مهندسی متالورژی

مهندسی متالورژی

ساخت کاشتنی دندانی متخلخل از جنس تیتانیم- نقره به روش تف‌جوشی به کمک جرقه پلاسما

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گلسا موسوی 1
جعفر جوادپور 2
بیژن افتخاری یکتا 3
حسن ثقفیان 4
1 دانشجوی دکتری رشته سرامیک، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران ، ایران.
2 استاد گروه سرامیک، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.
3 استاد گروه سرامیک، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران،
4 استاد گروه متالورژی صنعتی، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.
10.22076/me.2023.561603.1366
چکیده
کاشتنی­های­ دندانی جزو درمان­های متداول دندانپزشکی است و تیتانیم یکی از مواد پرکاربرد در این زمینه محسوب می­شود. نقره نیز به دلیل داشتن خاصیت آنتی­باکتریایی و کاهش احتمال عفونت پس از جراحی، یکی از گزینه­های مطلوب است. اما یک کاشتنی­ دندانی باید مدول یانگ کمتر و یا در محدوده استخوان فک داشته باشد تا پدیده محافظت تنشی اتفاق نیفتد. یکی از راه­های کاهش مدول یانگ، ایجاد تخلخل است. هدف از این تحقیق، ساخت کاشتنی دندانی از جنس تیتانیم- نقره، به روش تف­جوشی به کمک جرقه پلاسما (SPS) و با 20-25 درصد تخلخل است. برای این منظور، قطعاتی با ترکیب 1wt.% Ag-Ti و 3wt.% Ag-Ti، تحت دماهای C° 850 و C° 900 و فشار 10 مگاپاسکال و 30 مگاپاسکال ساخته شدند. نتایجXRD وSEM نشان دادکه نمونه­ها دارای ریزساختار آلفا تیتانیم به همراه حفره­هایی در مرز، با اندازه کمتر از 100 میکرون و با مورفولوژی کروی بودند. همچنین، نمونه ساخته شده تحت دمای C° 850 و فشار 10 مگاپاسکال دارای تخلخلی در حدود 20-25 درصد بود و نسبت به سایر نمونه­ها استحکام فشاری نزدیک­تری به استخوان فک داشت. داده­های آماری و مدل­سازی در نرم­افزار Design Expert نشان داد که با کاهش دما و فشار، تخلخل افزایش می­یابد؛ اما کاهش دما در ایجاد تخلخل تأثیرگذارتر است. با توجه به نمودارها می­توان نتیجه گرفت که بیشترین تخلخل، با حفظ خواص مکانیکی کاشتنی، در دمای C° 850، فشار 10 مگاپاسکال و یک درصد نقره حاصل شده است. همچنین، دما و زمان ساخت کاشتنی نسبت به روش­های متداول تف­جوشی تیتانیم، کاهش چشمگیری داشت.
کلیدواژه‌ها
تیتانیم
نقره
کاشتنی دندانی
تف‌جوشی به کمک جرقه پلاسما

عنوان مقاله English

Fabrication of Titanium-Silver porous dental implant using spark plasma sintering method

نویسندگان English

Golsa Mousavi 1
Jafar Javadpour 2
Bijan Eftekhari Yekta 3
Hasan Saghafian 4
1 PhD candidate, School of Metallurgical and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 Professor, Ceramic group, School of Metallurgical and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
3 Professor, Ceramic group, School of Metallurgical and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
4 Professor, industrial metallurgy group, School of Metallurgical and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

Dental implants are one of the most common treatments in dentistry and Titanium is one of the most widely used materials to make a dental implant. Silver is also a good choice because of its antibacterial properties and reduced risk of infection after surgery. But a dental implant should have a lower Young modulus than the jawbone to prevent stress shielding. One way to reduce the Young modulus is to create porosity. The aim of this study was to make a Titanium-Silver dental implant using spark plasma sintering (SPS) method with 20-25% porosity. For this purpose, parts were made with Ti -1wt.% Ag and Ti -3wt.% Ag, under temperatures of 900 °C and 850 °C and pressures of 10 MPa and 30 MPa. Results of XRD and SEM showed that the samples had alpha-Titanium microstructure with pore size of less than 100 microns with spherical morphology. Also, the sample made at 850 °C and 10 MPa is the best sample because it has 20-25% porosity and compressive strength close to the jawbone, compared to other samples. Statistical data and modeling in Design Expert software showed that porosity increases with decreasing temperature and pressure; but decreasing temperature is more effective in creating pores. According to the three-dimensional diagrams, it can be concluded that, the highest porosity, while maintaining the mechanical properties, was obtained at a temperature of 850 °C, pressure of 10 MPa and 1% Silver.

