Tribological Characterization of a Novel UHMWPE Hybrid Nanocomposite Coating for Biomedical Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF M.S_Thesis_-_Zahid_Uwais_-_Dec_2017.pdf - Accepted Version Download (10MB) | Preview

Arabic Abstract

يستخدم التيتانيوم وسبائكه على نطاق واسع في المجال الطبي للتطبيقات الطبية الحيوية فى زراعة الأسنان و العظام و تطبيقات اخرى .و نظرا لان مقاومة التيتانيوم للبرى منخفضة ، قد أجريت العديد من الدراسات لتحسين خصائص سطح التيتانيوم وسبائك التيتانيوم عن طريق استخدام طرق عديدة لتعديل السطح. تم في هذه الدراسة استكشاف طريقة جديدة لاستخدام طلاء هجين من النانو البوليمر لتعديل سطح التيتانيوم المتاح تجاريا (التيتانيوم النقي و Ti6Al4V) و سبيكة تيتانيوم مطورة حديثا (Ti20Nb13Zr). يتم اجراءالطلاء باستخدام عملية الطلاء بالرذاذ. و تم اختيار البولي ايثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) كمصفوفة للطلاء بسبب توافقها الاستثنائي مع الخصائص التريبولوجية. ومع ذلك، نظرا لانخفاض قدرتها على تحمل الاحمال فان أنابيب الكربون النانوية (CNT’s)تم استخدامها كمدعم. وتعمل أنابيب الكربون النانوية في طلاء النانو على رسو سلاسل البوليمر ، التي لها خصائص ميكانيكية ممتازة. تم اختيار الوزن الامثل لمحتوى أنابيب الكربون النانوية بناء على الخصائص التريبولوجية باستخدام ثلاثة نسب وزن مختلفة (0.5، 1.5 و 3). تم إدخال هيدروكسيباتيت في الطلاء المركب النانومترى الأمثل لتعزيز التوافق الطبى للطلاء نظرا لقدرتها على ربط مباشرة إلى العظام الطبيعية، وبالتالي، تسريع النشاط الحيوي والعظمية. هذا ممكن بسبب مكوناته المعدنية المماثلة إلى العظام الطبيعية والأسنان. ولذلك، تم تحسين طلاء نانوكومبوسيت الهجين لنسب مختلفة من وزن الهيدروكسيباتيت (0.5، 1.5، 3 و 5). تم تقييم تشتت أنابيب الكربون النانوية و هيدروكسيباتيت من قبل مطياف رامان الطيفي و صور الميكروسكوب الالكترونى . وقد لوحظ ارتفاع التحول من االنطاق G ل 1.5 wt٪ من أنابيب الكربون النانوية مقارنة مع 0.5 و 3wt٪ أنابيب الكربون النانوية تشير إلى التشتت جيدة، وأظهرت الصور الميكرسكوب الالكترونى توزيع حتى ل 1.5wt٪ أنابيب الكربون النانوية و 3wt٪ هيدروكسيباتيت في مصفوفة البوليمر. لوحظت زيادة في 37٪ من صلابة عند إضافة أنابيب الكربون النانوية من 0wt٪ إلى 3wt٪ في مصفوفة UHMWPE. وقد تحققت أفضل النتائج التريبولوجية والخدش ل UHMWPE المعززة مع 1.5wt٪ أنابيب الكربون النانوية و 3wt٪ هيدروكسيباتيت ، وكان الطلاء قادرة على الحفاظ على 250،000 دورة دون الفشل، لحمل 12نيوتن بسرعة انزلاق 0.1 متر/ ثانية، في حين فشل UHMWPE في 3600 دورة، لنفس الشروط . UHMWPE عززت مع 1.5wt٪ أنابيب الكربون النانوية و 3wt٪ طلاء هيدروكسيباتيت لم تفشل خدش التقدمي الخطي لحمل نهاية من 30 نيوتن. وأظهر طلاء النانو الهجين المركب المطور أداء تريبولوجيا ممتازا من حيث الاحتكاك المنخفض، ومعدل التآكل المنخفض، وحماية المواد المواجهة بالمقارنة مع جميع الركائز الاساسية.

English Abstract

Titanium and its alloys are extensively used in the medical field for biomedical applications for dental and orthopedic implants. However, due to its poor wear resistance, several studies have been conducted to improve the surface properties of titanium and its alloys through several methods of surface modification. A new approach of using a polymer hybrid nanocomposite coating to modify the surface of commercially available titanium (pure titanium and Ti6Al4V) and a newly developed titanium alloy (Ti20Nb13Zr) is explored in this study. The coating is achieved by implementing a novel electrostatic spray coating process. Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) has been selected as the parent matrix for the coating due to its excellent biocompatibility and tribological properties. However, due to its low-load bearing capacity carbon nanotubes (CNT’s) are used as reinforcement. CNT’s in the nanocomposite coating bridge the polymer chains by anchoring them, ensuring excellent mechanical properties. CNT content was optimized based on its tribological performance using three different wt% of CNT (0.5, 1.5 and 3). Hydroxyapatite (HA) was introduced into the optimized nanocomposite coating to enhance the biocompatibility of the coating. HA increases the biocompatibility due to its ability to bond directly to the natural bone, thus, accelerating bioactivity and osteocoductivity. This is possible due to its similar mineral constituents to natural bone and teeth. Therefore, the hybrid nanocomposite coating was optimized for varied wt% of HA (0.5, 1.5, 3 and 5). The dispersion of CNT’s and HA was evaluated by Raman spectroscopy and SEM images. Higher shifting of the G-band was observed for 1.5wt% CNT compared to 0.5 and 3wt% CNT indicating good dispersion, SEM images showed an even distribution for 1.5wt% CNT and 3wt% HA in the polymer matrix. An increase in 37% of hardness was observed upon addition of CNT from 0wt% to 3wt% into the UHMWPE matrix. Best tribological and scratch results were achieved for UHMWPE reinforced with 1.5wt% CNT and 3wt% HA, the coating was able to sustain 250,000 cycles without failure, for a load of 12N at a sliding velocity of 0.1m/s, whereas pristine UHMWPE failed at 3600 cycles, for the same parameters. UHMWPE reinforced with 1.5wt% CNT and 3wt% HA coating did not fail for a linear progressive scratch for an end load of 30N. The developed hybrid nanocomposite coating showed excellent tribological performance in terms of low friction, low wear rate and protecting the counterface material as compared to all the bare substrates.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Aqeeli, Nasser
Committee Co-Advisor:	Mohammed, Abduk Samad
Committee Members:	Laoui, Tahar and Hussein, Mohamed Abdrabou and kumar, Madhan
Depositing User:	ZAHID BADURUTHAMAL (g200960170)
Date Deposited:	02 May 2018 12:57
Last Modified:	01 Nov 2019 16:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140673