề tài được lựa chọn giải quyết trong luận án này.
- Mục đích của bản luận văn là xác định được quy trình công nghệ chế tạo vật liệu y sinh nền Titan, sau đó tiến hành kiểm tra cơ, lý tính vật liệu và so sánh với xương người.
- Để đạt được mục đích đó, tác giả tiến hành nghiên cứu như sau.
- Tổng quan về vật liệu y sinh 2  Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất chân không đến quá trình chế tạo và chất lượng hợp kim y sinh nền titan  Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất khí cân bằng đến quá trình nấu luyện hợp kim y sinh nền titan  Khảo sát tính chất cơ - lý của vật liệu y sinh nền titan  So sánh các kết quả với xương người và một số vật liệu y sinh khác Trong quá trình nghiên cứu đề tài còn những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu hơn, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến trao đổi của các thầy cô giáo cũng như của các đồng nghiệp và các nhà nghiên cứu để tác giả rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn.
- TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về vật liệu y sinh 1.1.1 Định nghĩa Vật liệu y sinh là bất cứ vật liệu nhân tạo được sử dụng để thay thế hoặc phục hồi chức năng cho một bộ phận của cơ thể và nó có thể tương tác liên tục hoặc không liên tục với dịch thể [1].
- Vật liệu y sinh là dòng vật liệu được phát triển trong khoảng 50 năm trở lại đây và việc nghiên cứu về vật liệu y sinh này được gọi là khoa học vật liệu y sinh.
- Khoa học vật liệu y tế bao gồm các yếu tố sau: y tế, sinh học, hóa học, kỹ thuật tế bào, và khoa học vật liệu.
- Hiệu năng làm việc của bất cứ vật liệu y sinh nào đều được đánh giá dựa trên hai tính chất sau: chức năng sinh học và tính tương thích sinh học.
- Với sự đa dạng của vật liệu trong các lĩnh vực ở thế kỷ 21 khiến cho việc thỏa mãn những nhu cầu về cơ lý tính cho dụng cụ chức năng thay thế trở nên dễ dàng.
- Vì thế, việc lựa chọn vật liệu y tế thường dựa trên vấn đề tương thích sinh học.
- Với khả năng chống nứt và phá hủy mỏi, kim loại được lựa chọn là vật liệu sử dụng làm khớp truyền tải.
- Khi kim loại và hợp kim được lưu tâm đến, thì tính nhạy cảm về ăn mòn và ảnh hưởng của ăn mòn tác dụng lên các mô là vấn đề chủ yếu cần quan tâm đến đối với khả năng tương thích sinh học.
- Hiện nay, để chống lại sự ăn mòn, ta sử dụng thép không gỉ 316L, hợp kim Co-Cr, và hợp kim nền titan.
- Những vật liệu này đều có lớp màng oxit mỏng và thụ động hóa học trong môi trường dịch thể.
- Thép không gỉ chịu ăn mòn kém nhất và chỉ được dùng làm bộ phận thay thế tạm thời.
- Hợp kim Titan và Co-Cr thì không bị ăn mòn trong cơ thể sống, mặc dù vậy các ion kim loại vẫn bị khuếch tán từ từ qua lớp màng oxit và tích lũy dần trong mô cơ thể.
- Khi các bộ phận kim loại thay thế trong cơ 4 thể, thông thường sẽ bị bao bọc bởi lớp thớ mô với chiều dày phụ thuộc số lượng và độc tính của sản phẩm hòa tan và lượng chất đào thải giữa phần thay thế và mô liền kề.
- Trái lại, sự phát triển của lớp thớ này lại dày hơn 2mm đối với vật liệu thép không gỉ.[2] 1.1.2 Các loại vật liệu y sinh Những loại vật liệu phổ biến nhất dùng cho y học thường là polymer, kim loại và gốm.
- Cho đến nay, đó là ba dạng vật liệu được sử dụng đơn lẻ và cũng có thể là tổ hợp tạo thành các bộ phận cấy ghép thay thế.
- Polyme Có một lượng lớn vật liệu cao phân tử được sử dụng làm bộ phận thay thế hoặc một phần trong hệ thống cần được cấy ghép.
- Hệ thống vật liệu này bao gồm acrylic, poly-amit, poly-este, poly-etylen, polysiloxane, polyurethane và một lượng lớn những vật liệu y tế tái chế.
