Chế tạo hợp kim titan xốp ứng dụng làm vật liệu cấy ghép

Hợp kim Titan xốp, sự quan tâm chủ yếu là các nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu y sinh để chế tạo xương chân răng, các cấy ghép mô thay thế trong cơ thể con người,vì chúng đảm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là công trình nghiên cứu của Tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được công

bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu hoặc cơ sở nào trước đây

Người cam đoan

Hoa Xuân Hòa

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn Cơ học Vật liệu và Cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Đặng Thủy người đã tận tình định hướng, hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Văn Dũng người đã đóng góp những ý kiến xác thực góp phần hoàn chỉnh luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè,

sự động viên, tạo mọi điều kiện về vật chất và tinh thần của gia đình và người thân trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành ghi nhớ mọi sự giúp đỡ quý báu đó !

Tác giả

Hoa Xuân Hòa

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN HỢP KIM TITAN XỐP 2

1.1 Giới thiệu chung về hợp kim Titan xốp 2

1.2 Các tính chất cơ học của mô xương 4

1.3 Tính tương thích sinh học 11

1.4 Hợp kim Titan mô đun đàn hồi thấp kiểu β 12

1.5 Đặc trưng của các hợp kim Titan xốp 16

1.5.1 Một vài nét chung về hợp kim Titan xốp 16

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của hợp kim Titan xốp 17

1.6 Thiết kế vật liệu hợp kim Titan xốp dùng làm cấy ghép chân răng 22 1.7 Kết luận 24

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 25

2.1 Phương pháp thiêu kết thông thường 27

2.2 Phương pháp thiêu kết Space Holder 29

2.3 Phương pháp thiêu kết xung plasma 33

2.4 Phương pháp tự sinh nhiệt 36

2.5 Phương pháp ép đẳng tĩnh 39

2.6 Các phương pháp khác 40

2.7 Kết luận 43

CHƯƠNG 3 – KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT 45

3.1 Công đoạn nghiền trộn cơ học 46

3.1.1 Thiết bị phối liệu 46

3.1.2 Tính toán phối liệu 46

3.1.3 Thiết bị trộn đồng đều hóa thành phần 52

3.1.4 Trộn đồng đều thành phần 53

3.2 Công đoạn ép đóng bánh tạo hình sơ bộ 55

3.2.1 Thiết bị ép đóng bánh hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr 55

3.2.2 Phương pháp ép 55

3.2.3 Áp lực ép tạo hình sơ bộ 56

3.3 Công đoạn thiêu kết 57

3.3.1 Mục đích 57

3.3.2 Chế độ thiêu kết 58

3.3.3 Thiết bị thiêu kết 60

3.3.4 Quy trình thực nghiệm thiêu kết 63

CHƯƠNG 4 – XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT 64

4.1 Xác định độ xốp mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr 64

4.2 Xác định mô đun đàn hồi mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr 67

4.3 Tổ chức tế vi mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr 70

4.4 Kết quả quá trình phân rã thiêu kết 75

4.5 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa công nghệ chế tạo hợp kim Titan xốp 78

4.5.1 Giới thiệu phương pháp 78

4.5.2 Mô hình nghiên cứu 79

4.6 Chế thử mẫu hợp kim Titan xốp bằng phương pháp phân rã thiêu kết có chất tạo độ xốp (Space Holder) trên lò chân không cao 82

4.6.1 Kết quả xác định thành phần pha 84

4.6.2 Kết quả xác định độ xốp mẫu sau thiêu kết 86

4.6.3 Kết quả xác định mô đun đàn hồi mẫu sau thiêu kết 86

4.6.4 Kết quả xác định hình ảnh/tổ chức tế vi mẫu sau thiêu kết 88

4.7 Kết luận 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

SHS: Phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền

(self-propagating high-temperature synthesis)

VS : Thiêu kết chân không (Vacuum Sintering)

HIP : Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing)

SPS : Thiêu kết xung plasma (Spark Plasma Sintering)

SEM : Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microcopy) XRD : Phổ nhiễu xạ tia Rơn-ghen (X-ray Diffraction)

ρ : Tỷ trọng

Ø : Độ xốp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ lý của vỏ xương người sau khi thử kéo

Bảng 1.2 Chỉ tiêu cơ lý của lớp vỏ xương người sau khi thử nén

Bảng 1.3 Chỉ tiêu cơ lýcủa lớp xương xốp trong xương người sau khi thử nén

Bảng 1.4 Tính chất cơ học của hợp kim pha β,ω, α', α" ứng dụng trong y

học

Bảng 1.5 Chọn lọc các hợp kim mô đun đàn hồi thấp Ti pha β, mới phát

triển gần đây

Bảng 2.1 Độ xốp tổng và độ xốp hở của khối Titan sau khi thiêu kết với cỡ

hạt và điều kiện thiêu kết khác nhau

Bảng 2.2 Một vài hợp chất được sản xuất bằng phương pháp SHS

Bảng 4.3 Điều kiện thí nghiệm được chọn

Bảng 4.4 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm

Bảng 4.5 Kết quả xác định độ xốp

Bảng 4.6 Kết quả xác định mô đun đàn hồi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo xương người

Hình 1.2 Đường cong ứng suất- biến dạng của hợp kim Ti-20Nb-15Zr với

hàm lượng NH4HCO3 khác nhau

Hình 1.3 Đường cong ứng suất biến dạng của xương người và một số vật

liệu kim loại thay thế

Hình 1.4 Mô đun đàn hồi của xương người và các vật liệu y sinh thường

sử dụng

Hình 1.5 Các nguyên tố và sự tương thích sinh học

Hình 1.6 Ảnh hương của tỷ trọng đến mô đun đàn hồi và độ bền của mẫu

sau thiêu kết

Hình 1.7 Sự tác động của độ xốp đến ngưỡng biến dạng dẻo của vật liệu Hình 1.8 Ảnh hưởng của kích thước lỗ xốp đến độ bền nén và mô đun đàn

hồi của vật liệu khi thử mẫu có độ xốp 64%

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình của

vách lỗ xốp và kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa trong

xương

Hình 1.10 Ảnh hưởng của lực ép đến độ xốp của vật liệu

Hình 1.11 Đinh vít chân răng

Hình 2.1 Sơ đồ thiêu kết Titan xốp bằng phương pháp Space holder

Hình 2.2 Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau khi chế tạo bằng phương pháp Space

holder với lỗ xốp macro/micro

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo hợp kim xốp Titan và hợp kim

Titan bằng phương pháp SPS

Hình 2.4 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu Titan xốp có độ xốp 55% với kích

thước lỗ xốp 125 µm (a); 250 µm (b); 400 µm (c); và 800 µm (d)

Hình 2.5 Quan hệ nhiệt độ – thời gian trong phản ứng SHS.

