Công nghệ chế tạo màng TiN trên nền hợp kim titan có triển vọng ứng dụng trong chấn thương chỉnh hình
Vật liệu cấy ghép trong lĩnh vực chấn thương và chỉnh hình được sử dụng, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cũng như kéo dài tuổi thọ của bệnh nhân. Ti và hợp kim Ti là vật liệu có ưu điểm vượt trội về khả năng tương thích sinh học, chống ăn mòn và tính chất cơ học. Do đó, chúng đang được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực y sinh.
Chuẩn bị bề mặt mẫu hợp kim Ti6Al4V và thiết bị phún xạ magnetron Univex 400 tại Viện Khoa học vật liệu
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 tình trạng viêm nhiễm và làm đổi màu các mô xung quanh. 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 ăn mòn và đảm bảo độ bền cơ học để không bị biến dạng khi xử lý tiệt trùng, đồng thời bảo đảm khả năng tương thích sinh học tốt với cơ thể con người là vấn đề cấp thiết. Đó là lý do các nhà khoa học tại Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu và làm chủ 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. Đây là kết quả nghiên cứu mới định hướng ứng dụng trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình, đồng thời có thể mở rộng phạm vi ứng dụng cho màng phủ nitrua trong nhiều ngành và lĩnh vực khác.
Trong nghiên cứu, các mẫu màng phủ TiN đã được 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, bao 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 khi công suất phún xạ là 250 W và hệ số ma sát thấp nhất tại công suất phún xạ 150 W. 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, cường độ đỉnh nhiễu xạ theo mặt 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. 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. Hơn nữa, 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…
TS. Lương Văn Đương cho rằng, 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. Đây là tiền đề mở rộng phạm vi ứng dụng cho màng phủ nitrua trong nhiều ngành và lĩnh vực khác. Tuy nhiên, cần 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.
