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.
23
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
24
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.
25
CHƢƠNG 2 – CÁC PHƢƠNG 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
26
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:
(1) Sấy khô để khử ẩm.
(2) Nghiền nhỏ hạt tạo hạt mịn.
(3) Phân loại hạt bằng ray sàng để lựa chọn dải cỡ hạt phù hợp. (4) Ủ cải thiệt tính khả ép.
(5) Phối trộn vật liệu bột để đạt được hỗn hợp bột đồng nhất về thành phần. (6) Bổ sung chất bôi trơn cho quá trình ép.
(7) Phủ bột.
Cấu trúc xốp của hợp kim có thể có những kiểu khác nhau. Đối với vật liệu xốp thiêu kết không sử dụng chất tạo xốp, chỉ có một kiểu, người ta gọi là lỗ xốp vi mô hình thành trên nền hợp kim Titan trong quá trình thiêu kết. Tuy nhiên, trạng thái xốp đối với quá trình thiêu kết có sử dụng chất tạo lỗ trống bao gồm có hai phần, phần macro do chất tạo lỗ trống tạo nên, có hình dạng 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.
27
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.