Universitatea POLITEHNICA din BucureştiUniversitatea POLITEHNICA din BucureştiFacultatea INGINERIE MEDICALĂFacultatea INGINERIE MEDICALĂ

ŞTIINŢA ŞTIINŢA MATERIALELOR MATERIALELOR

METALICEMETALICE

Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian VasileVasile

Ştiinţa Materialelor MetaliceŞtiinţa Materialelor Metalice

CURS 10CURS 10

Elemente inovative in domeniul Elemente inovative in domeniul biomaterialelor metalicebiomaterialelor metalice

A. Pulberi metaliceA. Pulberi metalice B. Suprafete nanostructurateB. Suprafete nanostructurate C. Nanoparticule magneticeC. Nanoparticule magnetice

A. Pulberi metalice

Metalurgia pulberilor are menirea sa completeze nomenclatura produselor fabricate in industrie, ea oferind in anumite cazuri, unica solutie rationala, avantajoasa, la elaborarea unor materiale si produse cu proprietati speciale, care nu pot fi obtinute prin procedee tehnologice clasice.

Se obtin astfel piese la o calitate superioara, cu un continut minim de metal, cu o productivitate ridicata.

Prin obtinerea unor serii de metale si aliaje cu o temperatura de topire inalta, metalurgia pulberilor constituie un pas important in domeniul studiului structurii materialelor metalice.

La modul general pulberile metalice din care urmeaza a se sinteriza piesele sunt fabricate prin diverse metode,dintre care:

Particule de pulbere metalica sub forma de

graunti de fier-aluminiu

Particule de pulbere metalica de forma sferica din aluminiu

atomizatPulbere metalica de forma sferica din titan atomizat

Pulberi metalice pulverizate din faza gazoasa

Imagini de microscopie electronică de baleiaj ale pulberilor de magneziu pur (a) și particulelor de Ti pur (b)

Pulberi metalice reprezentative:

(a)Chimic: burete de minereu cu un continut mic de fier;(b) Electolitic: Cupru; (c) Mecanic: Pulbere de aluminiu macinat cu particule sferice; (d)Pulverizare din faza lichida: Fier; (e) Pulverizare din faza gazoasa : Aliaj pe baza de Nichel

a

b

c d

e

Metodele pentru formarea pieselor din pulberi metalice se pot clasifica dupa existenta sau nu, a presiunii de actionare.

Sinterizarea este un proces de sudare, densificare si recristalizare prin activitatea termica a unor aglomerate de pulberi, proces ce se desfasoara la o temperatura sub cea de topire a componentului principal din amestecul de pulberi.

Presarea este procedeul cel mai utilizat in industrie, deoarece are o productivitate mare si poate fi adaptat usor schimbarilor de profil ale industriei. Formarea pulberilor prin presare este influentata de anumiti factori precum: metodele de presare, presiunea, viteza, timpul si temperatura de presare, mediul de presare, lubrifiantii si liantii adaugati, calitatea matritei.

Pulbere metalica sinterizataPulbere metalica presata

Tehnica spatiala: - Ecrane termice (pulberi de beriliu, wolfram); - Filtre pentru combustibil (pulberi de bronz, otel inoxidabil, nichel);-Piese pentru motoare cu reactie (pulberi din aliaje superioare, zinc);- Combustibil pentru rachete (pulberi de aluminiu, magneziu);

Tehnica militara:- Munitii (pulbere de grafit);-Bombe (pulberi de fier);-Proiectile incendiare (pulberi de fier, plumb);-Elemente detonatoare (pulberi de alama, otel inoxidabil);-Combustibil solid pentru rachete (pulberi de aluminiu, magneziu);

Tehnica nucleara:-Bare de comanda si reflectoare (pulberi de zirconiu, beriliu, uraniu);-Filtre pentru gaz si apa grea (pulberi de otel inox, aliaje de nichel);-Ecranare raze gama (pulberi de wolfram, nichel, cupru, plumb);-Ecranare pentru neutroni (pulbere de bor, nichel, fier, plumb).

Aplicatii ale pulberilor metalice in diferite domenii:

Medicina:- amalgam dentar (pulberi de argint, aur, aliaje ale acestora);-ace chirurgicale (pulberi de tantal si zirconiu);-implanturi chirurgicale (pulberi de aliaje de nichel si cobalt);-tratamente de silicoza (pulberi de aluminiu);-productia de insulina (pulberi de zinc).

Prelucrari mecanice:-prelucrari prin electroeroziune (pulberi de wolfram, cupru, argint);-prelucrari electrochimice (electrozi pulberi din cupru, argint, wolfram);-tratamente termice (tuburi de protectie din pulberi de aliaje de platina; ecrane pentru cuptoare din pulberi de aluminiu, wolfram; termocupluri din aliaje de wolfram, molibden, platina).

Depuneri de straturi subtiri cu dimensiuni nano

. Depuneri sub formă de straturi superficiale:•depuneri fizice din faza de vapori (Physical Vapour Deposition – PVD);•depuneri chimice din faza de vapori (Chemical Vapour Deposition – CVD);•depuneri de straturi prin pulverizare (thermal spraying);•depuneri de straturi prin sudare;•depuneri galvanice.

C. Suprafete nanostructurate

Metode de ȋmbunătăţire a proprietaţilor suprafeţelor

Ingineria suprafeţelor implică utilizarea unei game largi de tehnologii, unele dintre ele bine cunoscute şi aplicate cu succes de mulţi ani, altele însă fiind tehnologii avansate.

Ȋn prezent, acoperirea cu straturi subțiri biocompatibile este una din cele mai utilizate metode de ȋmbunătățire a caracteristicilor implanturilor și instrumentarului biomedical. Alegerea materialelor pentru obținerea straturilor subțiri biocompatibile este foarte dificil de realizat deoarece reacțiile care au loc la interfața strat subțire/ substrat sunt foarte complexe și diferă de la un material la altul.

Problema selecției materialului de acoperire a implanturilor apare în mod deosebit datorită multiplelor cerințe impuse straturilor de acoperire, cum ar fi: aderență bună la substrat, inexistența unei interacțiuni distructive la interfață, duritate mare, rezistență sporită la uzură și la coroziune în medii specifice sistemelor biologice, rugozitate controlabilă (pentru unele aplicații rugozitatea trebuie să fie minimă, iar în altele trebuie să aibă valori mari), coeficient de frecare scăzut.

Sunt prezentate câteva din caracteristicile care trebuie luate în considerare la alegerea unui sistem material de bază - strat superficial și de asemenenea, acestea pot fi controlate pentru a-i asigura performanțele optime în funcționarea produsului finit.

Caracteristicile relevante în selecția sistemului substrat - strat subțire

Proprietățile stratului subțire depus sunt strâns legate de compoziția chimică și de microstructura sa (structură cristalină, defecte ale rețelei, compactitate etc.), ambele fiind determinate de procedeul de obținere cu parametrii săi specifici.

Cele mai utilizate straturi subțiri sunt acelea în care elementul de depunere aparține grupelor a IV-a, a V-a sau a VI-a ale sistemului periodic. Ȋn cazul straturilor biocompatibile aceste elemente pot fi: Ti, Zr, Nb, Ta, Hf. Aceste elemente reacționează cu usurință cu gazele reactive precum N, O sau C. Ȋn general straturile dure pot forma trei tipuri de legături: metalică, covalentă sau ionică.

Conform studiilor, straturile subțiri care au în componență elemente ca Ti, Zr, Al, C, N și O sunt straturi potrivite pentru a asigura o biocompatibilitate ridicată. Azotul este un element care prin combinație cu diverse metale formează nitruri. Nitrura de Ti a fost foarte des utilizată pentru acoperirea implanturilor ortopedice și/sau dentare datorită proprietăților remarcabile pe care le deține: duritate, rezistență la coroziune și uzură. S-a demonstrat că pe suprafața stratului de TiN se produce aproape spontan o creștere a fosfatului de calciu din componenta osului.

În tabelul de mai jos sunt trecute proprietăţile care pot fi influenţate prin ingineria suprafeţelor:

MORFOLOGICE

aspectul suprafeţei (culoare, strălucire, rugozitate) topografia suprafeţei depuse (planeitate, rugozitate,

continuitate, porozitate, etc) structura peliculei depuse (amorfă, cristalină sau

semicristalină cu indicarea tipului de cristal, orientării cristalelor, dimensiunea cristalelor, constanta de reţea şi densitatea defectelor structurale)

grosimea depunerii

TRIBOLOGICE rezistenţa la uzură coeficient de frecare

MECANICE duritate, elasticitate, rezistenţa la oboseală, densitatea,

aderenţa, ductilitate

CHIMICE rezistenţa la coroziune, difuzie, compoziţia, toxicitatea şi

biocompatibilitatea

TERMICE conductivitatea termică, coeficientul de dilatare termică,

temperatura de topire, volatilitatea şi presiunea de vaporiMAGNETICE permeabilitatea, inducţia de saturaţie maximă

ELECTRICE conductivitatea electrică, permitivitatea, polarizarea,

constanta dielectricăOPTICE coeficienţii de reflexţie şi absorbţie, indice de refracţie

Acoperirea suprafețelor cu straturi dure este una din cele mai importante metode de îmbunătăţire a performanţelor componentului. Se cunosc un număr mare de materiale dure şi de aceea este importantă alegerea unui criteriu de selecţie a straturilor potrivite de material pentru nevoi specifice.

Acoperirea suprafețelor cu straturi subţiri din materiale cu duritate ridicată şi inerte din punct de vedere chimic, rezistente la uzură şi coroziune, constituie o tehnologie în plină dezvoltare, cu largi posibilităţi de aplicabilitate deoarece conduce la o creştere substanţială a duratei de exploatare a respectivelor piese.

Aspecte schematice ale zonelor de interfață ȋn sistemul strat-substrat

Criterii de proiectare a unui sistem material de bază-strat superficial

În fizică, straturile subţiri sunt considerate în domeniul 1...1000Å, domeniu pentru care există fenomene de drum liber mijlociu. Straturile foarte subţiri cu grosimi sub 50Å sunt transparente. Depunerile foarte groase (în această categorie intrând depunerile cu grosimi de peste 25m) sunt utilizate în anumite domenii ale tehnicii ca de exemplu depunerile galvanice, în acoperirile de durificare şi protecţie a suprafeţelor depuse gazometric. Datorită cerinţelor complexe, cum ar fi: duritatea şi tenacitatea, adeziunea slabă, aderenţa bună, doar depunerile multistrat şi depunerile multicomponente par a satisface aceste compromisuri. Pentru aceste depuneri este necesar să se analizeze constituţia interfeţei în sistemul de materiale dure.

Se poate astfel concluziona că termenul de nanotehnologie desemnează dezvoltarea tehnologiei la scară nanometrică.

Nanotehnologia reprezinta stiinta si tehnologia care prezinta capacitatea de a intelege, controla si manipula materia la dimensiuni nanometrice, ceea ce reprezinta o scara de la nivelul atomilor si moleculelor individuale pana la nivelul “supramolecular” al ciorchinilor de molecule, de ordinul a 100 de diametre moleculare.

Operarea la aceste dimensiuni implica intelegerea si stapanirea unor principii stiintifice noi si a unor proprietati noi, care se manifesta atat la scara micro cat si la scara macro si care sunt folosite pentru dezvoltarea de materiale,dispozitive si sisteme cu proprietati, functii si performante noi.

Nanotehnologie

Termenul de ”nano” se referă la dimensiuni de

ordinul 10 -9 m.

În cadrul conceptului de nanotehnologie se distinge termenul de nanomaterial care desemnează acele materiale care au cel puțin o dimensiune de ordin nanometric (1-100nm). Aceste materiale manifestă proprietăți fizice și chimice diferite față de corespondenții lor de dimensiuni mai mari. Aceasta schimbare de comportament este generată, în principal, de creșterea ariei suprafeței materialelor, și implicit a reactivității acestora, și creșterea dominanței efectelor cuantice, cu influențe asupra proprietăților optice, magnetice sau electrice a materialelor.

Scala logaritmică a

nivelurilor structurale în

sistemele biologice

Progresul si varietatea aplicatiilor in energetica, mediu, sanatate depind tot mai mult de aportul noilor materiale, materialelor inteligente, multifunctionale, biomateriale, materiale structurale, etc.

Pentru ca nanoparticulele să poată avea o eficienţă ridicată în practică ele trebuie să posede următoarele caracteristici:

-puritate înaltă şi compoziţii chimice unitare;

-mărimea nanoparticulelor trebuie să se înscrie într-o distribuţie uniformă îngustă şi să fie controlabilă ;

- forma şi morfologia nanoparticulelor trebuie să fie identice.

O clasificare a acestor tipuri de materiale,dupa criteriul proprietatilor :

În practică este destul de dificil de obţinut nanoparticule care să întrunească toate aceste caracteristici, de aceea atenţia lumii ştiinţifice este continuu îndreptată spre găsirea de noi metode de sinteză care să asigure o uniformizare cât mai înaltă a proprietăţilor acestora.

Procedeele de sinteză a materialelor nanostructurate au la bază două tehnici cunoscute generic sub denumirea de „top-down” şi „bottom up”.

Procedee de obţinere a

nanomaterialelor

Procedeele „top-down” – de la „mare” la „mic” (nano) – se realizează prin frecare sau măcinare mecanică, prin încălziri şi căliri repetate. Nanoparticulele care se obţin prin mărunţire au diametre variind de la câteva zeci, la câteva sute de nanometri, fiind caracterizate atât printr-o distribuţie largă a mărimii lor, cât şi printr-o mare varietate de forme.

Procedeele „bottom up” sau auto-asamblarea constau în asamblarea atomilor şi moleculelor în obiecte ale căror proprietăţi variază în funcţie de numărul de atomi constituienţi.

Imagine de microscopie electronica a nanoparticulelor de aur

Imagine de microscopie electronica – platina nanoporoasa

Cele mai relevante nanoparticule sunt cele de titan si metale nobile. Cu toate acestea, nanoparticulele de cobalt prezinta un mare interes datorita proprietatilor de feromagnetism.

Nanoparticulele de titan se dovedesc a avea o importanta crescuta ca elemete de aliere pentru otel. Materialul rezultat prezinta proprietati imbunatatite in ceea ce priveste ductilitatea, coroziunea si rezistenta.

Nanoparticulele metalice nobile – aur, argint, platina, paladiu – sunt obtinute prin reducerea chimica a acizilor in solutii apoase, prin care selectia diferitilor parametri de proces si a stabilizatorilor chimici controleaza marimea, forma si proprietatile de suprafata ale particulelor.

Studii amanuntite au stabilit ca purtatorii magnetici trebuie sa aiba urmatoarele proprietati:

•dimensiuni reduse (mai putin de 1,4µ), pentru a permite distributia uniforma prin capilare spre zona tinta;

•un magnetism apropiat câmpurilor din sistemul fiziologic al organismului;•abilitatea de a purta o cât mai mare varietate de agenti chimioterapeutici;•capacitatea de a transporta o cantitate cât mai mare de substanta activa, pentru a nu

încarca organismul cu material magnetic excesiv;•viteze controlabile de eliberare a medicamentului în zona tinta;•proprietati superficiale care sa ofere maximul de biocompatibilitate;•biodegradabilitate care sa permita eliminarea usoara si minimizarea toxicitatii din

organism.

C. Nanoparticule magneticeInteresul pentru folosirea particulelor magnetice în

domeniul medical a fost acela de a transporta o cantitate dorita de medicament spre o tinta dorita si eliberarea sa cu o viteza controlata. Particulele magnetice coloidale pot fi în principiu folosite drept transportori medicamentosi, datorita sensibilitatii lor la un câmp magnetic extern: la aplicarea unui câmp magnetic extern, particulele pot fi dirijate spre o zona specifica si pot fi retinute acolo o perioada de timp. Din moment ce particulele nu sunt împrastiate în sistemul circulator sangvin, recunoasterea si eliminarea lor de catre fagocite poate dura mult timp.

Materiale magnetice pot fi aplicate la separarea celulelor, teste imunologice, imagistica prin rezonanţă magnetică (IRM), eliberarea medicamentelor direct in organism, chirurgia minim invazivă, terapia de radionuclizi, hipertermie şi aplicaţii musculare artificiale .

Proprietăţile fizice care fac materiale magnetice atractive pentru aplicaţiile biomedicale sunt, în primul rând, că pot fi manipulate de un câmp magnetic extern – aceasta este util pentru separare, teste imunologice de medicamente şi de direcţionare, şi al doilea, de histerezis şi alte pierderi ce apar în câmpurile magnetice alternative.

În corpul uman, există o mişcare constantă de ioni în interiorul şi în afara celulelor cât şi la nivelul membranelor celulare. Această activitate electrică este responsabila pentru câmpurile magnetice, numite domenii biomagnetice, pe care le putem măsura cu ajutorul instrumentelor sensibile plasate in afara corpului.

Materialele magnetice sunt clasificate ca fiind: diamagnetice, paramagnetice sau feromagnetice.

Magnetismul si materiale magnetice au fost folosite de mai multe decenii, în multe aplicatii medicale moderne, şi mai multe aplicaţii noi sunt dezvoltate datorită disponibilităţii de electromagneţi superiori, magneţi supraconductori şi magneţi permanenţi.

Pe suprafata nanoparticulelor se pot imobiliza, în functie de obiectivul ales, enzime, anticorpi, substante biologic active, care pe baza fenomenului de recunoastere moleculara actioneaza pentru izolarea si separarea de molecule specifice.

Pe plan international, interesul în ceea ce priveste nanostructurile rezulta din aplicabilitatea acestora în diverse domenii de activitate cum ar fi stiinta materialelor, biomedicina, electronica, optica, magnetismul si electrochimia. Imobilizarea enzimelor, anticorpilor, oligonucleotidelor sau a altor compusi biologic activi este o tehnica foarte importanta si larg utilizata în domeniul biologiei si biotehnologiei.

Modul de mişcare al particulelor magnetice in câmp magnetic extern

Din punct de vedere al biomedicinei, aplicatiile acestora se împart în doua categorii: „in vivo” si „in vitro”.

„In vivo”, adica aplicatii terapeutice, în domeniul transportului medicamentelor, precum si aplicatii în ceea ce priveste diagnosticarea prin dezvoltarea unei noi clase de farmaceutice numite magnetomedicamente.

Aplicatiile „in vitro” se refera la simplificarea testelor de laborator, spre exemplu extractia în faza solida (SPE) se poate face prin adaugarea în proba a unui adsorbant magnetic. Tehnica este cunoscuta sub denumirea de extractie în faza solida magnetica (MSPE); compusul de interes fiind adsorbit pe suprafata compusului magnetic si recuperat din solutie cu ajutorul unui separator magnetic.

Datorita faptului ca particulele de Fe pot fi transportate prin sistemul vascular si concentrate într-o anumita parte a corpului sub actiunea unui camp magnetic, cercetarea în biomedicina a devenit interesata de utilizarea acestora atât în domeniul diagnosticarii cancerului, cât si în domeniul terapiei din punct de vedere al transportului medicamentului la tesutul lezat. Reprezentare schematica a functionalitatii unui

suport magnetic pentru medicamente de direcţionare şi livrare de medicamente

Nanosenzori

2002 2005 2015

Com

plex

itate

a M

isiu

nii

Capacitatea sezorului1999DSI RAX

2003ISPP

Misiuni prea timpuriiPentru impactul nanotehnologiei

Biosensors

Statii spatiale

Europa Sub

Colonii de roboti pe Marte

Senzor Web2020

Senzori optici

Nanopor pentru senzori in situ

Multi-senzori (Chemici,

optici si bio)

2010

Sharp CJV

2002 2005 2010 2015

NANOTUBURI

MATERIALE MULTIFUNCTIONALE

SO3- SO

3SO

3- -H

+ H +H +

SO3-

SO3-

Ca++

SO3-

SO3-Ca++

SO3-

SO3-Ca++

Ca++

Tacky

Non-tackytemperature

MATERIALE REGENRATIVE

Nano-Materiale

MATERIALE CARE SE ANSAMBLEAZA

SINGURE

Nanotextile

Com

plex

itate

a M

isiu

nii

Structuri inteligente

2002 2010 2020 2030

Sisteme Biomimetice si inspirate din domeniul BIO

Com

plex

itate

a M

isiu

nii

ADN

Nanopori Artificiali de mare rezolutie

Sistem de detectare a vietii

pe Marte

Senzori Web

Nanopori Artificiali de mica rezolutie

Structuri regenerative si

sisteme de protectie termica

Sisteme spatiale inspirate din domeniul

Bio

Transport Spatial

Vă mulţumesc pentru atenţie !Vă mulţumesc pentru atenţie !