Hình 2.6 Các bước cơ bản trong quá trình tổng hợp NiTi bằng phương

pháp SHS

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của mẫu NiTi khi sử dụng (NH4HCO3) làm chất

tạo xốp trong HIP với a) 0% và b) 8.3%

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp thiêu kết vi sóng

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIM

Hình 2.10 Thiết bị máy ép trục vít (MIM)

Hình 2.11 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu chế tạo bằng phương pháp ép trục vít.Hình 2.12 Phương pháp đúc để tạo mẫu xốp

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm chế tạo hợp kim y sinh Titan xốp.Hình 3.2 Cân điện tử Scientech độ chính xác 10-4 g

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột TiH2 nguyên liệu

Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Nb nguyên liệu

Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Zr nguyên liệu

Hình 3.6 Máy trộn tang trống

Hình 3.7 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr

sau quá trình trộn đồng đều thành phần (X200 và X2000)

Hình 3.8 Máy ép thủy lực 1000 KN hãng STENHØJ

Hình 3.9 Khuôn và chày ép

Hình 3.10 Sự phụ thuộc của tỷ trọng vào áp lực ép

Hình 3.11 Sơ đồ quy trình thiêu kết

Hình 3.12 Giản đồ pha của Ti – Nb

Hình 3.13 Giản đồ pha của Nb – Zr

Hình 3.14 Giản đồ pha của Ti-Zr

Hình 3.15 Lò thiêu kết một ống SRJX-2-13

Hình 4.1 Máy thử cơ tính MTS 809.10

Hình 4.2 Kính hiển vi điện tử quét JSM-7600F

Hình 4.3 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sản phẩm sau thiêu kết

11500C trong 3h (X500 và X1000)

Hình 4.4 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sản phẩm sau thiêu kết

11500C trong 3h (X2000 và X2500)

Hình 4.5 Máy phân tích Rơnghen D5005 – SIEMENS

Hình 4.6 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau khi thiêu

kết

Hình 4.7 Mô hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm

Hình 4.8 Lò thiêu kết chân không cao 10-5 tor

Hình 4.9 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau khi thiêu

kết

Hình 4.10 Đường cong ứng suất biến dạng mẫu 40% chất tạo xốp

Hình 4.11 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sau thiêu kết 11500C trong

3h (X2000 và X2500) Hình 4.12 Hình ảnh mẫu sau thiêu kết có chất phụ gia tạo độ xốp trên lò

chân không cao

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới, vật liệu Titan xốp với các tính chất độ xốp cao,

mô đun đàn hồi thấp đang thu hút được rất nhiều nghiên cứu và các lĩnh vực ứng dụng khác nhau Vật liệu Titan xốp đặc do đặc tính xốp và mô đun đàn hồi thấp nên chúng thường được ứng dụng dưới dạng vật liệu y sinh trong lĩnh vực cấy ghép nha khoa, thay thế và chỉnh hình một phần hoặc toàn bộ một bộ phận cơ thể đã bị hư hỏng, thoái hoá hoặc tổn thương do tai nạn các bộ phận thường phải thay thế bao gồm: Đĩa đệm thoái hoá, xương vỡ, đầu khớp háng thoái hoá, chân răng Hợp kim Titan xốp, sự quan tâm chủ yếu là các nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu y sinh để chế tạo xương chân răng, các cấy ghép mô thay thế trong cơ thể con người,vì chúng đảm bảo được các điều kiện như: Tính chất cơ học, có độ bền cao chịu được tải trọng tác dụng sinh lý của cơ thể trong một thời gian lâu dài hoặc cho đến suốt đời mà không bị hư hỏng hoặc phẫu thuật lại Tính tương thích sinh học tuyệt vời, không tác động lên cơ thể, nói một cách khác không tạo nên ion kim loại và các nguyên tố hợp kim không bị hòa tan vào các huyết thanh trong cơ thể, đáp ứng các yêu cầu tối quan trọng của vật liệu cấy ghép tốt hơn

so với vật liệu khác, chẳng hạn như thép không gỉ, hợp kim Cr-Co, niobi và tantalum.Ở dạng xốp, các mô xương và mô cơ trong cơ thể người có thể phát triển đi vào các lỗ xốp của hợp kim này và tạo nên liên kết giữa xương nhân tạo và mô cơ thể, hơn nữa độ xốp lớn với tỷ lệ độ xốp hở liên thông cao có thể đảm bảo cho chất dịch của cơ thể dễ dàng truyền qua sau khi cấy ghép

Ở Việt Nam, các vật liệu y sinh hiện nay đều phải nhập khẩu từ nước ngoài, chúng rất đắt trong khi đó nhu cầu thay thế rất lớn làm cho các chi phí

y tế tăng lên nhiều Do vậy việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xuất vật liệu

y sinh là một hướng nghiên cứu phù hợp và là đòi hỏi cần thiết Đó chính là

một trong những lý do tác giả lựa chọn đề tài: “Chế tạo hợp kim Titan xốp

ứng dụng làm vật liệu cấy ghép”trong điều kiện thí nghiệm hiện có ở Việt

Nam, sự thành công của đề tài luận văn sẽ là nền tảng bước khởi đầu trong việc chế tạo vật liệu y sinh, thay thế các vật liệu nhập ngoại

Luận văn được thực hiện theo chương trình nghiên cứu của đề tài cấp

Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số B2015-01-96

CHƯƠNG 1– TỔNG QUAN HỢP KIM TITAN XỐP

1.1 Giới thiệu chung về hợp kim Titan xốp

Với sự phát triển của nền khoa học, kinh tế tuổi thọ con người ngày càng cao, đi kèm theo đó là nhu cầu chăm sóc sức khỏe cũng tăng lên số lượng người cao tuổi có nguy cơ cao bị hư hỏng mô cứng như xương khớp và việc thay thế chúng tăng lên nhanh chóng vì vậy nhu cầu của vật liệu sinh học tăng theo Người ta ước tính rằng 70% -80% các ca cấy ghép y sinh được làm bằng vật liệu kim loại Cấy ghép bằng vật liệu kim loại là rất quan trọng cho việc tái tạo mô cứng bị hư hỏng như các xương khớp Các điều kiện chấp nhận của vật liệu cấy ghép bao gồm mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao, chịu mài mòn tốt, khả năng chống ăn mòn và khả năng tương thích sinh học cao là những đặc điểm mà các nhà nghiên cứu đã và đang theo đuổi trong tương lai

