Structura Si Proprietatiile de Suprafata Ale Biomaterialelor

7/22/2019 Structura Si Proprietatiile de Suprafata Ale Biomaterialelor

1/50

Curs 4

SL Dr Ing Iulian ANTONIAC

Biocompatibilitate


2/50

Curs 4

Structura si propr ietatii le de suprafataale biomater ialelor


3/50

n funcie de compoziiachimic debaz

Materialele organice

(au ca elemente debaza: carbonul,

hidrogenul, oxigenul siazotul)

Materiale anorganice

(sunt substante simplesau compuse de tipul

oxizilor, sarurilor,halogenurilor)

In functie de parametrii de stare exteriori (temperatura, presiune) si interiori (natura siconcentratia elementelor chimice componente), materialele pot exista in natura in toate celepatru stari de agregare:

Consideraii generale Materialele sunt constituite din pri foarte mici, numite

elemente chimice. Un element chimic se definete ca fiind cea mai micparte desubstan care poate fi decelat prin metode fizice i chimiceobinuite. Mai multe elemente chimice (de acelai fel sau diferite) se potcombina pentru a forma ansambluri de elemente ntre care se stabilesclegturichimice.

Atunci cnd un ansamblu de elemente nu poate fi decelat prinmetode fizice obinuite,el este o moleculchimic(compus chimic)


4/50

Consideraii generale Materiaeste constituita din atomii cuprinsi in sistemul periodic al elementelor. Solidele se

deosebesc de celelalte striale materiei (lichida si gazoasa) prin faptul ca atomii constituenise afla sub influenta unor forte interatomice puternice.

Structurile electronice si atomice,si aproape toate proprietatiile fizice,depind de natura sirezistenta legturilorinteratomice.

Sunt cunoscute mai multe tipuri de legturiinteratomice.a) Legatura ionica - In legtura ionica, atomi donori de electroni (metalici) transfera unul sau mai muli

electroni ctreun atom acceptor de electroni (nemetalic). Cei doi atomi devin astfel cation (metalul) sianion (nemetalul) care sunt puternic atrai prin efectul electrostatic. Aceasta atracie a cationilor si

anionilor constituie legturaionica

b) Legatura covalenta - Elementele care se afla la limita dintre metale si nemetale, cum ar fi carbonul sisiliciul, poseda atomi cu patru electroni de valenasi tendineegale de a dona si accepta electroni. Din acestmotiv, ele nu formeazlegturiionice puternice dar vor forma structuri electronice stabile prin punerea incomun a electronilor de valena. Aceasta pereche de electroni pusa in comun constituie legturacovalenta

c) Legatura metalica - Modelul care explica aceasta legtura infatiseaza atomii aranjai intr-un model

tridimensional ordonat care se repeta, avnd electronii de valenain migrare, sub forma unui gaz, intre toiatomi. Cristalul metalic este format din miezuri ionice pozitive, atomi fara electroni de valena, in jurulcroracircula electronii negativi. Aceasta legtura conduce la o structura cristalina ordonata, aranjata lanivel atomic si la o configuraieelectronica unica

d)Legatura Van-der-Waals se realizeaza prin polarizarea interna a sarcinilor (formarea dipolilor) atomilorsau moleculelor vecine, fiind o legatura de absorbtie slaba, electrostatica, de dipol.


5/50

Consideraii generale

Structurareprezinta modul de organizare interna de alctuire din parti componentea unui material sau sistem material.

Tipuri le principale de structur i

(natura si numarul particulelor nucleare)

(numarul, numerele cuantice, distributia electronilor in straturi, substraturi si orbitali)

(tipul legaturii chimice realizate prin interactiunea electronilor de valenta din atomii componenti)

(tipul celulei elementare cristaline )

(tipul si proportia constiuentilor microstructurali, observate cu ajutorul unui microscop)

(structura observata cu ochiul liber sau cu o lupa)


6/50

Materialemetalice

Materialepolimericeorganice

Materialeceramice

Compozite

Compozite cu matrice

polimerica si

umplutura metalica

Compozite cu matrice

polimerica si

umplutura ceramica

Compozite cu

matrice metalica si

umplutura ceramica

Consideraii generale


7/50

Structurile cristaline ale carbonului:

(A) Diamant (sistemul cubic) (B) Grafit (sistemul hexagonal)

