cuprinsul tezei de doctorat - Scoala Doctorala

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII,
TINERETULUI ŞI SPORTULUI
UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TÂRGOVIŞTE
FACULTATEA INGINERIA MATERIALELOR,
MECATRONICĂ ŞI ROBOTICĂ
Domeniul: Ingineria Materialelor
Rezumatul tezei de doctorat
CERCETĂRI PRIVIND NOI MATERIALE COMPOZITE HIBRIDE
CU PROPRIETĂŢI BIOFUNCŢIONALE/BIOCOMPATIBILE
***
RESEARCHES REGARDING THE NEW HIBRID COMPOSITE
MATERIALS WITH BIOFUNCTIONAL/BIOCOMPATIBLE
PROPERTIES
CONDUCĂTOR DE DOCTORAT:
Prof.univ.dr. Rodica Mariana ION
DOCTORAND:
Ing. Aurora Anca POINESCU
TÂRGOVIŞTE
2012

CUPRINSUL TEZEI DE DOCTORAT
MULŢUMIRI................................................................................................................................................ III
LISTA TABELELOR................................................................................................................................... IV
LISTA FIGURILOR..................................................................................................................................... VI
LISTA DE ABREVIERI............................................................................................................................... X
Introducere.................................................................................................................................................. 1
Planul obiectivelor urmărite în teza de doctorat...........................................................................................
PARTEA I - NOŢIUNI TEORETICE
4
CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL 6
BIOMATERIALELOR................................................................................................................................
I.1. Noţiunea de biocompatibilitate................................................................................................................ 6
I.2. Clasificarea materialelor biocompatibile................................................................................................ 9
I.2.1. Materiale biocompatibile polimerice.................................................................................................... 11
I.2.2. Materiale biocompatibile metalice....................................................................................................... 12
I.2.2.1. Aliaje pe baza de cobalt, crom, molibden ………………………………………………………… 14
I.2.2.2. Aliaje pe bază de titan şi nichel.......................................................................................................... 15
I.2.2.3. Oţelul inoxidabil tip 316L................................................................................................................ 15
I.2.3. Materiale biocompatibile ceramice..................................................................................................... 22
I.2.3.1. Hidroxiapatita................................................................................................................................... 24
I.3. Materiale compozite biocompatibile…………………………………………………………………… 31
I.3.1. Biocompozite metalo - ceramice bazate pe hidroxiapatită…………………………………………… 32
I.3.1.1. Biocompozite obţinute prin acoperiri filmate cu hidroxiapatită........................................................ 32
I.3.1.2. Biocompozite obţinute prin metalurgia pulberilor............................................................................ 42
I.4. Fenomene fizico - chimice la interfaţa metal – ceramică........................................................................ 47
I.5. Coroziunea biomaterialelor metalice....................................................................................................... 49
1.5.1. Coroziunea oţelurilor inoxidabile austenitice...................................................................................... 49
1.6. Aplicaţii ale biomaterialelor................................................................................................................... 52
1.7. Influenţa ionilor metalici în corpul uman...............................................................................................
PARTEA A II - A CERCETĂRI EXPERIMENTALE
CAPITOLUL II. METODE DE CARACTERIZARE A MATERIALELOR.......................................
56
64
II1. Spectrometria de absorbţie în IR ............................................................................................................ 64
II.2. Metode termogravimetrice de investigare.............................................................................................. 67
II.2.1. Analiza termogravimetrică (TG)......................................................................................................... 68
II.2.2. Analiza termogravimetrică diferenţială (DTG)................................................................................... 68
II.2.3. Analiza termică diferenţială (DTA)..................................................................................................... 68
II.2.4. Calorimetria diferenţială (DSC).......................................................................................................... 70
II.3. Împrăştierea dinamică a luminii (DLS)................................................................................................. 71
II.4. Analiza prin difracţie de raze X.............................................................................................................. 71
II.5. Metode microscopice de caracterizare………………………………………………………………… 73
II.5.1. Microscopie optică (MO)…………………………………………………………………………… 73
II.5.2. Microscopie electronică cu baleiaj (SEM)......................................................................................... 75
II.5.2.1. Microanaliza electronică prin EDAX............................................................................................... 77
II.5.3. Microscopie de forţă atomică (AFM)................................................................................................. 77
II.6. Spectrometria de absorbţie atomică (SAA)............................................................................................ 80
II.7. Spectrometrie prin fluorescenţă de raze X cu dispersie după energie (EDXRF)................................... 87
II.8. Metode de caracterizare mecanică ......................................................................................................... 91
II.8.1. Metode şi echipamente utilizate la încercarea de tracţiune…………………………………………. 91
II.8.2. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea durităţii ........................................................... 94
II.8.3. Metode şi echipamente utilizate pentru determinarea rugozităţii suprafeţei oţelului ……………….