کلیدواژه‌ها English

Titanium
Silver
dental implants
Spark Plasma Sintering
]1[ هادیان، ا.، هادیان، ا. و هادیان د.، "دنیای ایمپلنت"، انتشارات نشر آروین، چاپ اول، 1375، ص. 193- 278.
[2] Pektas, O., "Design and mechanical analysis of a new dental implant that would mimic natural tooth with a periodontal ligament", Master thesis in Mechanical Engineering Department, Middle East Technical University, 2012, pp. 23.
[3] Kayabası, O., Yuzbasıoglu, E. and Erzincanlı, F., "Static, dynamic and fatigue behaviors of dental implant using finite element method", Journal of Advances in Engineering Software, vol. 37, no. 10, 2006, pp. 649-658.
]4[ عمید، ر.، "راهنمای بالینی کاربرد ایمپلنت­های دندانی به همراه معرفی سیستم­های معرفی شده"، انتشارات شایان نمودار، 1396.
[5] Medvedev, E., Molotnikov, A., Lapovok, R., Zeller, R., Berner, S., Philippe Habersetzer, P. and Dalla Torre, F., "Microstructure and mechanical properties of Ti-15Zr alloy used as dental implant material", Journal of the Mechanical behavior of biomedical Materials, vol. 62, 2016, pp. 384-398. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmbbm.2016.05.008
[6] Singh, S., Ramakrishnab, S. and Singh, R., "Material issues in additive manufacturing: A review", Journal of Manufacturing Processes, vol. 25, 2017, pp. 185–200.
[7] Cordeiro, M.J. and Bar˜ao, V.A.R., "Is there scientific evidence favoring the substitution of commercially pure titanium with titanium alloys for the manufacture of dental implants?", Journal of Materials Science and Engineering, C, vol. 71, 2017, pp. 1201-1215. doi: 10.1016/j.msec.2016.10.025
[8] Szaraniec, B. and Goryczka, T., "Structure and properties of Ti-Ag alloys produced by powder metallurgy", Journal of Alloys and Compounds, vol. 709, 2017, pp. 464-472.
[9] Lei, Z., Zhang, H., Zhang, E., You, J., Ma, X. and Bai, X., "Antibacterial activities and biocompatibilities of Ti-Ag alloys prepared by spark plasma sintering and acid etching", Journal of Materials Science and Engineering, vol.  92, 2018, pp. 121-131.
[10] Takahashi, M., Kikuchi, M., Takada, Y. and Okuno O., "Mechanical properties and microstructures of dental cast Ti-Ag and Ti-Cu alloys", Journal of Dental Materials, vol. 21, 2002, pp. 270-280.
[11] Oh, K.T., Shim, H.M. and Kim, K.N., "Properties of Titanium–Silver alloys for dental application", Journal of Biomedical Materials Research, vol. 74, 2005, pp. 649- 658.
[12] Arifin, A., Sulong, A.B., Muhamad, N., Syarif, J. and Ramli, M.I., "Material processing of hydroxyapatite and titanium alloy (HA/Ti) composite as implant materials using powder metallurgy: A review", Journal of Materials and Design, vol. 55, 2014, pp.165–175.
[13] Fellah, B.H. and Layrolle, P., "Sol–gel synthesis and characterization of macroporous calcium phosphate bioceramics containing microporosity", Journal of Acta Biomaterialia, vol. 5, no. 2, 2009, pp. 735-742.
[14] Basalah, A., Shanjani, Y., Esmaeili, S. and Toyserkani, E., "Characterizations of additive manufactured porous titanium implants", Journal of Biomedical Materials Research, Part B, vol. 100, no. 7, 2012, pp. 1970-1979.
[15] Karageorgiou, V. and Kaplan, D., "Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis", Journal of Biomaterials, vol. 26, 2005, pp. 5474–5491.
[16] Qian M. and Schaffer, G. B., "Sintering of advanced materials", Chapter 13: Sintering of Titanium and its alloys, Queensland, Australia and C. J. Bettles, Monash University, Australia, 2010, pp. 324-355.
[17] Ayodele, O.O., Shongwe, M.B., Obadele, B.A. and Olubambi, P.A., "Spark plasma sintering of Titanium-based Materials", In: Cavaliere P. (Ed.), Spark Plasma Sintering of Materials. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-05327-7_23, 2019, pp. 673-701.
[18] Falodun, O.E., Obadele, B.A., Oke, S.R., Ige, O.O., Olubambi, P.A., Lethabane, M.L. and Bhero, S.W., "Influence of spark plasma sintering on microstructure and wear behaviour of Ti-6Al-4V reinforced with nanosized TiN", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 28, 2018, pp. 47–54.
[19] Shi, M., Liu, Sh., Wang, Q., Yang, X. and Zhang, G., "Preparation and properties of Titanium obtained by spark plasma sintering of a Ti powder–fiber mixture", Journal of Materials, vol. 11, 2018. pp. 1-10. doi: 10.3390/ma11122510
]20[ احسانی، ن. و عبدالهی، ع.، "زینترینگ قطعات متالورژی پودر به کمک قوس پلاسما (SPS)"، مجله مهندسی ساخت و تولید ایران، شماره 46، 1392، ص. 35 -43.
[21] Yang, Y.F. and Qian, M., "Spark plasma sintering and hot pressing of titanium and titanium alloys". PP. 219-235, In: Qian, M. and Froes, F.H. (Eds.), Titanium Powder Metallurgy Science, Technology and Applications, Chapter 13, 2015.
[22] Shi, A., Zhu, C., Fu, S., Wang, R., Qin, G., Chen D., and Zhang, E., "What controls the antibacterial activity of Ti-Ag alloy, Ag ion or Ti2Ag particles?", Journal of Materials Science and Engineering, part C, vol. 109, 2020, 110548.
[23] Valenza, F., Artini, C., Passerone, A. and Luigia Muolo, M., "ZrB2–SiC/Ti6Al4V joints: Wettability studies using Ag- and Cu-based braze alloys", Journal of Materials Science, vol. 47, 2012, pp. 8439-8449.
[24] Callister, W.D., and Rethwisch, D.G., "Materials Science and Engineering, an Introduction", 9th ed., John Wiley, 2014, Chapter 7, pp. 196.
]25[ حقیقی، ف.، کریمی، ش.، سجادی، ز. و طالب پور، ز. 1392. " آشنایی با نرم­افزارهای کاربردی در علم شیمی". هشتمین سمینار آموزش شیمی ایران، دانشکده شیمی، دانشگاه سمنان، شهریورماه.

  • تاریخ دریافت 15 شهریور 1401
  • تاریخ بازنگری 16 فروردین 1402
  • تاریخ پذیرش 09 اردیبهشت 1402