WyŜsza Szkoła InŜynierii Dentystycznej im. prof. Meissnera w Ustroniu Wydział InŜynierii Dentystycznej BADANIA PÓL NAPRĘśEŃ W IMPLANTACH TYTANOWYCH METODAMI EBSD/SEM Klaudia Radomska Praca dyplomowa napisana w Katedrze Nauk o Materiałach pod kierunkiem naukowym prof. Krzysztofa Sztwiertni
Wprowadzenie do pracy inŝynierskiej Implanty stomatologiczne Drut ortodontyczny Stent Most ceramiczny na podbudowie metalowej Endopoteza stawu biodrowego Proteza zębowa Przykłady zastosowań biomateriałów w medycynie
Cel pracy inŝynierskiej Celem pracy badawczej są badania pól napręŝeń w implantach tytanowych metodami EBSD/SEM. Część badawczą pracy realizowano częściowo w ramach zadania w projekcie zamawianym PBZ-MNiSW-3/3/2006 pt. Poprawa konkurencyjności i innowacyjności krajowego przemysłu przetwórczego metali nieŝelaznych poprzez opracowanie zaawansowanych materiałów metalicznych i technologii ich wytwarzania, Zadanie 1: Funkcjonalne materiały i nanomateriały metaliczne oraz kompozytowe o specyficznej strukturze i własnościach do zastosowań w nowoczesnych dziedzinach gospodarki. Zadanie 1.5: Wieloskalowa, ilościowa charakterystyka mikrostruktury zaawansowanych technologicznie materiałów metalicznych.
Metoda EBSD w SEM- etapy pomiaru orientacji krystalograficznej
Klasyfikacja napręŝeń i ich wpływ na obrazy dyfrakcyjne NapręŜenia I rzędu NapręŜenia II rzędu NapręŜenia III rzędu
Materiał zastosowany do badań Do badań uŝyto implantu tytanowego dostępnego na rynku polskim: System Osteoplant Standard wykonany z biokompatybilnego tytanu (Grade IV). Osteoplant Standard Wytrzymałość na rozciąganie róŝnych gatunków tytanu Właściwości tytanu Właściwości Wartości Liczba atomowa 22 Masa atomowa 47,9 g/mol Gęstość 4,5 g/cm3 Temperatura topnienia 1668ºC Temp. przemiany alotropowej 882,5ºC Skład chemiczny tytanu gatunku IV Pierwiastek N C H Fe O Ti Moduł Younga Granica plastyczności 105 GPa 692 MPa Ilość w [%wag.] 0,05 0,1 0,125 0,5 0,4 reszta
Metodyka przygotowania próbek Próbki do badań zostały przygotowane w Instytucie Metalurgii I InŜynierii Materiałowej w Krakowie.
Urządzenia zastosowane do badań Pomiary lokalnych odkształceń sieci przeprowadzono wykorzystując elektronowy mikroskop skaningowy. Dodatkowo wywołano odkształcenie próbki za pomocą mikrotwardościomierza Vickersa. Skaningowy mikroskop elektronowy Mikrotwardościomierz firmy CSM Instruments
Wyniki badań Obrazy dyfrakcyjne A B
Obraz otrzymany z detektora elektronów wtórnych a) b) Osteoplant przekrój wzdłuŝny w powiększeniu 500x [29] Morfologia i rozkład wielkości ziarn w materiale a) graficznie zmodyfikowany obraz mikrostruktury implantu Osteoplant Standart (Grade IV) firmy Osteoplant b) udział procentowy ziarn w materiale wg. średnicy ziarna [13]
a) Legenda kolorów kątów dezorientacji na granicach ziarn Kolory z trójkąta podstawowego dla kryształów o symetrii heksagonalnej PołoŜenie osi Z próbki w przestrzeni kryształu. Oś Z biegnie prostopadle do implantu. kierunek Y próbki biegnie w poprzek implantu Kierunek X próbki biegnie wzdłuŝ implantu
b) Obraz standardowy Obraz dyskretny, topografia orientacji
Topografia orientacji z niejednoznacznie określoną orientacją
Wnioski Jakość obrazów dyfrakcyjnych w badanych próbkach tytanu była wystarczająco dobra aby określić orientacje krystalograficzne i zidentyfikować granice ziarn w obszarach pomiarowych. WaŜną cechą parametru GD (od Gęstość Dyslokacji) jest to, Ŝe moŝna go określić dla kaŝdego punktu pomiarowego, dla którego zarejestrowano obraz dyfrakcyjny niezaleŝnie od tego czy moŝna go było rozwiązać czy teŝ nie. Inną waŝną cechą parametru GD jest jego wraŝliwość na granice ziarn, co pozwala na weryfikację zmierzonych topografii orientacji rozstrzygając o ostatecznym przebiegu granic. JeŜeli parametr GD ulega znacznej zmianie od ziarna do ziarna to oznacza, Ŝe sąsiadujące ziarna są w róŝnym stopniu odkształcone. Występowanie róŝnego typu odkształceń generuje zazwyczaj napręŝenia spręŝyste i wpływa na wielkość napręŝeń I i II rzędu w skali wielu ziarn.
Wnioski Parametr jakości obrazu GD pozwala oszacować wielkość lokalnej deformacji sieci, a co za tym idzie, gęstość defektów sieci oraz poziomu lokalnych napręŝeń (III rzędu) wokół powstałych defektów w obszarze poszczególnych ziarn. W pracy wywołano lokalne odkształcenie na powierzchni badanego materiału (implant firmy Osteoplant- Osteoplant Standard) wciskając w określonych miejscach wgłębnik mikrotwardościomierza. Stwierdzono, Ŝe w topografii parametru GD zostały odtworzone obszary zlokalizowanych odkształceń/napręŝeń wokół odcisków. Analizując rozkład GD (zmiana poziomu odkształcenia od duŝego kolor czerwony i pomarańczowy do małego kolor Ŝółty i zielony) moŝna było określić obszar i zakres odkształceń. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe ze względu na efekt cienia nie udało się określić odkształcenia w centrum testowego odcisku, lokalne odkształcenie na jego brzegu jest na tym samym poziomie co lokalne odkształcenie sieci wzdłuŝ granic ziarn.
Podsumowanie Podsumowując moŝemy stwierdzić, Ŝe w poszukiwania doskonałego materiału implantologicznego spełniającego wysokie wymagania (takie jak: duŝa wytrzymałość mechaniczna, biokompatybilność i zdolność do osseointegracji) mogą nam pomóc informacje o mikrostrukturze materiału zawarte w zmierzonych zbiorach orientacji krystalograficznej (informacja o orientacji jest tu pobierana z obrazu dyfrakcyjnego). Zebrane informacje pozwalają na ilościowe określenie cech mikrostruktury badanego materiału. Przy wykorzystaniu zaś parametrów jakości obrazu (np. GD), które są zawarte w kaŝdym zarejestrowanym obrazie dyfrakcyjnym, moŝna określić pola lokalnych odkształceń sieci krystalicznej i w konsekwencji pola napręŝeń oraz rozkład gęstości defektów sieci.
Dziękuję Szanownej Komisji za uwagę