Cho đến nay, đã có một số lượng lớn các loại vật liệu y sinh được nghiên cứu và ứng dụng, trong đó vật liệu kim loại đóng góp một tỷ trọng không nhỏ, chủ yếu là thép không gỉ và hợp kim xốp trên nền Titan Trong số các vật liệu kim loại, titan và hợp kim của nó được tìm ra ngày càng nhiều và được coi như là vật liệu thích hợp nhất cho các ứng dụng y sinh, vì chúng đảm bảo được các điều kiện như: Tính chất cơ học, có độ bền cao chịu được tải trọng của cơ thể tác dụng trong một thời gian dài hoặc cho đến suốt đời mà không bị hư hỏng hoặc phẫu thuật lại Tính tương thích sinh học tuyệt vời, không tác động lên cơ thể, nói một cách khác không tạo nên ion kim loại và các nguyên tố hợp kim có khả năng hòa tan vào các huyết thanh trong cơ thể, đáp ứng các yêu cầu tối quan trọng của vật liệu cấy ghép và tốt hơn so với vật liệu khác, chẳng hạn như thép không gỉ, hợp kim Cr-Co, Niobi và Tantalum

Ngày nay, các loại hợp kim xốp trên nền Titan này vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, phát triển và ứng dụng làm vật liệu cấy ghép trong y học nói

chung và nha khoa nói riêng, thay thế và chỉnh hình một phần hoặc toàn bộ một bộ phận cơ thể đã bị hư hỏng, thoái hoá hoặc tổn thương do tai nạn các bộ phận thường phải thay thế bao gồm: Đĩa đệm thoái hoá, xương vỡ, đầu khớp háng thoái hoá, chân răng Ngoài ra, Các loại ống hợp kim nhớ hình Titan-Niken được sử dụng trong điều trị bệnh nhân bị tắc nghẽn mạch máu, các loại hợp kim Titan nhớ hình được sử dụng làm nẹp xương Các hợp kim Titan xốp có thể giữ cố định sinh học tốt thông qua các mô xương xốp mọc liên thông vào mạng lỗ xốp của vật liệu và các lỗ xốp cũng chính là đường lưu thông các chất lỏng và máu ổn định cho các mô xương mới

Các vật liệu y sinh bằng gốm xốp tuy chống ăn mòn cao nhưng có thể

hư hỏng do quá giòn, hoặc các polyme không thể chịu đựng được trọng lượng

cơ thể trong các phẫu thuật thay khớp, nhưng vật liệu kim loại xốp trên nền Titan có thể khắc phục được các nhược điểm này Bởi vì, vật liệu kim loại xốp có độ bền cơ học và độ dẻo dai cao, rất cần thiết và quan trọng nhất đối với vật liệu y sinh trong điều kiện chịu lực, do các tính chất cơ học cao và tính tương thích sinh học tuyệt vời của chúng Đối với vật liệu hợp kim xốp Titan, Niobium, và Zirconi (Ti-Nb-Zr) làm chân răng, mà đề tài lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu được xác định là bộ phận tiếp giáp giữa xương hàm tự nhiên và đinh vít titan để cấy ghép chân răng, do đó nó cần phải đảm bảo các tính chất sau: Độ xốp đạt (50-60)%, mô đun đàn hồi thấp khoảng dưới 50 GPa, độ bền mỏi tốt, các tính chất cơ học khác như độ bền, độ cứng giống như xương hàm Mặt khác, vật liệu kim loại đôi khi có độc tính và bị phá hủy

vì do ăn mòn và hư hỏng do ứng suất cơ học gây ra.Vì vậy, việc nghiên cứu

và phát triển các hợp kim xốp mới đang thu hút sự quan tâm rộng rãi của các nhà nghiên cứu vật liệu sinh học Mục đích của việc nghiên cứu và phát triển như sau:

- Để loại bỏ các yếu tố độc hại;

- Giảm mô đun đàn hồi để tránh tạo ra chênh lệch ứng suất giữa xương

tự nhiên và mô cấy ghép;

- Để cải thiện khả năng tương thích sinh học của các mô và máu;

- Để thu nhỏ các thiết bị y tế

Ở góc độ vật liệu kim loại, cần phải chế tạo ra hợp kim có cả tính chất

cơ học phù hợp vừa phải có tính chống ăn mòn và tương thích sinh học với bộ phận thay thế trong cơ thể người Như vậy, trong số các vật liệu kim loại, hợp kim xốp Titan, Niobium, và Zirconi (Ti-Nb-Zr) mà đề tài lựa chọn làm đối tượng nghiên cứulà vật liệu thích hợp nhất cho các ứng dụng làm cấy ghép và cho đến nay đã phát triển rất mạnh mẽ về chủng loại, công nghệ chế tạo, cũng như ứng dụng Việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ mới, phù hợp để chế tạo các sản phẩm hợp kim Titan trong đó có hợp kim Titan xốp ứng dụng trong y học ở Việt nam là rất quan trọng Trong phạm vi chương 1 các yêu cầu về tính chất đối với vật liệu cấy ghép trong cơ thể người sẽ được phân tích,

từ đó thiết kế vật liệu dùng làm cấy ghép cho chân răng

1.2 Các tính chất cơ học của mô xương

Trong phần này, các kết quả đo đạc tính chất cơ học của xương người

sẽ được trình bày, làm cơ sở để lựa chọn được vật liệu phù hợp Về cấu trúc, như trình bày trên (hình 1.1), xương người gồm hai lớp chính, lớp ngoài đặc chắc, lớp trong có dạng xốp với cấu tạo khung dạng que hoặc dạng tấm Lớp

vỏ xương là lớp chịu lực, lớp xốp có tác dụng để máu và các dòng dịch lưu chuyển, cũng như để cơ bám vào Có sự khác biệt rõ rệt về cơ tính ở các độ tuổi khác nhau và có sự khác biệt giữa nam và nữ Các chỉ tiêu cơ lý của lớp

vỏ và lớp xốp bên trong của xương người sau khi thử kéo được trình bày trên (bảng 1.1) [3] và sau khi thử nén được trình bày trên (bảng 1.2) và (bảng 1.3) [ 3 ]