- Một số những ứng dụng trong đó bao gồm sử dụng màng đồng trùng hợp etylen-vinyl- axetat (EVA) để kiểm soát quá trình đào thải và dùng axit poly-glycolic chỉ tự tiêu.
- Một số dạng vật liệu y tế polymer khác được sử dụng làm bộ phận nhân tạo trong tim, thận, gan, tụy, ruột, chất kết dính xương, ống đường tiểu, kính áp tròng, thay thế giác mạc, chữa tai trong và tai ngoài, van tim, bộ phận trợ tim, thay thế khớp, mạch máu nhân tạo, da nhân tạo và chỉ y tế.
- Kim loại Hệ vật liệu kim loại được sử dụng trong cơ thể người thường là.
- Hợp kim thép không gỉ trên cơ sở SUS 316L - Titan và hợp kim nền titan như: Ti-6Al-4V và titan nguyên chất thương mại 98,9%.
- Vật liệu được sử dụng vào mục đích cấy ghép thường là thép không gỉ SUS316L, Ti-6Al-4V và hợp kim nền coban loại “i” và “ii”.
- Hệ vật liệu khác hiện nay đang được lưu ý và đầu tư nghiên cứu nhiều nhất gồm có hợp kim nền coban loại “iii” và “iv”, và Niobi và hợp kim nhớ hình (Ti 45.
- Vật liệu tổ hợp Hiện nay những vật liệu tổ hợp dùng trong lĩnh vực nha khoa và bộ phận thay thế đều được sử dụng kết hợp chặt chẽ với nhau để phục vụ cho những mục đích khác.
- Điển hình như vật liệu nền poly-etylen cao phân tử siêu khối lượng cường lực bằng sợi cacbon.
- Vật liệu tổ hợp có sợi gia cường sau đó được sử dụng làm các bộ phận thay thế khác nhau như thanh nẹp xương và khớp nhân tạo.
- Kể từ khi vật liệu tổ hợp có cơ tính tương đương với sợi cacbon gia cố, thì việc thiết kế điều chỉnh cho bộ phận thay thế phù hợp với mục đích sử dụng là hoàn toàn khả thi.
- Vật liệu tổ hợp có được những đặc tính hiếm có và thường là bền hơn so với bất kỳ đơn vật liệu gốc đã tạo nên chúng.
- Những vật liệu thuộc lĩnh vực này có được những ưu điểm cần có khi làm việc và nếu sử dụng nó thì sự phát triển của các mô trên nó là một số vấn đề cần lưu tâm.
- Gốm 6 Vật liệu gốm thường được dùng làm bộ phận cấy ghép gồm có oxit nhôm, canxi photphat, apatit và grafit.
- Thủy tinh cũng được sử dụng để chế tạo các sản phẩm y tế.
- Vật liệu gốm được sử dụng nhờ có những ưu điểm sau: i) Trơ với môi trường của cơ thể ii) Dễ dàng tạo hình và nhiều độ xốp khác nhau iii) Chịu nén tốt iv) Trong một số trường hợp có khả năng chống mài mòn cực tốt Gốm được lựa chọn sử dụng làm các bộ phận như: a) Thay thế hông b) Gối nhân tạo c) Xương ghép d) Hàng loạt những ứng dụng liên quan được phát triển như: phẫu thuật chỉnh hình, nha khoa và van tim.
- Ứng dụng của vật liệu gốm bị hạn chế trong một số trường hợp do cơ tính kém như: trong kéo nén, chịu tải trọng, các bộ phận thay thế thường phải chịu ứng suất nén quan trọng cần phải được thiết kế và chế tạo tỉ mỉ nếu muốn sử dụng vật liệu gốm một cách an toàn.
- Vật liệu tự phân hủy Một dòng vật liệu khác được chấp nhận và ngày càng được lưu tâm đến là vật liệu tự phân hủy.
- Thông thường, khi vật liệu phân hủy trong cơ thể thì tính chất của nó bị thay đổi và làm giảm hiệu quả mong muốn.
- Mặc dù vậy, hoàn toàn có thể tính toán được hiệu năng của bộ phận thay thế và điều chỉnh sự phân rã của vật liệu và chức năng của nó tương tự như mô tự nhiên bị thay thế.[3] 1.1.3 Một số đặc tính chung của xương người [4] a) Cơ bản về cơ tính sinh học Có rất nhiều thông số cơ tính sinh học được sử dụng để mô tả tính chất của một chiếc xương nguyên vẹn

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt