고령화 사회에 접어들면서 마모되거나 손상된 뼈를 대체하기위해 우수한 초탄성 및 생체 적합성이 나타나는 금속성 임플란트 재료의 필요성이 대두되고있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ...
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진주 : 경상대학교 대학원, 2021
학위논문(박사) -- 경상대학교 대학원 , 나노신소재융합공학과 나노신소재융합공학전공 , 2021. 2
2021
영어
경상남도
xv, 162 p. ; 26 cm
지도교수: 남태현
I804:48003-000000029933
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고령화 사회에 접어들면서 마모되거나 손상된 뼈를 대체하기위해 우수한 초탄성 및 생체 적합성이 나타나는 금속성 임플란트 재료의 필요성이 대두되고있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ...
고령화 사회에 접어들면서 마모되거나 손상된 뼈를 대체하기위해 우수한 초탄성 및 생체 적합성이 나타나는 금속성 임플란트 재료의 필요성이 대두되고있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 논문에서는 용융 다공성 기술에 의해 제조된 합금 화이버를 소결하여 고다공성 Ni-free Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn (at.%) 및 Ti-40Zr-8Nb-2Sn (at.%) 형상기억합금 스캐폴드를 제조하였다. 손상된 spongy bone를 대체하기위해 벌크, 화이버 및 스캐폴드의 미세구조와 기계적 특성을 X-선 회절 (XRD), 주사 전자 현미경 (SEM), 투과 전자 현미경 (TEM), 동적 기계적 분석기 (DMA), 인장 및 압축 시험을 통해 조사하였다.
Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn 벌크의 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 어닐링 온도의 영향을 조사하였다. Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn 벌크 시편의 회복 변형률은 초탄성에 유리한 재결정 텍스쳐가 형성됨에 따라 증가한다. 이러한 이유로 어닐링 온도가 873K에서 1173K로 증가함에 따라 3.2 %에서 5.2 %로 증가한다. 어닐링한 벌크와 비교하여, as-spun된 화이버는 급속 응고 공정으로 인해 ~5 μm 크기의 작은 grain size를 보여준다. 이러한 화이버를 5 %의 변형률을 가했을 때 4.5 %의 회복 변형률이 얻어지며, 이는 용체화처리한 합금보다 약간 작다. Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn 스캐폴드는 화이버-화이버 소결 결합을 갖는 구조를 나타낸다. 80%의 다공성을 갖는 소결 및 어닐링된 스캐폴드의 항복 강도 및 탄성 계수는 각각 spongy bone과 유사한 7.9 MPa 및 0.43 GPa, 7.4 MPa 및 0.41 GPa로 나타났다. 체온에서 어닐링된 스캐폴드에서 회복 변형률이 3.4%로 나타났으며 이는 2.9%의 회복 변형률을 갖는 소결된 스캐폴드보다 높다.
β → α" 응력 유기 마르텐사이트 변태 및 역변태는 용체화처리된 Ti-(40, 45, 50) Zr-8Nb-2Sn 합금을 로딩-언로딩 시 발생한다. 마르텐사이트 변태 개시 온도 (Ms (C-C))는 선형으로 감소하며 높은 Zr 함량을 갖는 합금에서 1 at. % Zr 당 약 10 K 감소한다. 40Zr, 45Zr 및 50Zr 합금의 최대 회복 변형률은 각각 7.1 %, 7.5 % 및 7.3 %로 측정되며, 이는 [110]β의 높은 변태 변형량과 초탄성 특성에 유리한 재결정 텍스쳐가 생성되기 때문이다. 용체화처리된 Ti-40Zr-10Nb-2Sn 벌크는 상온에서 835 MPa의 최대 인장 강도, 514 MPa의 슬립 임계 응력, 5.5 %의 회복 변형률이 얻어졌다. Ti-40Zr-8Nb-2Sn 화이버는 153K와 298K 사이의 온도에서 뚜렷한 초탄성을 보인다. 973 K에서 어닐링된Ti-40Zr-8Nb-2Sn 스캐폴드 (다공도 : 80 %)는 4.0 MPa의 압축 항복 응력, 0.3 GPa의 탄성 계수를 갖는다 . 상온에서 973 K로 어닐링된 스캐폴드에서 4.0 %의 회복 변형률이 얻어지며, 이는 뼈를 대체하기에 충분하다. 또한, 상온에서 어닐링된 스캐폴드에서 안정적인 사이클 초탄성 특성이 얻어진다. 높은 다공성 및 큰 회복 변형률을 나타내는 이러한 Ni-free Ti-Zr-Nb-Sn 합금 스캐폴드는 손상된 spongy bone을 대체 할 가능성이 있다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
The need for metallic bone implant materials showing the superelasticity and biocompatibility to replace worn or damaged bones continues to increase owing to the rapidly increased number of aged people demanding failed tissue replacement. In this work...
The need for metallic bone implant materials showing the superelasticity and biocompatibility to replace worn or damaged bones continues to increase owing to the rapidly increased number of aged people demanding failed tissue replacement. In this work, highly porous Ni-free Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn (at.%) and Ti-40Zr-8Nb-2Sn (at.%) shape memory alloy scaffolds were fabricated by sintering alloy fibers prepared by melt overflow technique for the damaged cancellous bone replacement. The microstructure and mechanical properties of the alloy bulk, fiber, and scaffold were investigated deeply by using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD), transmission electron microscope (TEM), dynamic mechanical analyzer (DMA), tensile test, and compressive test.
The effect of annealing temperature on the microstructure and mechanical properties of the Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn alloy bulk was investigated. The recovery strain in the Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn alloy bulk specimens increased from 3.2% to 5.2% with raising the annealing temperature from 873 K to 1173 K owing to the evolution of the favorable recrystallized texture. Compared with the annealed bulk, the as-pun alloy fibers show smaller grains with a size of ~5 μm attributed to the rapid solidification process. A recovery strain of 4.5% is obtained at the pre-strain of 5% in the as-spun alloy fiber, which is a little smaller than that in the solution treated alloy bulk. Ti-18Zr-12.5Nb-2Sn alloy scaffolds exhibit a three-dimensional interconnected structure with fiber-fiber sintering bonds. The compressive plateau stress and elastic modulus of the as-sintered and annealed scaffold with a porosity of 80% are found to be 7.9 MPa and 0.43 GPa, 7.4 MPa, and 0.41 GPa, respectively, similar to those of cancellous bone. Superelastic behavior with a recovery strain of 3.4% is obtained in the 973 K annealed scaffold at body temperature, which is higher than that in the as-sintered scaffold. However, the superelasticity obtained in scaffolds is not comparable to that in the as-spun fiber. This is due to the inhomogeneous deformation in the scaffold.
The stress-induced martensitic transformation of β→α" and its reversion occur in the solution treated Ti-(40, 45, 50)Zr-8Nb-2Sn alloys on loading and unloading, respectively. Transformation temperature (Ms(C-C)) decreases linearly by around 10 K with 1at.% Zr increase in those high Zr content alloys. The maximum recoverable strains for 40Zr, 45Zr, and 50Zr alloy are measured to be 7.1%, 7.5%, and 7.3%, respectively, which is due to a combined effect of a large transformation strain along [110]β and a favorable recrystallization texture. A ultimate tensile strength of 835 MPa, critical stress for slip of 514 MPa, and a large recovery strain of 5.5% are obtained at room temperature in the solution treated Ti-40Zr-8Nb-2Sn alloy. As-spun Ti-40Zr-8Nb-2Sn alloy fibers show clear superelasticity at temperatures between 153 K and 298 K. Ti-40Zr-8Nb-2Sn alloy scaffold (porosity: 80%) annealed at 973 K has the compressive yield stress of 4.0 MPa and elastic modulus of 0.3 GPa, similar to those of cancellous bone. A recoverable strain of 4.0% is obtained in the scaffold annealed at 973 K at room temperature, which meets the requirement of bone replacement. Besides, stable cyclic superelastic behavior is obtained in the annealed scaffold at room temperature. These Ni-free Ti-Zr-Nb-Sn alloy scaffolds simultaneously exhibiting high porosity and large recovery stain are promising to substitute the damaged cancellous bone.
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