Proprietate Diamant Grafit

Duritate Cea mai ridicat Foarte sczut

Culoare Lipsit de culoare Negru

Conductivitate electric Sczut Ridicat

Densitate (g/cm3) 3,51 2,25

Cldura specific

(cal/gmatm/0

C)

1,44 1,98

Exemplu(corelaia structur-proprieti-utilizare)

Carbonul (C)


8/50

Structura cristalin a materialelor

Structura cristalin i legtura metalic reprezint cea o caracteristic importanta materialelor metalice

Cea mai micporiunedintr-o reeaspaialcare pstreazsimetria ntregii reeleeste celula elementardefinitprin parametrii ei, care sunt vectorii a, bic (muchiilecelulei elementare) iunghiurile(ntre bic), (ntre (aic) i(ntre (aib).

Repetarea periodic tridimensional a celulei elementare conduce la obinereareeleispaialerespective, pe a creiregularitate i simetrie se bazeazaproape toate

proprietilemetalelor

Reprezentarea schematic a:

-reelei spaiale (a)-celulei elementare cu parametri i

caracter istici (b)

Aranjamentul ordonat al atomilor ntr-un cristal real constituie structura

cristalin a acestuia; simetria structurii cristaline corespunde structurii reeleispaiale, dar trebuie s se in seama c atomii nu ocup poziiile respective n

complet imobilitate, ci ei vibreaz (oscileaz) n jurul acestor poziii, ceea cedeterminca n cristalele reale sexiste totdeauna numeroase imperfeciuni.


9/50

Elementele principale care caracterizeaz reeaua cristalin sunt:

a) Parametrul reelei- reprezint distana dintre centrele imaginare a doi atomi vecinipe muchia principal a reelei.

b)

Unghiurile , , -pe care le fac muchiile celulei elementare ntre ele i care,mpreun cu parametrul de reea, determin sistemul de cristalizare al metaluluirespectiv.

c)

Direciilede mare densitateatomicsunt considerate direciilen care doi sau maimuliatomi sunt tangeni ntre ei. Notatie: (indicii lui Miller) etc. ,iar familiile de direcii:[111], [110] etc.

Direciacristalin,este definitprin trei indici u, v, w, care reprezintcele mai micicoordonate ntregi ale unui vector ce trece prin originea axelor de coordonate alecelulei ieste paralel cu direciacristalindat.

d)

Planele de maximdensitate atomic{111,adicacele plane formate din atomiicare au cea mai compact aezare (cele mai compacte plane sunt acelea n carefiecare atom este nconjurat de ase atomi dispui hexagonal). Notatia planeloratomice : (111), (119), (100) etc. Familiile de plane se notateaza : 111, 110etc.

Planul cristalografic este definit prin indicii h, k, l care reprezintvalorile inversentregi ale segmentelor pe care le formeaz planul prin intersecia axelor decoordonate.



10/50

e)

Numrulde coordonaie, C, reprezint numrul de atomi care segsescla o distanminimde un atom dat.

O dat cu creterea valorii numrului de coordonaie, crete i razaatomic. Astfel, la sistemul CVC, numrulde coordonaie C= 8 atomi;la sistemul CFC, C= 12 atomi ila sistemulHC, C= 12 atomi.

f)

Numrul de atomiAcare aparin unei celule elementare este:



11/50

1. Sistemul tr iclinic se construietepornind de la reeauaoblic,aezndplanele astfelnct nodurile din planele succesive snu se afle pe aceeaivertical. n acest felputem construi o singurreea,numittriclinicsimpl(a). Celula elementaresteun paralelipiped oblic cu baza un paralelogram.


Sisteme de cristalizare


12/50

2. Sistemul monocl inic coninedoutipuri de reele Bravais: reeauamonoclinicsimpl(a)i reeaua monoclinic cu volum centrat (b), ambelele construite pe baza reelei planeoblice. La prima, nodurile din planele succesive se aflpe aceeaivertical, n timp ce lacea de-a doua, nodurile din planul urmtorse afldeasupra centrelor paralelogramelor dinplanul precendent. Celula elementar a reeleimonoclinice este un paralelipiped drept cubaza paralelogram. Reeaua monoclinic cu volum centrat apare ca o reea complex

coninnddounoduri n celula elementar(de notat cnodurile din coluricontribuie cu1/8 din celula respectiv, acestea aparinndla opt celule vecine).




13/50

3. Sistemul ortorombic (ortogonal sau rombic) avnd ca celul un paralelipiped drept cu baza

dreptunghiular conine patru tipuri de reele Bravias: ortorombicsimpl (a), care se construietepornind de la reeuaplan dreptunghiular, aeznd nodurile pe aceeai vertical; ortorombic cuvolum centrat (b) se construiete din reeauaplan dreptunghiular, nodurile din planele succesiveaezndu-se deasupra centrelor dreptunghiurilor din planul precendent;ortorombiccu baze centrate(c) se construiete pornind de la reeua plan rombic, astfel ca nodurile din planele succesive s fieunele deasupra altora; aceast reea apare ca reea complex cu dou noduri pe celula elementar(nodurile de pe feecontribuie la celulcu 1/2), dar se poate construi io celulprimitiv; ortorombiccu feecentrate (d) se construietepornind de la reeauarombic,plasnd nodurile n plane succesive;aceast reea apare de asemenea, complex, cu patru noduri pe celula elementar, celula primitivromboedricputnd fi aleasn mai multe feluri.




14/50

4. Sistemul hexagonal se construiete pornind de la reeuaplan hexagonal prinaezareanodurilor din planele succesive unele deasupra altora. Sistemul conine osingur reea Bravais (hexagonal simpl) caracterizat prin parametrii de reeaprezentain figura 4.



(a=b)


15/50

5. Sistemul romboedric sau tr igonal se construiete pornind tot de la reeauaplanrombic, plasnd nodurile din planele succesive deasupra romburilor din planeleprecedente, astfel ca relaiile dintre parametrii sistemului s fie cele din figura 5.Sistemul conineo singurreeaBravais, trigonalsimpl; generarea acestui sistempoate fi imaginatprin deformarea unui cub dupdiagonalaprincipal.




16/50

6. Sistemul tetragonal sau ptratic, avnd ca celulo prismdreaptcu bazaptratsegenereazpornind de la reeauaplanptraticn douvariante: tetragonalsimpl(a) n care nodurile din planele succesive se aeaz unele deasupra altora;tetragonal cu volum centrat (b) n care nodurile din planele succesive se aeazdeasupra centrelor ptratelor din planele precendente. Aceast reea apare drept

complex, cu dou noduri pe celula elementar, ns o celulprimitiv se poatealege sub forma unui romboedru.




17/50

7. Sistemul cubic se genereazpornind de la reeauaplanptrtic. Coninetrei tipuride reele Bravais: cubic simpl (a), cubic cu volum centrat (b), cubic cu feecentrate (c). Ultimele dou reele se construiesc la fel ca n cazul sistemuluiortorombic. Acestea apar drept complexe, cu 2 i respectiv 4 noduri pe celulaelementar,iar celulele primitive sunt romboedre.




18/50

Aceste 14 reele sunt singurele reele Bravais tridimensionale. Modificarea

uneia din ele, prin adugarea de noduri pe fee, pe muchii sau n centrulcelulei, conduce la o altreeaBravais din cele 14 descrise.




19/50

Celule elementare frecvente la metale

hexagonal compact

cub cu volum centrat

cub cu fee centrate



20/50

Imperfectiuni chimice i de cristalinitatein materialele metalice reale

Modurile in care se obtin metalele din

minereurile in care sunt continute, prin procedee

piro-, hidro- sau electrometalurgice, fac ca

metalele reale sa contina proportii variabile de alte

elemente insotitoare, provenite din minereuri sau

din alte materiale utilizate la elaborare.

IMPURITATI

Unele dintre impuritati sunt solubile in metale solide,

astfel ca prezenta atomilor lor, de dimensiuni si cu

proprietati diferite de ale atomilor metalici de baza,

tulbura asezarea ordonata a cationilor si modificacampurile de forte energetice din reteaua cristalina,

efectele fiind mai mari atunci cand atomii de

impuritati solubile se distribuie neomogen, in

concentratii neuniforme, in cristal.

SEGREGATIE


21/50

mperfectiuni de cristalinitate in metalele realeDin punctul de vedere al modului de localizare in cristal, imperfectiunile de

cristalinitate se clasifica in:

1 zero dimensionale sau punctuale (localizate

in nodurile retelei cristaline);

2 monodimensionale sau liniare (limitate la

siruri sau linii de ioni);

3

bidimensionale sau plane (formand

suprafete sau plane atomice);

4

tridimensionale sau volumice (concentratein mici elemente de volum).


22/50

1. Defecte punctuale de reea

Alturide componenide reeasubstituiicu atomi strinise mai deosebesc formele debaz,vacante iatomi interstiiali. Orice cristal coninen reeaun numrde goluri - vacane- care cretecu cretereatemperaturii reelei. Fraciuneade vacane raportata la un cristal fara defecte, la temperatura camereieste de cca 10-12. Energia de formare a vacanelorn metale este proporionalntructva cu entalpiade vaporizare. Prin existenaunui defect punctual n cristalele cu legturaionicia natereo polarizarepozitivsau negativlocaln reea. n multe reelecristaline ntre nodurile reeleise depozitea-znspecial atomi strinimici, ca de exemplu H, C, N, numiiatomi interstiiali. Ansamblul vacana-atominterstiialcorespunztorse numetepereche Frenkel.

mperfectiuni de cristalinitate in metalele reale


23/50

2. Defectele monodimensionale de reea

Imperfectiunile monodimensionale (liniare ) reprezinta siruri (linii) de atomi, drepte sau curbe, delungime limitata, care sunt dislocate din pozitia specifica cristalului ideal, fapt pentru care senumesc pe scurt dislocatii. Pentru explicarea formarii si amplasarii dislocatiilor in cristalele realerecurgem la un model mecanic, bazat pe posibilitatea pe care o au planele cristalografice de a alunecaunul peste altul de-a lungul unui plan de alunecare imaginar, paralel cu planele centrelor cationilordin doua plane cristalografice vecine (planul tangent comun celor doua plane atomice.)



24/50

3. Imperfectiunile plane

3.a. Sublimite silimite intrafazice

3.b. Defecte deimpachetare.

Macle si limitede macle

3.c. Defecte planelimite) interfazice



25/50

Modurile in care se

elaboreaza si se prelucreaza

materialele metalice face cagradul de perfectiune al

retelei cristaline sa cuprinda

microvolume relativ mici,

care se asociaza in agregate

poli-microvolumice,

constituind cristalesubmicroscopice (subgraunti)

sau microscopice (graunti sau

microcristale).Modurile in care se pot produce dezorientarea blocurilorcristaline ideale si formarea defectului de sublimita. a)

sublimita de inclinare; b) sublimita de rotire

Sublimitele, limitele de graunte si limitele de macle prezentate anterior suntdefecte plane intrafazice, in sensul ca delimiteaza si separa intre ele microvolumeale aceluiasi metal real solid, cu acelasi tip de retea cristalina de o parte si de alta adefectului plan.

3.a. Sublimite si limite intrafazice



26/50

3.b. Defecte de impachetare. Macle si limite de macle

Abaterile de la succesiunile normale ale straturilor constituie un tip de imperfectiuniplane, denumite defecte de impachetare.



27/50

3.c. Defecte plane (limite) interfazice

Legatura interfazica coerenta (a) si semi-

coerenta (b) intre doua faze (portiuni de cristal

cu retele cristaline diferite)

Trecerea de la reteaua cristalina a metalului (fazei) de baza la cea a celei de a douafaze se face printr-o limita interfazica.

Dupa modul in care se trece de la

o faza la alta, limitele interfazice seclasifica in:o coerente,o semicoerente sio necoerente, reprezentand totatatea tipuri de legaturi interfazice.

In cazul limitelor (legaturilor)coerente, retelele cristaline alecelor doua faze au anumite planecristalografice cu aranjamentatomic similar, dar cu distante

internodale diferite (a1a2).



28/50

4. Imperfectiuni tridimensionale (volumice, spatiale)


In metalele reale apar si imperfectiuni care se extind in volume mai mici sau maimari.

Unele dintre acestea reprezinta discontinuitati sub forma de goluri:oacumulari submicroscopice de vacante (vacante condensate),osufluri,oporozitati,ogoluri de contractie la trecerea de la starea lichida la cea solida (micro saumacroretasuri),o

fisuri,ocrapaturi;oaltele reprezinta particule de faze straine :

oincluziuni metalice,onemetalice (oxizi, sulfuri, silicati, aluminati),oalte combinatii (carburi, nitruri, carbonitruri).


29/50

La dimensiuni imai mari, ntre 10-3-102m (detectabile prin microscopie optic

ielectronic),existun alt tip important de organizare stuctural. Cand atomiiunei probe topite sunt ncorporain cristale n timpul solidificrii,multe cristalemici se formeaz iniial i apoi cresc pana cnd se ating unul pe altul i totlichidul este consumat, moment n care proba este complet solida. Astfel,majoritatea corpurilor solide cristaline (materialele metalice i ceramice) suntcompuse din multe cristale mici sau cristalite, numii gruni, care sunt strnsmpachetai i legai puternic ntre ei. Aceasta este microstructura materialului

care poate fi observat la mriri la care rezoluia este ntre 1 i 100 m. nmaterialele elementare pure, toate cristalele au aceeaistructuridiferunul dealtul doar prin orientare. n general, aceste cristalite sau grunisunt prea mici sfie vzuiliber, observndu-se doar cu microscopul optic.

Majoritatea corpurilor solide sunt opace, deci nu se pot vizualiza folosind un

microscop optic cu lumin transmis (biologic), ci un microscop metalografic culuminreflectatla care lumina incidenteste reflectatde suprafaalustruitasuprafeeimetalice sau ceramice. Structura de graunise evideniazprin ataculsuprafeei cu un mediu uorcoroziv care atacprefereniallimitele de graunte iatunci cnd aceast suprafa este privit prin microscop, se pot observadimensiunea imrimeagrunilor,adicmicrostructura.



30/50

Mrimeade grunteeste una dintre cele mai importante caracteristici carepoate fi evaluatprin aceasttehnicdeoarece probele cu grauni fini sunt

n general mai puternic conturate decat probele cu graunimai grosolani dinacelaimaterial.

O altcaracteristic importantcare poate fi identificateste coexistenaadoua sau mai multe faze n unele materiale solide. Gruniiunei faze datevor avea aceeaicompoziiechimicistructurcristalin,dar grauniiceleide a doua faze, vor diferi din aceste doupuncte de vedere. Acest lucru nu

se ntmplniciodatn probele de elemente pure, dar apare n amestecurilede diverse elemente sau compui n care atomii sau moleculele pot fidizolvate unele n altele n stare solid, la fel ca i n soluie lichid saugazoas. De exemplu, unii atomi de crom pot substitui atomii de fier nreeaua cristalin cu fee centrate a fierului, dnd natere oelurilorinoxidabile, ce reprezinto soluiesolid-aliaj.

Ca i soluiile lichide, soluiile solide prezint limite de solubilitate; cndaceasta limiteste depit,cea de a doua fazprecipit. De exemplu, dacsunt introdui ntr-un oel inoxidabil mai muliatomi de crom dect poates primeasc reeua de fier cu fee centrate, atunci va precipita cea de adoua fazbogatn crom.



31/50

Difuzie = modificareapozitiilor atomilor (ionilor)

din corpurile gazoase,solidesau lichide.

Asadar difuzia poate fi definita prinmobilitatea atomilor in cadrul unui

material, iar deplasarea acestora se facepe distante foarte mari in raport cudistantele interatomice

DIFUZIA

! I n materi alele pure, atomii se deplaseaza la intamplare chiar si cand nu se apli ca for te externe.

Difuzia n materiale

Dif i t i l


32/50

-apare in procesele de autodifuzieatomica si consta in trecerea unuiatom intr-un loc vacant vecin. In

nodul din care a plecat atomul se

formeaza o noua vacanta carepoate fi ocupata de atomulvecin,etc. Astfel se realizeaza o

deplasare continua a vacantelor

1.Difuziavacantelor

Cand un atom interstitial cudimensiuni reduse fata deatomii retelei de baza esteprezent in reteaua cristalina,se poate deplasa prin salturiatomice in interstitiile retelei.Nu sunt necesare spatii libereca acest mecanism safunctioneze.

2.Difuzia

interstitiala

Mecanismele difuziei

Vacante

Interstitial

Difuzia n materiale

Difuzia n materiale


33/50

Uneori un atom din reteaua

cristalina paraseste nodul

retelei si ocupa un spatiuinterstitial. Aceasta difuzie

prin internoduri este

ingreunata din cauza

spatiului interstitial mic

Atomii se mai pot misca si

prin schimb de locuri intre

atomii vecini si printr-un

mecanism inelar de schimb

de locuri.