Việc quyết định lựa chọn các loại vật liệu thay thế trong cơ thể người dựa trên tính chất cơ học tương thích Vì thế các tính chất cơ lý của Titan xốp được lựa chọn cần thiết phải thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu về cơ lý tính đối với xương người Mô đun đàn hồi và độ bền nén của vỏ và lõi xương con người tương ứng khoảng (4-30) GPa và (20-193) MPa, (0,2-2) Gpa và (2-80) MPa Độ bền cao nhất của xương vỏ não con người vào khoảng (110-184) Mpa Giới hạn chảy dẻo của xương đùi và xương chày trong phạm vi (104-121) Mpa và (120-140) MPa Vì vậy, titan và hợp kim thiết kế cho vật liệu implant cần phải có độ bền cao và mô đun đàn hồi thấp, tính chất cơ học càng giống xương tại nơi thay thế càng tốt Trên (hình 1.3) trình bày đường cong ứng suất biến dạng của một số kim loại và xương người [ 3 ], ta thấy hợp kim Titan là phù hợp nhất, trong trường hợp đó là NiTi

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ lý của vỏ xương người sau khi thử kéo [ 3 ]

Giới hạn chảy (MPa)

Giới hạn bền (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Biến dạng tới hạn

Tỷ trọng (g/cm 3 )

Hình 1.1 Cấu tạo của xương người

Hình 1.2 Đường cong ứng suất- biến dạng của hợp kim Ti-20Nb-15Zr với hàm lượng NH 4 HCO 3 khác nhau: (a) 0% NH 4 HCO 3 (b) 20%

NH HCO ; (c) 35% NH HCO ; (d) 50% NH HCO

Bảng 1.2 Chỉ tiêu cơ lý của lớp vỏ xương người sau khi thử nén [3]

Giới hạn bền (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Độ cứng (MPa)

Hình 1.3 Đường cong ứng suất biến dạng của xương người và một số

vật liệu kim loại thay thế

Bảng 1.3 Chỉ tiêu cơ lý của lớp xốp trong xương người sau khi thử nén

Giới hạn bền (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Biến dạng tới hạn (%)

Tỷ trọng

không phù hợp giữa xương và vật liệu cấy ghép, hiện tượng này gọi là sự

không tương thích cơ sinh học

Đối với khả năng tương thích cơ sinh học được đánh giá bằng sự tương đồng về giá trị của mô đun đàn hồi giữa xương và vật liệu được cấy ghép (Hình 1.4) trình bày giá trị mô đun đàn hồi của các hợp kim y sinh học thường được sử dụng nhất và so sánh với xương người Các vật liệu kim loại y sinh hầu hết được sử dụng cho những bộ phận chịu tải trọng như hông, háng, đầu gối và chân răng Titan và các hợp kim có mô đun đàn hồi thấp hơn so với các hợp kim khác như Co-Cr và thép không gỉ 316 Tuy nhiên, các loại vật liệu cấy ghép đang được sử dụng hiện nay như: thép không gỉ (190-210) GPa, hợp kim Co-Cr (210-253) MPa vàHợp kim Ti (55-110) Mpađều có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với các mô xương mà chúng thay thế Sự đào thải do chênh lệch ứng suất còn xảy ra do không phù hợp độ cứng, phần kim loại thay thế cứng và chịu tải trọng chính, trong khi đó mô xương mềm không có tác động của ứng suất Để tránh sự tác động do chênh lệch ứng suất lên các vùng xương bên cạnh của vật liệu cấy ghép, người ta thường nới lỏng để kích thích lớp mô xương mới sẽ hình thành và phát triển xung quanh vật liệu cấy ghép,

từ đó dần dần đạt được sự tương thích mong muốn Nói chung, mô đun đàn hồi của hầu hết các kim loại cấy ghép thường lớn hơn của các mô cứng khoảng 10-20 lần

Vật liệu có mô đun đàn hồi thấp kích thích sự hình thành và phát triển của các mô xương, tạo ra quá trình truyền ứng suất giữa vật liệu cấy ghép và xương Và vì thế nên thiết kế hoặc lựa chọn loại vật liệu có mô đun đàn hồi phù hợp với xương người để giảm quá trình đào thải do chênh lệch ứng suất gây ra

Hình 1.4 Mô đun đàn hồi của xương người và các vật liệu y sinh thường

sử dụng 1.3 Tính tương thích sinh học

Một cách lý tưởng, yêu cầu tương thích sinh học với vật liệu y sinh là trơ với cơ thể người, không gây ra bất kỳ một tác động nào đến cơ thể người, phẫu thuật cấy ghép có thành công hay không, phụ thuộc hoàn toàn vào phản ứng của cơ thể đối với các nguyên tố trong vật liệu cấy ghép, điều đó đánh giá mức độ tương thích sinh học của vật liệu Phản ứng đến cơ thể và sự thoái hóa của vật liệu theo thời gian trong cơ thể là hai thông số tương thích sinh học chính Hiểu được tác động của mỗi nguyên tố là điều quan trọng đầu tiên, vì chúng có thể hòa tan vào cơ thể gây ra viêm nhiễm, nhiễm độc cục bộ cũng như toàn bộ cơ thể

(Hình 1.5) trình bày tính an toàn của các kim loại sử dụng làm vật liệu cấy ghép bao gồm có (a) Khả năng gây độc của các nguyên tố và (b) quan hệ giữa kháng phân cực và tính tương thích của kim loại nguyên chất Từ hình vẽ

có thể thấy rằng, các nguyên tố Ti, B, Mg, Si, P, Ca, Sr, Zr, Nb, Mo, Pd, In,

Sn, Ta, Pt, Au chúng có tính tương thích sinh học cao, trong khi đó các

nguyên tố có hại bao gồm Be, Al, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, V là độc tố, đã được thông báo rộng rãi Al có thể gây ra một số bệnh tật nhất định Kawahara cũng đã báo cáo rằng kim loại V và Fe là các yếu tố gây độc tế bào, trong khi Ti, Nb, Ta, Zr và Sn là những yếu tố gây độc tế bào thấp Các yếu tố không độc hại như Nb, Ta, Zr, Mo và Sn được chọn để thiết kế mới hợp kim Titan loại β với mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt

Hình 1.5 Các nguyên tố và sự tương thích sinh học

a) Khả năng gây độc của các nguyên tố; và (b) quan hệ giữa kháng phân

cực và tính tương thích của kim loại nguyên chất [ 3 ]

1.4 Hợp kim Titan mô đun đàn hồi thấp kiểu 

Nghiên cứu và phát triển hợp kim Titan không chỉ quan tâm đếnsự an toàn sinh học của các nguyên tố đối với cơ thể, mà còn phải quan tâm cả đến tính tương thích cơ sinh học Tóm tắt ngắn gọn cơ bản về các tính chất cấu trúc của của hợp kim Titan nhằm tăng cường hơn sự hiểu biết khi sử dụng trong y học.Ti tồn tại ở hai dạng thù hình và tính đa dạng của tổ chức tế vi của các hợp kim Titan phụ thuộc vào hiện tượng thù hình của chúng Ti có sự

chuyển biến thù hình ở 882,3°C, dưới nhiệt độ này nó có dạng thù hình lục giác xếp chặt (HCP), được gọi là pha α, trong khi đó, khi nhiệt độ lớn hơn 882,3°C, dạng thù hình của nó là lập phương tâm khối (BCC) gọi là cấu trúc pha β Titan có thể tạo thành dung dịch rắn với các nguyên tố khác nhau, và vì thế nhiệt độ cân băng pha α và pha β có thể dao động phụ thuộc vào hàm lượng Ti và các nguyên tố thay thế và xen kẽ trong mạng tinh thể