CAPITOLUL III. METODE DE OBŢINERE ŞI CARACTERIZARE A HIDROXIAPATITEI.......
96
101
III.1. Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda precipitării umede..................................................................... 101
III.1.1. Caracterizarea pulberilor de hidroxiapatită obţinute prin precipitare umedă..................................... 103
3

III.1.1.1. Analiza prin difracţie de raze x a pulberilor de hidroxiapatită ...................................................... 104
III.1.1.2. Analiza dimensională a particulelor de hidroxiapatită în alcool isopropilic.................................. 109
III.1.1.3. Spectroscopia în infraroşu cu transformată Fourier ...................................................................... 113
III.1.2. Caracterizarea microscopică a hidroxiapatitei.................................................................................... 116
III.1.2.1. Analiza microscopică prin microscopie electronică cu baleiaj ...................................................... 116
III.1.2.2. Analiza microscopică prin microscopie de forţă atomică .............................................................. 120
III.1.3. Analize termogravimetrice pentru pulberea de hidroxiapatită........................................................... 125
III.2. Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda sol –gel..................................................................................... 127
III.2.1. Difracţia de raze X a pulberii de HAp obţinută prin metoda sol –gel................................................
CAPITOLUL IV. OŢELUL INOXIDABIL 316L.....................................................................................
129
131
IV.1. Caracterizarea oţelului inoxidabil 316L................................................................................................ 131
IV.1.1. Analiza chimică calitativă a oţelului.................................................................................................. 131
IV.1.2. Analiza prin difracţie de radiaţie X a oţelului.................................................................................... 132
IV.2. Caracterizarea microscopică a oţelului inoxidabil 316L....................................................................... 134
IV.2.1. Caracterizarea structurală prin microscopie optică ........................................................................... 134
IV.2.2. Caracterizarea structurală prin microscopie electronică cu baleiaj ................................................... 138
IV.2.3. Microanaliza electronică pentru oţelul 316L prin EDAX.................................................................. 142
IV. 3. Caracterizarea mecanică a oţelului inoxidabil 316L........................................................................... 144
IV.3.1. Comportamentul la tracţiune ............................................................................................................. 144
IV.3.2. Determinarea durităţii prin metoda Vickers....................................................................................... 145
IV.3.3. Rugozitatea suprafeţei tablei din oţel 316L ...................................................................................... 145
IV.4. Coroziunea oţelului inoxidabil 316L în soluţie TYRODE..............................................................
CAPITOLUL V. REZULTATE EXPERIMENTALE PRIVIND OBŢINEREA DE MATERIALE
149
COMPOZITE HIBRIDE ............................................................................................................................
V.1. Obţinerea compozitelor prin presare la rece........................................................................................... 151
V.1.1. Caracterizări dimensionale şi microscopice ale pulberilor de HAp şi oţel 316L................................ 153
V.1.2. Obţinerea compozitelor cu 80% HAp şi 20% 316L....................................................................... 157
V.1.2.1. Caracterizarea macroscopică a compozitelor cu 80% HAp şi 20% 316L....................................... 160
V.1.2.2. Caracterizarea compozitelor prin variaţia parametrilor de sinterizare ............................................ 163
V.1.2.2.1. Caracterizarea macroscopică a compozitelor prin variaţia parametrilor de sinterizare................ 163
V.1.3. Obţinerea biocompozitelor cu 26% HAp, 30% 316L şi 44% CMC.................................................... 165
V.1.3.1. Caracterizarea macroscopică a compozitelor cu 26% HAp, 30% 316L şi 44% CMC.................... 166
V.1.3.2. Caracterizări dimensionale şi fizice pentru compozite.................................................................... 168
V.1.4. Obţinerea compozitului cu 50% 316L şi 50% HAp........................................................................... 170
V.1.4.1. Caracterizarea macroscopică a compozitelor cu 50% 316L şi 50% HAp...................................... 171
V.1.5. Obţinerea compozitelor cu 70% 316L şi 30% HAp.......................................................................... 172
V.1.5.1. Caracterizarea microscopică a compozitului cu 70% 316L şi 30% HAp prin microscopie
electronică cu baleiaj.....................................................................................................................................
173
V.1.5.2. Caracterizarea EDAX a compozitului cu 70% 316L şi 30% HAp................................................... 173
V.1.6. Obţinerea compozitelor cu 80% 316L şi 20% HAp............................................................................ 175
V.1.6.1. Caracterizarea microscopică a compozitului cu 80% 316L şi 20% HAp prin microscopie
electronică cu baleiaj......................................................................................................................................
176
V.1.6.2. Caracterizarea EDAX a compozitului cu 80% 316L şi 20% HAp................................................... 176
V.1.7. Determinarea durităţii prin metoda Shore pentru compozitele cu 70% 316L-30% HAp şi 80%
316L-20% HAp.............................................................................................................................................
178
V.2. Depunerea filmată de hidroxiapatită pe suport metalic din oţel inoxidabil 316L ................................ 179
V.2.1. Caracterizarea structurală a stratului de hidroxiapatită depus, prin microscopie electronică cu
beleiaj ............................................................................................................................................................
181
V.2.2. Caracterizarea prin difracţie de raze X a stratului depus de hidroxiapatită ....................................... 186
CAPITOLUL VI. REZULTATE EXPERIMENTALE PRIVIND COMPORTAMENTUL
4
151

BIOMATERIALELOR STUDIATE ÎN LICHIDE FIZIOLOGICE SIMULANTE.............................
VI.1. Determinarea Fe, Ni, Cr şi Mn din ser fiziologic (NaCl 0,9%), plasmă artificială cu ajutorul
189
spectrometriei prin fluorescenţă de raze X cu dispersie după energie .......................................................... 189
VI.2. Determinarea Fe, Mn, Ni şi Cr din ser fiziologic şi plasmă prin spectrometrie de absorbţie atomică.. 193
VI.3. Metode biologice de determinare a viabilităţii celulare a compozitului sinterizat 316L/HAp............. 212
CAPITOLUL VII. CONCLUZII GENERALE ........................................................................................ 214
VII.1. Elemente de originalitate şi perspective.............................................................................................. 220
BIBLIOGRAFIE............................................................................................................................................ 222
ANEXA 1 -Lista lucrărilor ştiinţifice..................................................................................... 233
5

INTRODUCERE
În ultimele decenii au fost dezvoltate mai multe strategii de obţinere
a biomaterialelor folosite pentru realizarea implantelor medicale. Dezvoltarea
acestui domeniu se datorează necesităţii obţinerii de materiale îmbunătăţite cu
caracteristici biofuncţionale.
Dezvoltarea de noi materiale pentru implanturile medicale implică
metode de caracterizare a proprietăţilor acestora. Caracterizarea materialelor
înaintea utilizării lor în dispozitivele medicale este esenţială în vederea
reducerii timpului necesar pentru certificarea produsului.
Studiile şi cercetările experimentale ale acestei teze, au fost
concentrate pe obţinerea unor compozite hibride biofuncţionale utilizabile ca
materiale de implant. Cercetările experimentale din prezenta teză de doctorat
au cuprins următoarele grupe de materiale şi metode:
• Materiale ceramice - hidroxiapatită;
• Materiale metalice – oţel inoxidabil 316L;
• Materiale compozite HAp/316L obţinute prin metalurgia
pulberilor;
• Materiale compozite HAp/316L obţinute prin depuneri de
straturi subţiri.
Scopul a fost de:
a realiza o serie de studii privind obţinerea unui material compozit
hibrid metalo-ceramic prin metalurgia pulberilor, precum şi studiul
unor numeroase metode experimentale de testare a proprietăţilor fizicochimice,
mecanice şi biologice ale acestor compozite hibride.
de a investiga posibilitatea acoperiri cu straturi funcţionale, bioactive şi
aderente de hidroxiapatită Ca10(PO4)6(OH)2, pe suport metalic din oţel
inoxidabil 316L.
