Cải thiện màng phủ cho vật liệu cấy ghép trong lĩnh vực chấn thương và chỉnh hình

Các nhà khoa học ở Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã nghiên cứu thành công nghệ chế tạo màng phủ TiN bằng phương pháp phún xạ magnetron trên nền hợp kim titan y sinh (Ti6Al4V) và ứng dụng kỹ thuật xử lý siêu âm bề mặt để nâng cao tính chất của màng phủ TiN.

Chuẩn bị bề mặt mẫu hợp kim Ti6Al4V và thiết bị phún xạ magnetron Univex 400 tại Viện Khoa học vật liệu.

Từ lâu, các bác sĩ trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình đã sử dụng vật liệu cấy ghép để thay thế những chi tiết bị hỏng hoặc mất của cơ thể, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cũng như kéo dài tuổi thọ của bệnh nhân. Titanium (Ti) và hợp kim Ti đang là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực này, nhờ ưu điểm rõ rệt về khả năng tương thích sinh học, tính chống ăn mòn và tính chất cơ học vượt trội.

Trong các hợp kim của Ti, Ti6Al4V là hợp kim tiêu chuẩn đầu tiên được ứng dụng làm vật liệu y sinh và đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Tuy nhiên, việc giải phóng ra các ion Al và V hoặc chất đào thải trong quá trình mài mòn không những giảm tuổi thọ của vật liệu mà còn gây ra những triệu chứng viêm nhiễm và sự đổi màu các mô xung quanh của bệnh nhân. Để giải quyết vấn đề này, việc tìm ra màng phủ cho vật liệu hợp kim Ti6Al4V đáp ứng các yêu cầu về khả năng chống mài mòn, ăn mòn và đảm bảo độ bền cơ học để không bị biến dạng khi xử lý tiệt trùng, đồng thời có sự tương thích sinh học tốt với cơ thể người là vấn đề cấp thiết.

Trong những thập kỷ qua, màng TiN là một trong các lớp phủ đầu tiên được phát triển cho các chi tiết cấy ghép, thay thế khớp và cố định xương, làm giảm hiện tượng bào mòn ở bề mặt khớp và ngăn thôi nhiễm các ion kim loại. Ngoài ra, màng phủ TiN còn được sử dụng để tăng cường độ cứng, giúp duy trì độ sắc của các dụng cụ y tế như lưỡi dao mổ, khoan cắt xương, tăng khả năng kháng khuẩn, cải thiện điều kiện vệ sinh. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý để chế tạo màng phủ thường chứa các khuyết tật và lỗ xốp. Chính điều này đã làm cho màng phủ chế tạo bị giới hạn về các tính chất cơ và tính chất hóa lý.

Theo thông tin được Trung tâm Thông tin - Tư liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đăng tải, nhận thấy những ứng dụng quan trọng của màng phủ TiN trong nhiều lĩnh vực, TS. Lương Văn Đương và các cộng sự thuộc Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã hợp tác với Viện Âm kỹ thuật, Viện Hàn lâm Khoa học Belarus thực hiện đề tài “Ứng dụng xử lý siêu âm nhằm nâng cao tính chất của màng TiN trên nền hợp kim titan y sinh chế tạo bằng phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD)”.

Việc ứng dụng xử lý siêu âm là vì gần đây phương pháp xử lý bề mặt bằng siêu âm đã được các nhà khoa học trên thế giới chứng minh là có thể giúp nâng cao các tính chất của màng như độ cứng, khả năng chống ăn mòn và mài mòn. Kết quả nghiên cứu trước đó cho thấy, mẫu màng TiN sau khi xử lý bề mặt bằng siêu âm tại tần số 19,6 kHz thì độ mấp mô bề mặt của màng đã giảm xuống đáng kể, đồng thời mật độ xít chặt của màng tăng lên giúp cải thiện tính chất cơ và khả năng chống ăn mòn, mài mòn cho màng phủ TiN.

Trong nghiên cứu này, các mẫu màng phủ TiN đã được các nhà khoa học chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron. Trong đó, ảnh hưởng của công suất phún xạ và lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và tính chất của màng được nghiên cứu gồm: cấu trúc pha, hình thái học bề mặt - mặt cắt ngang, độ cứng và hệ số ma sát. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của công suất phún xạ cho thấy, màng chế tạo có cấu trúc đơn pha mạng lập phương tâm mặt. Ảnh hiển vi điện tử quét chỉ ra màng có các tinh thể dạng cột, cùng với tốc độ tạo màng tăng lên khi công suất phún xạ tăng. Thêm vào đó, độ cứng của màng đạt giá trị cực đại (22,8 GPa ± 1,2 GPa) tại công suất phún xạ 250 W và hệ số ma sát thấp nhất (0,42) tại công suất phún xạ 150 W.

Mô hình thiết bị phún xạ chế tạo màng TiN.

Các nhà khoa học đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và tính chất của màng TiN. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 10 đến 30 sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ theo mặt (111) của màng TiN tăng dần, đồng thời hình dạng hạt phún xạ có sự thay đổi từ dạng cấu trúc nhiều mặt sang cấu trúc cầu. Tại lưu lượng khí N2 là 25 sccm, màng TiN thu được cấu trúc hạt mịn (khoảng 60 nm) cùng với giá trị độ cứng cực đại (24.8 ± 1.8 GPa). Độ bền bám dính của màng TiN tại các lưu lượng khí N2 khác nhau đều có tải tới hạn > 30 N. Ngoài ra, kết quả đo ăn mòn điện hóa cũng chỉ ra rằng, màng phún xạ tại tỉ lệ khí khác nhau có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với hợp kim titan y sinh Ti6Al4V. Thêm vào đó, bằng phương pháp xử lý siêu âm bề mặt màng TiN đã cải thiện được một số tính chất như độ mấp mô bề mặt, độ cứng…

Các kết quả nghiên cứu đã được nhóm công bố trong các bài báo như bài “Impact of reactive nitrogen flow on morphology, mechanical properties, and biocorrosion behavior of sputtered TiN coatings towards orthopedic applications” trên Surface Topography Metrology and Properties, bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất phún xạ đến tính chất của màng TiN chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron” trên Journal of Science and Technology of Metals.

“Việc cải thiện được các tính chất của màng phủ TiN bằng phương pháp xử lý siêu âm có thể làm tăng tuổi thọ cho các chi tiết cấy ghép. Kết quả này cũng tạo tiền đề mở rộng phạm vi ứng dụng cho màng phủ nitrua trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác”, TS. Lương Văn Đương cho biết. Tuy nhiên, ông cho rằng cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn, đặc biệt là thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm khả năng tương thích sinh học trong giả dịch thể người hoặc trên động vật để có thể đánh giá được mức độ tương thích nhằm định hướng ứng dụng trong thực tế.

Khoahocphattrien