Hai pha cơ bản trong hợp kim Ti là pha α và pha β Sau khi xử lý nhiệt như: ủ, xử lý nhiệt trong dung dịch, làm nguội hoặc hóa già, pha β có thể chuyển sang phaω, α', α" hoặc pha β khi làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao Pha

ω là pha không mong muốn vì nó có mô đun đàn hồi cao nhất và mô đun pha α" là mong muốn cho các hợp kim nhớ hình Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến thành phần pha và tính chất cơ học của hợp kimTi Nồng độ các nguyên tố hợp kim nên ít hơn 20% khối lượng, nếu như hàm lượng nguyên tố hợp kim quá cao có thể tăng quá trình tiết pha ω, theo đó làm tăng độ bền và mô đun đàn hồi của hợp kim Titan kiểu β

Tính chất cơ học của các hợp kim titan kiểu α, (α+β) và β được trình bày trên (bảng 1.4) Hợp kim Titan kiểu β có độ bền và mô đun đàn hồi thấp cũng như tính dẻo cao hơn so với các kiểu còn lại α hoặc (α+β) Các nhà nghiên cứu đã xác minh ưu điểm của vật liệu y sinh với mô đun đàn hồi thấp liên quan đến sự hàn gắn với xương và tự định dạng thông qua các thí nghiệm trên cơ thể của thỏ, và cuối cùng chứng minh rằng hợp kim titan mô đun đàn hồi thấp có cải thiện tốt hơn sự chuyển đổi ứng suất giữa xương và vật liệu cấy ghép Nó có hiệu quả làm cản lại quá trình ăn mòn và nâng cao quá trình

tự hồi phục của xương Điều này đã khuyến khích các nhà khoa học vật liệu nghiên cứu phát triển các hệ vật liệu cấy ghép có mô đun đàn hồi thấp và tính tương thích của các nguyên tố với cơ thể con người

Hợp kim Titan kiểu β mới phát triển gần đây là lựa chọn cho các ứng dụng trong y học được trình bày trên (bảng 1.5), trong bảng trên bao gồm cả

mô đun đàn hồi cùng với các phương pháp chế tạo Mô đun đàn hồi tương ứng với độ cứng của vật liệu và lực liên kết trong cấu trúc mạng tinh thể Bổ sung thêm các nguyên tố tạo pha β nhằm thúc đẩy quá trình β hóa nhằm đạt được mô đun đàn hồi thấp Mô đun đàn hồi của Ti thương mại khoảng 105 GPa, hợp kim Ti-6Al-4V chứa pha loại (α+β) khoảng 110 GPa, và hợp kim titan kiểu pha β có thể đạt được rất thấp khoảng 52 GPa, so sánh với mô đun đàn hồi của các hợp kim khác ta thấy, thép không gỉ 316 là (190–210) GPa và hợp kim Co-Cr là (210–253) GPa, hợp kim Titan có mô đun đàn hồi thấp phù hợp nhất với mô đun đàn hồi của xương người Tính chất cơ học, độ chịu mài mòn và ăn mòn liên quan trực tiếp đến tổ chức tế vi, cỡ hạt, suy cho cùng là liên quan đến thành phần

Bảng 1.4 Tính chất cơ học hợp kim Ti pha β,ω, α', α"dùng trong y học [3]

Tên hợp kim

Giới hạn chảy MPa

Giới hạn kéo Mpa

Ti-6Al-4V ELI (ủ) 860-965 795-875 10-15 101-110 ASTM F 136

ISO(5832-3) Ti-6Al-4V ( Ủ ) 895-930 825-869 6-10 110-114 ASTM F 1472

ISO(5832-3) Ti-6Al-7Nb (Rèn) 900-1050 880-950 8.1-15 114 ASTM F 1295

ISO(5832-11) Ti-5Al-2.5Fe ( Đúc) 1020 895 15 112 ASTM F 136

ISO(5832-10) Loại β

Ti-13Nb-13Zr (Hóa già) 973-1037 836-908 10-16 79-84 ASTM F 1713 Ti-12Mo-6Zr-2Fe ( ủ) 1060-1100 1000-1060 18-22 74-85 ASTM F 1813

Ti-15Mo-5Zr-3Al ( Ủ ) 852-1100 830-1060 18-25 80 JSI T 7401-6 Ti-35Nb-7Zr-5Ta (Ủ) 597 547 19 55 Task Force F-

Bảng 1.5 Chọn lọc các hợp kim mô đun đàn hồi thấp Ti pha β, mới phát

triển gần đây Hợp kim Titan pha β Phương pháp chế tạo Mô đun (Gpa)

Ti-29Nb-13Ta-4Mo Nóng chảy / hòa tan / hóa già 50-80 Ti-29Nb-13Ta-6Sn Nóng chảy / hòa tan / hóa già 65-70 Ti-29Nb-13Ta-4.6Sn Nóng chảy / hòa tan / hóa già 55-78 Ti-29Nb-13Ta-2Sn Nóng chảy / hòa tan / hóa già 45-48 Ti-30Nb-10Ta-5Zr Thiêu kết / ép nóng đẳng tĩnh 66,9

Ti-30Zr-3Cr-3Mo Nhiệt luyện hòa tan / cán nguội 66/78

Ti-50Ta Nhiệt luyện hòa tan / hóa già 77/88/93

Ti30Zr (5,6,7)Mo Nhiệt luyện hòa tan 75/63/66

Ti-36Nb-2.2Ta-3.7Zr-0.3O Xoắn áp suất cao 43-65

1.5 Đặc trưng của các hợp kim Titan xốp

1.5.1 Một vài nét chung về hợp kim Titan xốp

Hợp kim Titan xốp chứa các lỗ xốp với các kích thước dạng macro/micro cho sự phát triển của mô xương, sự phân bố của các mạch máu, đường vận chuyển chất dinh dưỡng, chất thải Các tính toán đã chỉ ra rằng, sự

tồn tại của các lỗ xốp kín hoặc hở trong hợp kim Titan xốp không những vẫn giữ được độ bền cao, biến dạng dẻo lớn mà còn tạo ra mô đun đàn hồi thấp Theo công thức: Efoam∝ (ρfoam/ρbulk) (1.1)