Alegerea hidroxiapatitei a fost făcută datorită calităţilor acestui
material. Ea este cunoscută ca fiind unul dintre cele mai importante
biomateriale folosite pentru aplicaţii ortopedice şi dentare datorită compoziţiei
chimice similare cu cea a osului şi a proprietăţilor bioactive. Oţelurile
inoxidabile austenitice reprezintă o categorie de materiale metalice
predominante folosite pentru aplicaţii biomedicale. Componenta metalică
aleasă pentru a îmbunătăţi proprietăţile mecanice ale biocompozitului metaloceramic
a fost oţelul inoxidabil 316L datorită gradului ridicat de rezistenţă la
coroziune, a proprietăţilor mecanice foarte bune şi de asemenea costului
relativ scăzut de obţinere şi prelucrare.
6

În activităţile de cercetare efectuate pentru obţinerea de materiale
compozite hibride biofuncţionale, am urmărit realizarea următoarelor
obiective:
Obţinerea pulberilor de HAp prin precipitare chimică umedă şi
caracterizarea lor prin analize structurale, analiză termice, analize
dimensionale;
Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda sol-gel şi caracterizarea ei
prin difracţie de raze x;
Caracterizarea mecanică a tablei laminate din oţel inoxidabil
AISI 316L;
Obţinerea de compozite hibride metalo-ceramice prin metalurgia
pulberilor şi caracterizarea lor prin metode fizico-chimice şi structurale
adecvate;
Obţinerea şi caracterizarea materialelor biocompozite prin
depuneri filmate de HAp pe suport metalic din oţel inoxidabil 316L, care pot
fi realizate fără a compromite proprietăţile metalului suport şi nici stabilitatea
hidroxiapatitei. Depunerea filmată de hidroxiapatită a fost caracterizată prin
difracţie de raze X şi microscopie electronică prin baleiaj (SEM);
Comportarea în mediu fiziologic simulant a tuturor categoriilor de
materiale.
Prezenta teză de doctorat a fost structurată în două părţi, şi cuprinde
7 capitole. În prima parte (capitolul I) a tezei de doctorat sunt prezentate
informaţii preluate din literatura de specialitate referitoare la clasele de
biomateriale utilizate în domeniul reconstrucţiilor osoase, modalităţile lor de
clasificare, metodele de obţinere, metodele de caracterizare şi domeniul lor de
aplicare. O atenţie deosebită a fost acordată oţelului inoxidabil AISI 316L,
biomaterial de natură metalică, iar din categoria celor de natură ceramică –
hidroxiapatitei.
Partea a doua a lucrării, cuprinde studii şi cercetări experimentale proprii
privind obţinerea, procesarea şi caracterizarea compozitelor hibride.
Capitolul II, prezintă metodele şi aparatura utilizată pentru
investigarea materialelor folosite în cercetările experimentale realizate pentru
această teză. Capitolul III, denumit “Metodele de obţinere şi de caracterizare a
hidroxiapatitei” cuprinde:
Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda precipitării umede şi
caracterizarea pulberilor prin difracţie de raze x (XRD), analiza dimensională
a particulelor de HAp în alcool izopropilic, caracterizarea prin spectroscopie
în infraroşu cu transformată Fourier (FTIR), prin microscopie electronică cu
baleiaj (SEM), prin microscopie de forţă atomică (AFM) şi analize
termogravimetrice. Această pulbere a fost folosită la realizarea
biocompozitului obţinut prin metalurgia pulberilor;
7

Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda sol –gel şi caracterizarea ei
prin difracţie de raze X. Aceasta a fost utilizată pentru depunerea filmată pe
suportul metalic din oţel inoxidabil 316L.
În capitolul IV, oţelul inoxidabil AISI 316L a fost caracterizat prin
difracţie de raze X, microstructural (microscopie optică şi electronică prin
baleiaj), mecanic (prin comportament la tracţiune, determinarea durităţii
Vickers, determinarea rugozităţii suprafeţelor) şi metode electrochimice de
caracterizare în lichide simulante corpului uman.
Pentru a îndeplini anumite condiţii de utilizare şi eliminarea
problemelor care au apărut la utilizarea materialelor cu destinaţie medicală, sa
impus necesitatea combinării diferitelor tipuri de materiale, cu scopul
obţinerii de materiale compozite cu proprietăţi complexe de
biocompatibilitate.