3.Alte

mecanisme

de difuzie

Internoduri

Schimb

Inelara

Difuzia n materiale

Mecanismele difuziei

Teoria aliajelor metalice


34/50

Aliajele metalice sunt substante complexeobtinute prin amestecarea la scara

atomica a unui metal numit componentde baza si aflat in proportia cea mai marein aliaj cu unul sau mai multe metalesau nemetale, numite componente deadaos sau de aliere.

Topire,

solidificare

Exista 2 tipuri de

aliaje:

Aliaje cu faze

multiple

Aliaje cu o

singura faza




35/50

Totalitatea aliajelor alcatuite

din aceiasi componenti

formeaza un sistem de aliaje. Omogene

daca au aceleasicaracteristici

fizico-chimice intoata masa lor.

Eterogene

daca sunt formatedin mai multe parti

omogene fizic si

chimic.

Sisteme

de aliaje

!O parte a unui sistem eterogen din punct de vedere fizico-chimic se numeste faza.

are aceeasi structura sau aranjament atomic peste tot.

are aproximativ aceeasi compozitie si proprietati peste tot.

exista interfata stabila intre faza si orice faza inconjuratoare.CARACTERIS

TICI



36/50

Fazele si constituentii structurali ai aliajelor metalice

In aliajele solide

pot sa apara 3tipuri de faze

distincte:

Metal pur

Solutie

solida

Compus

definit

se caracterizeaza prin

conductibilitate electrica sitermica mare, plasticitatemare si proprietati de

rezistenta( duritate, limita de

curgere, rezistenta la rupere)

scazute.

-este o faza alcatuita dintr-

o singura specie de atomi,

caracterizata printr-o retea

cristalina specifica .

1. Metalul

pur



37/50

Din punct de vedere al distributiei atomilor,

solutiile solide pot fi:

-solutii solide

de interstitie

-solutii solide

de substitutie

In solutiile solide interstitiale, atomii

componentului de adaos patrund

printre atomii metalului de baza, in

golurile de dimensiuni mai mari din

reteaua cristalina.

Solutiile solide se noteaza cu

literele alfabetului grec: , , , etc. Solutiile solide sunt fazele cele mai

frecvente in aliajele industriale si

aceasta datorita faptului ca in

solutiile solide predomina legatura

metalica, fiind posibila atat variatia

proportiei atomilor cat si distributia

lor intamplatoare

=reprezinta o faza care existape un interval de concentratii

si in care atomii sunt dispusiintr-o retea unica si au o

distributie static uniforma.

2. Solutiasolida



38/50

Din acest motiv li se mai

atribuie denumirea decompusi definiti.

Compusii intermetalicicristalizeaza in retele cristalinediferite de cele ale

componentilor si adeseorifoarte complexe.

Compusii intermetalici reprezintao categorie de faze din aliaje care

se formeaza la compozitii

determinate, corespunzatoare

unor anumite rapoarte intreelementele chimice componente,

exprimabile printr-o formula de

tipul AmBn, AmBnCp .

3. Compusi

definiti

In functie de conditiilein care apar si de tipul

legaturilor

interatomice, compusii

definiti se impart in:

a) compusi

electrochimicib)compusi

electronicic)compusi

geometrici


39/50

Constituentii metalografici

Examinarea la microscop a fazelor

dintr-un material prezinta aspecte

structurale specifice numite constituenti

structurali sau metalografici.

Aspectul schematic al structurii microscopice a

materialelor minofazice:

b) Solutie solida

neomogena.

Aspectul schematic al structurii

microscopice a unui aliaj format

din cristale de metal pur sau

compus chimic separate direct din

lichid si amestec mecanic.

a)metal pur, solutie

solida omogena,

compus chimic ;

Unmaterial

monofaziceste format

din una

dintre cele

trei faze:

L f l


40/50

Legea fazelor

Sistemele de aliaje se pot gasi fie in stare de echilibru, fie intr-o stare in afara

echilibrului. Conditiile de echilibru ale unui sistem pot fi date de legea fazelor

care arata dependenta gradelor de libertate, adica a factorilor externi sau

interni (temperatura, presiune, concentratie) de numarul componentilor si de

numarul fazelor.

Exemplu: -pentru un sistemformat dintr-un singur

component (N=1), gradul delibertate minim (V=0) poate fi

obtinut pentru P=2.

Deci pot exista simultan cel

mult doua faze si aceasta

numai la o anumita

temperatura.

Legea fazelor arata deci ca un aliaj poate contine un numar de faze cel mult

egal cu numarul componentilor, afara de cazul unor conditii de temperatura

constanta si compozitie ale fazelor fixe.

Legea

fazelor:V=N+2-P

V =varianta sistemului;

N =numarulcomponentilor;

P =numarul fazelor.


41/50

PROPRIETILE

BIOMATERIALELOR


42/50

Structura si proprietatiile de suprafata alebiomaterialelor

In aplicatiilemedicale,biomaterialele suntrar folosite casimple materiale sisunt in mod normalintegrate in

aparatura sauinstrumente.

Cateva aplicatii alematerielelorsintetice simaterielelornaturale modificatecare sunt folositein medicina:


43/50


S-a dovedit ca proprietatiile generale si proprietatiile de suprafaaale metalelor care aufost utilizate pentru implanturi influenteaza direct, iar in unele cazuri, chiar controleazdinamica de la interfaa esuturilor din momentul plasrii iniialepe viu pana laeliminarea finala. Se admite ca, biocompatibilitatea este un proces in doua sensuri intrebiomaterialele incorporate in aparatura si mediul gazda de implant.

Este foarte important sa se recunoascca materialele sintetice au caracteristici generale

si de suprafaa specifice care depind de proprietatiile lor. Aceste caracteristici trebuiecunoscute nainte de orice aplicaie medicala, dar acestea trebuie de asemeneacunoscute si in raport cu schimbrile care pot avea loc in timp in organism. Oriceschimbare in timp a proprietatiilor trebuie sa fie anticipata din pornire si motivata prinalegerea biomaterialelor si/sau proiectul de aparat.

Informaiile legate de proprietatiile de baza sunt disponibile prin intermediulstandardelor naionalesi internaionale,din manuale si reviste de specialitate de diversetipuri. Cu toate acestea, aceste informaiitrebuie evaluate in cadrul contextului utilizriirespectivului biomaterial, deoarece att aplicaiileacestuia cat si rspunsurileesuturilorgazda sunt specifice anumitor zone, de exemplu de tip cardiovascular (contact cusngele in curgere), ortopedic (solicitarea sub aciunea unei sarcini/greutatioperatioanle) si dentar (de percutare).


44/50


Caracter izarea suprafetelor mater ialelor - tehnici de investigare

Doua principii generale vor ghida analiza probelor. In primul rnd, toate metodele folosite pentru analizarea suprafeei au de

asemenea potenialul de a altera suprafaa. Este esenial ca persoana care

analizeazsa fie contientadepotenialulde distrugere al metodei folosite.

In al doilea rnd, datorita potenialuluiartefactelor/resturilor si al necesitaiimai multor informaiipentru construirea unei imagini complete a suprafeei,trebuie sa se foloseascmai mult de o metoda, ori de cate ori se poate.

Datele derivate din doua sau mai multe metode ar trebui ntotdeauna sa ficoroborate. Cnd datele sunt contradictorii, suspiciunile trebuie sa apara sisa ne ntrebam de ce. O a treia sau a patra metoda poate fi atunci necesara

pentru a trage concluzii corecte despre natura suprafeei.


45/50


Suprafata biomater ialelor este caracter izata de :

Tensiune superf iciala

Rugozitate

Morfologia suprafetei

Biocompatibilitatea


46/50


Tensiune superf iciala este o masura a energiei de coeziune prezenta la

interfata provenind din dezechilibrul de forte dintre moleculele de la

interfata

Forelede coeziune care se manifesta intre moleculele lichidului sunt forede tipVan der Waals iscad in valoare odatcu cretereadistaneidintre molecule.

Distanade la careforelede coeziune devin neglijabile (~10-7m) definetesferade aciunemolecular. Ele se manifesta in zona perifierica a oricarui lichid.

Forta care are tendinta sa micsoreze cat mai mult aria acestei suprafete perifericese numeste forta de tensiune superf iciala

Forele de atracie care se manifest intre molecule de natur diferit (solid-lichid, lichid-gaz) se numescforede adeziune.

Forelede adeziune icoeziune determinfenomenele superficiale.

Exemple: Datorit tensiunii superficiale este posibil ca anumite insecte s stea pe suprafaa

apei sau ca o lamde ras spluteascla suprafaaunui lichid, chiar daclama are odensitate mai mare dect lichidul inu poate pluti. Tensiunea superficialcauzeazapariiapicturilorsferice de lichid, ntruct lichidul tinde s-imicorezearia.