Trong đó:

ρfoam và ρbulk Tương ứng là tỷ trọng của vật liệu xốp và vật liệu đặc

Mô đun đàn hồi của hợp kim Ti xốp có thể được tạo ra trong khoảng tương đối rộng Các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng, nền xốp sử dụng làm vật liệu cấy ghép cần phải đáp ứng các yêu cầu sau đây:

- Cấu trúc lỗ xốp cần phải liên thông với nhau để tạo ra khoảng không cần thiết cho tế bào phát triển, các mạch máu bám vào và cho sự vận chuyển của các dạng chất trong cơ thể

- Có độ xốp tương đối cao (>50%) kích thước tối ưu của lỗ xốp nằm trong khoảng (300–400) μm hoặc (200–500) μm để các mô xương có thể bám vào

và phát triển Nếu độ xốp không đạt được như vậy thì các mô xương không thể phát triển, máu và chất dinh dưỡng không thể cung cấp được một cách hiệu quả

- Mô đun đàn hồi và độ bền nén của xương người nằm tương ứng trong khoảng (0.01 – 30) GPa và (0.2 – 200) MPa

- Hợp kim không được chứa các nguyên tố gây hại cho cơ thể hoặc bị tan vào cơ thể

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của hợp kim Titan xốp

Như đã trình bày ở trên, ngoài tác dụng tạo ra các khoảng trống cho sự phát triển của các mô xương mới, để cho các mạch máu và cơ bám vào, sự vận chuyển của các dịch trong cơ thể, cấu trúc xốp làm giảm mô đun đàn hồi tạo ra sự phù hợp giữa mô đun đàn hồi của vật liệu cấy ghép và xương người, khử bỏ hiệu ứng đào thải do chênh lệch ứng suất giữa vật liệu cấy ghép và mô

xương gây ra, tạo ra sự ổn định trong thời gian dài Tùy từng vị trí ứng dụng, các tính năng về cơ học và sinh học cần được lựa chọn cho phù hợp

Quan hệ giữa tính chất cơ học và độ xốp đã xác định theo công thức kinh nghiệm nổi tiếng Gibson-Ashby [5]:

Trong đó:

E, σ và ρ Lần lượt là mô đun đàn hồi, độ bền và tỷ trọng của vật liệu

“* ” Là giá trị thuộc về vật liệu xốp

“ S ” Là các giá trị của vật liệu đặc

C1 và C2 Là các hằng số thực nghiệm

n1 và n2 Là số mũ liên quan đến cấu trúc xốp

Từ công thức (1.2) ta thấy rằng cả độ bền và mô đun đàn hồi của vật liệu xốp giảm khi độ xốp tăng Sự mâu thuẫn này là nếu như tạo ra được hợp kim có mô đun đàn hồi thấp thì độ bền cũng thấp Do vậy, khi nghiên cứu độ xốp cần phải được khảo sát để tạo ra các giá trị độ bền và mô đun đàn hồi phù hợp (Hình 1.6) tác động của tỷ trọng đến độ bền và mô đun đàn hồi của hợp kim Titan sau thiêu kết Hoặc như trên (hình 1.7) [6] là ảnh hưởng của độ xốp đến độ bền của vật liệu Trong vật liệu xốp tồn tại đồng thời cả hai loại lỗ xốp

Macro (200–500) μm, được tạo thành bằng các kỹ thuật tạo lỗ xốp khác nhau

(1.2)

Hình 1.6 Ảnh hưởng của tỷ trọng đến mô đun đàn hồi và độ bền

của mẫu sau thiêu kết [3]

Hình 1.7 Sự tác động của độ xốp đến ngưỡng biến dạng dẻo của vật liệu [3]

Hình 1.8 Ảnh hưởng của kích thước lỗ xốp đến độ bền nén và mô đun

đàn hồi của vật liệu khi thử mẫu có độ xốp 64% [ 3 ]

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình của

vách lỗ xốp và kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa trong xương [ 3 ]

Quan hệ giữa tỷ trọng tương đối và tính chất của hợp kim titan xốp 64% với các kích cỡ lỗ xốp khác nhau được trình bày trên (hình 1.7) độ bền

và mô đun đàn hồi có xu hướng tăng khi kích cỡ của lỗ xốp tăng Nghiên cứu

các kết quả thí nghiêm cơ học cho thấy khi các tính kết cấu thay đổi cùng với kích cỡ của các lỗ xốp, chiều dày vách lỗ xốp tăng và giảm,trạng thái bề mặt

lỗ xốp đều ảnh hưởng đến độ bền và mô đun đàn hồi Kích thước khoảng trống ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của sản phẩm cuối cùng

Sự phân bố chiều dày vách xốp được tính toán từ kết cấu 3D cho thấy chiều dày vách xốp tăng lên khi tỷ trọng tương đối của vật liệu tăng lên (hình 1.9 a) Đây là điều quan trong cần cân nhắc phẫu thuật tại những vị trí xương

dễ vỡ Cần lưu ý rằng, Hợp kim Ti xốp với các lỗ xốp mịn chứa nhiều oxy trong quá trình phẫu thuật hơn các lỗ xốp thô đại

Hình 1.10 Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ xốp của vật liệu

Đối với vật liệu xốp, độ xốp là nhân tố đầu tiên tác động đến các tính chất cơ học, phần trăm độ xốp cần được kiểm soát để giảm độ cứng xuống mà vẫn không ảnh hưởng đến các chỉ tiêu cơ học khác Zhao và Torres [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện thiêu kết chính, áp lực ép và nhiệt độ đến cả tổ chức tế vi và tính chất cơ học của vật liệu Titan xốp thiêu kết thông thường, các kết quả nghiên cứu được trình bày trên (hình 1.10)

1.6 Thiết kế vật liệu hợp kim titan xốp dùng làm cấy ghép chân răng

Trên (hình 1.11) mô tả hình dạng, vị trí cấy ghép của đinh vít vào xương hàm, các mô xương xốp của xương hàm sẽ phát triển bám dính vào các

lỗ xốp của đinh vít cấy ghép Vật liệu cấy ghép đóng vai trò là lớp trung gian giữa xương hàm tự nhiên và vít kim loại, do đó cần đảm bảo tính tương thích cao với cơ thể con người: tương thích cấu trúc xương, tương thích cơ học (độ bền, mô đun đàn hồi), tương thích sinh học và không gây nhiễm độc Đặc biệt

sự tương thích cấu trúc của vật liệu cấy ghép có liên quan mật thiết với độ xốp của nó