În capitolul V sunt prezentate rezultatele experimentale privind
obţinerea de materiale compozite hibride atât prin metalurgia pulberilor, cât şi
prin depuneri filmate pe suport de oţel inoxidabil 316L.
Biocompozitele obţinute prin metalurgia pulberilor au fost realizate
prin presare la rece şi caracterizate din punct de vedere dimensional şi
macroscopic, iar biocompozitele obţinute prin depuneri filmate au fost
caracterizate prin analize de microscopie electronică prin baleiaj (SEM) şi
difracţie de raze X. Atât pulberile de HAp cât şi cele din oţel inoxidabil 316L,
au fost caracterizate din punct de vedere fizico-chimic, granulometric şi
structural.
Pentru prepararea biomaterialelor prin depuneri filmate am optat
pentru metoda sol-gel, deoarece literatura de specialitate menţionează faptul
că se pot obţine materiale de puritate şi omogenitate ridicată la temperaturi
mult mai scăzute decât cele necesare pentru alte metode de obţinere.
În capitolul VI sunt prezentate rezultate experimentale privind
comportamentul în mediu fiziologic al placuţelor din oţel inoxidabil 316L cu
şi fără film de HAp, pulbere din oţel 316L, pulbere de HAp, compozit 316L şi
HAp, unde s-a determinat concentraţia de Fe, Ni, Cr şi Mn din serul fiziologic
(NaCl 0,9%) şi plasma artificială cu ajutorul spectrometriei de fluorescenţă cu
raze X cu dispersie după energie (EDXRF) şi prin spectrometrie de absorbţie
atomică. Au fost aplicate şi metode biologice de determinare a viabilităţii
celulare pentru compozitul sinterizat 316L-HAp. Lucrarea mai conţine un
capitol de concluzii, referinţe bibliografice în ordine alfabetică şi anexe.
Analizele au fost realizate în cadrul laboratoarelor Institutului ICECHIM
Bucureşti, ICEM Bucureşti, Universitatea Politehnica Bucureşti, SC.
OŢELINOX Târgovişte, Institutul INCDMTM Bucureşti, Institutului ICSTM
din cadrul Universităţii Valahia din Târgovişte.
8

Capitolul I. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN
DOMENIUL BIOMATERIALELOR
I.1. Noţiunea de biocompatibilitate
O definiţie a "biomaterialului", aprobat printr-un consens de experţi
în domeniu, este enunţată astfel: Un biomaterial este un material neviabil
utilizat într-un dispozitiv medical, destinat pentru a interacţiona cu
sistemele biologice (Williams, 1987). În cazul în care cuvântul "medical" este
eliminat, această definiţie acoperă o gamă largă de aplicaţii.
"Ştiinţa Biomaterialelor" este studiul fizic şi biologic al materialelor
şi al interacţiuni lor cu mediul biologic. (Buddy D. Ratner, 2004) Prin
biocompatibilitate se înţelege proprietatea unui material de a fi compatibil cu
organismele vii, adică de a fi acceptat de către organism fără a genera reacţii
adverse şi fară a se deteriora chimic sau mecanic.
Biocompatibilitatea este un concept complex care ia în considerare
toate procesele care au loc la interacţiunea dintre biomaterial şi un organism
viu. Interacţiunea dintre implant şi ţesuturile înconjuratoare nu trebuie să
inducă, prin coroziune sau degradare, modificări secundare în organism sau o
instabilitate de orice natură a implantului.
Un rol determinant îl au procesele fizico-mecanice, chimice,
biologice şi cele specifice de suprafaţă. Corpul uman este un mediu foarte
agresiv din punct de vedere al coroziunii pentu biomateriale metalice utilizate
la fabricarea implantelor.
O statistică realizată de americani, (Amy Brock, 2011) privind
evaluarea actualelor materiale folosite pe piaţă americană pentru aplicaţiile lor
biocompatibile, (inclusiv dispozitivele medicale, înlocuiri de ţesuturi şi
acoperiri de suprafaţe), oferă o privire de ansamblu a evoluţiilor recente din
fiecare sector important al pieţei de biomateriale.