Se explica prin tendinta suprafetei expuse de-a se contracta cat mai mult posibil

datorita fortelor de coeziune a moleculelor de la suprafata lichidului.


47/50


Unghiul de contact poate fi masurat folosind un instrument numit goniometru masurarea cantitativa a udarii unui solid de catre un lichid

unghiul format de lichid la granita celor trei faze: lichida, gazoasa si solida

forma picaturii si marimea unghiului de contact sunt controlate de cele trei forte de interactiunea tensiunii interfaciale a fazelor participante (gaz, lichid, solid).

ecuatia Young se aplica pentru solide omogene, netede si rigide

Cu cat unghiul de contact este mai mare cu atat o suprafata este mai hidrofoba


48/50


Rugozitate- sau aspritatea este o notiune care defineste neregularitatiile unei suprafete, adicagradul ei de netezime

Presupunnd c suprafaa este orizontal ,rugozitatea se exprim cantitativ prin abaterile peverticalale suprafeeirespective fade forma ei ideal(plan, cilindric,sfericsau altformgeometric regulat)

Dacaceste abateri sunt relativ mari, suprafaaeste mai rugoas, iar ncaz contrar ea este maipuinrugoas(mai neted).

Rugozitatea mare a unei suprafee nseamn n general un coeficient de frecare mai ridicat, ouzurmai rapidi, uneori, o coroziune mai timpurie,

iar rugozitate micnseamnaspect maiplcut

Rugozitatea este expr imata pr in diverse marimi specif ice:

Ravaloarea medie a rugozitatii, ca medie aritmetica a valorilor deviatiei de la profilul mediu, pe intreagalungime masurata

Rtadancimea de rugozitate, ca diferenta masurata intre cel mai inalt punct si cel mai adanc punct al suprafetei

Rzmedia valorilor R

tpe o lungime data


49/50


Masurarea rugozitatii In trecut rugozitatea era apreciata manual, prin comparatie cu mostre etalon de rugozitate. Apoi s-a trecut la profilometre, care palpeazasupraftaa si ridica profilul(traseul) suprafetei

Reprezentarea grafica la scara, se realiza pe hartie milimetrica, curba rezultata era analizata,ulterior fiind trasat a o linie medianaastfel putand fi estimata valoarea rugozitatii

Astazi se utilizeaza un rugozimetru (aparat specializat)

Metodele de masurare a rugozitati i se clasif ica in:

Metode cu contact (palpator mecanic) Metode fara contact (optice, magnetice, cu radiatii etc)

Palpatorul rugozimetrulu i cu contact mecanic:1. Varful parghiei2. Palpatorul3. Urmarirea traseului orizontal4. Parghia executa o miscare pe verticala5. Pe suprafata corpului a carui rugozitate se masoara6. Ca rezultat este inregistrata o curba

M t d d t i f t l


50/50

Metoda Principiul Adncimea

analizata

Rezolutia

spatiala

Sensibilitatea

analitica

Unghi de contact Umectarea cu lichid a suprafeelor estefolosita pentru estimarea energieisuprafeei

3-20 1mm Sczuta sau puternicdependenta destructura chimica

ESCA Radiaia X determina emisiaelectronica de energie caracteristica

10-250 10-150m 0,1 atom%

Spectroscopie

electronica Augerb

Fasciculul de electroni focalizatdetermina emisia de electroni Auger

50-100 100 0,1 atom%

SIMS Bombardarea ionica conduce la emisiade ioni secundari din suprafaa

10 -1mc 100 Foarte ridicata

FTIR-ATR Radiaia IR(infraroie) este adsorbitade vibraiile moleculare de excitare

1-5m 10m 1 mol%

STM Msurarea curentului tunel/de

strapungere intre vrful metalic sisuprafaa conductiva

5 1 Atomi singulari

SEM Emisia de electroni secundarideterminata de fasciculul de electronifocalizat este msurata si reprezentataspaial

5 Normal 40 Ridicata, dar nucantitativa

Metode de caracter izarea a suprafetelor

Structura Si Proprietatiile de Suprafata Ale Biomaterialelor

Documents

Transcript of Structura Si Proprietatiile de Suprafata Ale Biomaterialelor