Như vậy, dựa trên các phân tích lý thuyết đưa ra ở các điều trước, vật liệu cấy ghép chân răng, đối tượng nghiên cứu của đề tài được thiết kế và đề xuất phải có đồng thời các yêu cầu như sau:

- Đối với vật liệu: Không tồn tại các nguyên tố gây độc hại và có tính tương

thích sinh học với cơ thể Như vậy, trong số các kim loại, hợp kim xốp Titanium Hydride, Niobium và Zirconi (TiH2-3,5Nb-3,5Zr) mà đề tài lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu là vật liệu thích hợp nhất cho ứng dụng làm cấy ghép implant

- Đối với hình dạng: Là hình trụ rỗng, đường kính ngoài (4-5) mm, chiều

cao 6 mm, chiều dày thành ống 1 mm (hình 1.10)

- Đối với cơ tính: Độ xốp đạt (40-60)% Mô đun đàn hồi trong khoảng(2 ÷

10) Gpa Độ bền đạt 200 Mpa

Hình 1.11 Đinh vít chân răng a) phần cổ tiện ren gắn với đinh răng sứ phía trên b) vật liệu xốp implant; c) đầu chân đinh vít, mặt cắt của đinh vít chân răng

Hợp kim Titan xốp làm vật liệu cấy ghép implant

1.7 Kết luận

Trong phạm vi chương 1 này đã phân tích tổng quan hợp kim xốp dùng làm vật liệu cấy ghép, trong đó có hai tính năng tối quan trọng mà hợp kim xốp cần phải thỏa mãn: Đó là tính tương thích cơ học sinh học và tính tương thích sinh học.Trong đó, hợp kim cấy ghép cần phải có các tính chất càng giống xương người càng tốt, đó là mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao, chịu mài mòn tốt, từ đó hạn chế được sự chênh lệch ứng suất giữa vật liệu được cấy ghép và các vùng xương bao xung quanh và phải tương thích sinh học, vật liệu trơ với cơ thể, không phải là nguyên tố độc hại, không gây ra nhiễm trùng cục bộ hoặc toàn bộ, không bị hòa tan ra cơ thể theo thời gian Mặt khác hợp kim cấy ghép cần phải đảm bảo độ xốp và các lỗ xốp thích hợp nhằm tạo ra các hốc để các mạch máu bám vào và là đường để vận chuyển các chất dịch trong xương

Trên cơ sở đó, hợp kim Ti-Nb-Zr xốp được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu để ứng dụng làm vật liệu cấy ghép implant đối với chân răng

CHƯƠNG 2 – CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HỢP KIM

TITAN XỐP

Các phương pháp chế tạo vật liệu xốp có thể chia thành bốn nhóm chính: nhóm lỏng, rắn, khí và dung dịch, trong đó hai nhóm phương pháp công nghệ cơ bản được sử dụng chủ yếu là gia công ở trạng thái lỏng và gia công ở trạng thái lỏng được sử dụng rộng rãi cho các loại hợp kim và kim loại

có nhiệt độ nóng chảy thấp như nhôm, kẽm và magiê Tuy nhiên, đối với Titan, các phương pháp này tỏ ra không hữu hiệu vì nhiệt độ nóng chảy của Titan rất cao (1660°C) [2] Vì thế, các kỹ thuật gia công ở trạng thái rắn dường như được sử dụng phổ biến hơn

Sử dụng phương pháp luyện kim bột, gia công ở trạng thái rắn, có thể sản xuất ra các sản phẩm hợp kim Titan xốp tại nhiệt độ thấp hơn khi gia công lỏng trong môi trường bảo vệ với việc kiểm soát các biến số công nghệ, cũng như độ xốp, hình dạng lỗ xốp chính xác Bên cạnh đó, phương pháp này cho phép hạ giá thành sản phẩm, và khả năng chế tạo được các sản phẩm đa dạng

về kích cỡ và hình dạng Vì thế, phương pháp chế tạo hợp kim Titan xốp chủ yếu dựa trên phương pháp luyện kim bột

Gia công vật liệu bột là bước quan trọng đầu tiên của phương pháp luyện kim bột, bao gồm xử lý hóa, cơ, nhiệt hoặc hợp kim hóa Điều quan trọng cần phải hiểu từ một thực tế là kích thước, hình dạng và trạng thái bề mặt đều ảnh hưởng đến các bước gia công tiếp theo Người ta có thể sử dụng các phương pháp hóa, lý hoặc cơ khác nhau để xử lý bột ban đầu, ví dụ như sấy bột để tránh tạo nứt trong quá trình thiếu kết Các đặc trưng vật lý của bột như hình dạng, sự phân bố kích thước hạt có thể được thay đổi bằng quá trình nghiền Bột nguyên liệu đầu vào cần được kiểm soát một cách chặt chẽ các tính chất hóa và lý Bột đầu vào có thể phân chia thành các nhóm chính sau

đây: bột đơn nguyên tố, bột hợp kim hóa trước Bột đơn nguyên tố chỉ bao gồm có một chất, ví dụ như bột sắt, nếu trộn lẫn nhiều loại bột với nhau thì quá trình hợp kim hóa sẽ xảy ra trong quá trình thiêu kết dưới tác động của nhiệt độ Bột đã được hợp kim hóa trước, trong một hạt bột bao gồm một nguyên tố hoặc nhiều nguyên tố, quá trình hợp kim hóa diễn ra trước khi thiêu kết, ví dụ nấu chảy hợp kim hóa, sau đó phun thành bột, hoặc hợp kim hóa cơ học, tạo ra hợp kim bằng năng lượng va chạm giữa bi và hỗn hợp bột Tùy theo điều kiện thiết bị, nguyên vật liệu và yêu cầu của những ứng dụng cụ thể, người ta có thể chọn bột hợp kim, hoặc bột đơn nguyên tố để đưa vào thiêu kết Hầu hết các bước chuẩn bị bột đã được thực hiện tại nơi sản xuất bột Công tác chuẩn bị bột nguyên liệu ban đầu bao gồm:

và kích thước tương đương với hình dạng của hạt chất tạo lỗ xốp Dạng micro

là dạng lỗ xốp do quá trình thiêu kết nền Titan không triệt để để lại

Nghiên cứu cơ chế thiêu kết vật liệu trong quá trình ép đẳng tĩnh ở trạng thái nóng (HIP) cho thấy sự liên kết các hạt trong quá trình gia công ở trạng thái rắn, khi có lực tác động, áp lực được lan truyền qua mỗi hạt bột và tác động vào từng hạt thông qua các điểm tiếp xúc, đầu tiên là quá trình biến dạng đàn hồi, sau đó áp lực tăng lên quá trình biến dạng dẻo diễn ra, các mặt tiếp xúc trượt lên nhau, dưới tác dụng của thời gian và nhiệt độ quá trình biến dạng là dão Quá trình khuyếch tán xảy ra trên các biên hạt, theo đó quá trình kết khối sẽ diễn ra Trong giai đoạn đầu tiên, tỷ trọng tương đối (tỷ trọng tương đối < 0.9), quá trình kết khối được xác định bằng quá trình biến dạng tại điểm tiếp xúc giữa các hạt Khi áp suất đủ lớn biến dạng dẻo xảy ra, quá trình kết khối được tăng cường khi các hạt đã tiếp xúc hết với nhau, quá trình biến dạng dẻo không xảy ra nữa lúc đó quá trình kết khối được xác định tại các điểm xung quanh lỗ trống, quá trình tăng tỷ trọng phụ thuộc vào quá trình khuếch tán trên bề mặt hạt tại các điểm giao nhau giữa các hạt bên xung quanh lỗ trống Cơ chế thiêu kết thông thường cũng giống như vậy, chỉ khác không có áp lực, không có quá trình biến dạng dẻo trong quá trình thiêu kết, quá trình biến dạng được thực hiện tại công đoạn đóng bánh trước đó Bột càng mịn, càng hỗ trợ tốt quá trình thiêu kết

Trên đây là các nguyên tắc cơ bản trong quá trình thiêu kết, hiện nay đang tồn tại nhiều các loại hình công nghệ khác nhau nhằm kết khối kim loại

để tạo ra sản phẩm, trong chương này sẽ phân tích, đánh giá các phương pháp khác nhau nhằm mục đích tạo cơ sở cho việc lựa chọn và thiết kế quy trình thí nghiệm và quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm

2.1 Phương pháp thiêu kết thông thường

Là quá trình thiêu kết trong lò có khí bảo vệ hoặc chân không [1], mà không có tác động của áp lực ép Đây là phương pháp thiêu kết đơn giản nhất

để tạo ra Titan và hợp kim Titan xốp, nó dựa trên thiêu kết từng phần của bột kim loại So sánh với các công nghệ thiêu kết khác, quá trình này là đơn giản, kinh tế và thông dụng Ngoại trừ việc bôi trơn thành khuôn, phương pháp không yêu câu chất kết dính polyme, và vì thế giảm thiểu tạp chất liên quan đến chất kết dính

Oh và cộng sự [7] đã thiêu kết bột titan chưa được hợp kim hóa hình cầu trong hai trường hợp có áp lực ép và không có áp lực ép Tính chất của mẫu sau thiêu kết được kiểm soát bằng việc điều khiển các điều kiện thiêu kết

và kích cỡ hạt bột Titan, trong môi trường chân không (1 × 10−3) Pa Mẫu xốp

13 đạt 30% về độ xốp, mô đun đàn hồi đạt 25 GPa, độ bền uốn đạt 115 MPa,

độ bền chảy dẻo khi nén đạt 61 MPa, không thể chế tạo được các mẫu có độ xốp cao hơn 40% thì kích cỡ hạt nằm trong khoảng 65–374 µm Bằng phương pháp thiêu kết không có áp lực ép cho phép chế tạo các mẫu có mô đun đàn hồi đạt yêu cầu, nhưng độ bền nén thấp hơn so với xương người Đối với mẫu được thiêu kết bằng phương pháp thiêu kết không có áp lực, kích thước, hình dạng, phần trăm và sự phân bố của lỗ xốp khác nhau theo chiều dày của mẫu

Độ xốp giảm tỷ lệ với việc giảm kích thước hạt ban đầu và tăng áp lực ép, ngược lại nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng rất ít đến quá trình kết khối của hợp kim Titan, như trình bày trên (bảng 2.1)

Bảng 2.1 Độ xốp tổng và độ xốp hở của khối Titan sau khi thiêu kết với

cỡ hạt và các điều kiện thiêu kết khác nhau Nhiệt độ

thiêu kết

(K)

Áp lực thiêu kết (Mpa)

Kích thước bột (µm)

Tổng độ xốp (%)

Lỗ xốp hở (%)

2.2 Phương pháp thiêu kết space holder

Phương pháp space holder [8] là phương pháp sử dụng chất tạo lỗ xốp trong quá trình thiêu kết, chất tạo lỗ xốp bị phân hủy và bay hơi trong quá trình thiêu kết để lại lỗ xốp hoặc có thể hòa tan vào nước hoặc dung dịch sau khi thiêu kết, để lại lỗ xốp có hình dạng và kích thước của hạt vật liệu tạo lỗ xốp

Phương pháp Space holder có những ưu điểm như sau: có thể điều khiển hình dạng, kích thước, sự phân bố của kích thước, tỷ lệ lỗ xốp dễ dàng theo ý muốn, thông qua hạt bột chất tạo xốp

Quá trình gia công gồm có năm bước chính sau đây:

Những chất tạo xốp được các nhà khoa học vật liệu thử nghiệm bao gồm urea CO-(NH2)2 [9], ammonium hydrogen carbonate (NH4)HCO3 [9], tapioca starch (tinh bột sắn) [9], sodium chloride (NaCl) [9], polymer granules và magnesium Trong một số trường hợp chất tạo xốp có thể tan trong nước như sodium chloride (NaCl) [9], potassium chloride (KCl) [9], potassium sorbate (C6H7KO2) [9], hoặc hỗn hợpđược sử dụng để chế tạo Titan và hợp kim Titan xốp Nguyên tắc lựa chọn chất tạo xốp như sau:

1) Không phản ứng với Titan và các nguyên tố hợp kim trong nó;

2) Bốc hơi hoặc hòa tan hết sau khi làm sạch, không tồn tại dư chất trong mẫu

3) Không ảnh hưởng đến các công đoạn trong quy trình chế tạo

Hình 2.1 Sơ đồ thiêu kết Titan xốp bằng phương pháp Space holder [3]

Hình 2.2 Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau khi chế tạo bằng phương pháp

Space holder với lỗ xốp macro/micro [3]

Tuy nhiên, khó khăn chung của phương pháp này là loại bỏ các chất tạo

xốp sau khi thiêu kết, đối với các ứng dụng y sinh, tất cả các tạp chất, dư chất

cần phải loại bỏ, kể cả các chất đó trơ hoặc tương thích sinh học với cơ thể

Khả năng hấp thủ của vật liệu cấy ghép y sinh đối với các chất dư sau khi tạo