Pe piaţa americană, materialele biocompatibile conform acestui
studiu, au valorat aproximativ 22,2 bilioane $ în 2007 şi se aşteaptă la o
creştere cu un procent anual de 6,9% ce poate ajunge la 30,9 bilioane $ până
în anul 2012. Înlocuirea ţesutului osos constituie un segment larg de
aplicabilitate de aproximativ de 11,7 bilioane $ în 2007. Aceasta reprezintă
52% din valoarea totală a pieţei biomaterialelor iar înlocuirea ţesuturilor v-a
creşte cu 6,6% procente şi se poate ajunge la aproximativ 16 bilioane $ în anul
2012. Un segment mai mic al pieţei biomaterialelor este acela al acoperirii de
suprafeţe biocompatibile care în 2007 valora aproximativ 2,6 bilioane de $.
Este un segment care se aşteaptă să crească cu 5,7% şi aproximativ 3,4
bilioane $ în anul 2012.
9

Figura I.1. Piaţa din SUA pentru materiale biocompatibile (Amy Brock, 2011)
Tehnologiile nou-apărute, cum ar fi proteinele morfogenetice osoase
(BMP) se aşteaptă o creştere de până la 30-35%/an în perioada de prognoză
(2007-2011). În general, piaţa din SUA, pentru biomaterialele ortopedice v-a
creşte cu aproximativ 12% pe an în următorii cinci ani.
Figura I.2. Piaţa din SUA pentru biomateriale Figura I.3. Piaţa pe diverse regiuni din
ortopedice (Amy Brock, 2011)
lume pentru biomateriale ortopedice
(Amy Brock, 2011)
În ţara noastră, preocupările în domeniul biomaterialelor şi a
implanturilor au început din anii 50, când prof.dr.doc.med. Alexandru
Rădulescu, prof.dr.doc.med. Clement Baciu şi prof.dr.med. Dumitru Pintilie
au realizat şi implementat primele dispozitive medicale metalice ortopedice.
În 1955, au fost realizate primele implanturi dentare din oţeluri inoxidabile tip
swedion sau wissil, de către prof. Valerian Popescu, în Clinica de Chirurgie
Buco-Maxilo-Facială din Bucureşti cu rezultate modeste datorită
suprainfectării osului în timp.
Primele implanturi dentare de tip şurub şi de tip lamă, au fost
realizate de către medicul Ovidiu Mărgineanu, care a realizat şi prima trusă de
instrumente necesară implantării acestora. Brevetarea primelor implanturi
dentare de tip şurub din titan, au fost făcute în Romania.
În ultimii ani, proiectarea biomaterialelor şi a dispozitivelor medicale
este din ce în ce mai studiată.
10

REZULTATE ŞI CERCETĂRI PROPRII
Capitolul III. METODE DE OBŢINERE ŞI CARACTERIZARE A
HIDROXIAPATITEI
În studiile efectuate pentru aceasta teză am ales ca metode de sinteză
pentru obţinerea hidroxiapatitei precipitarea umedă la temperatura ambiantă şi
metoda sol-gel.
Pentru îmbunătăţirea omogenităţii chimice s-a folosit o titrare uşoară
şi soluţii diluate. Controlul uşor al condiţiilor soluţiei este deasemenea necesar
pentru metoda precipitării umede. În unele cazuri, o cristalizare bună a
hidroxiapatitei are loc doar în apropierea temperaturii de calcinare de 1200 0 C
(Monmaturapoj N., 2008).
Precipitarea apoasă este cel mai des realizată prin:
reacţia dintre o sare de calciu şi un fosfat alcalin, sau
reacţia dintre hidroxid sau carbonat de calciu şi acid fosforic
(Monmaturapoj N, 2008).
III.1. Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda precipitării umede
În acest studiu, hidroxiapatita s-a obţinut prin metoda chimică de
precipitare modificată după Sung. Reactivii chimici comerciali (Chimreactiv,
România) utilizaţi sunt: azotatul de calciu tetrahidrat Ca(NO ) .4H O şi
3 2 2
fosfatul dibazic de amoniu (NH ) HPO care au fost dizolvaţi separat în apă
4 2 4
distilată prin agitare. După care s-a adăugat Ca(NO 3) 2 peste soluţia apoasă de
(NH 4) 2HPO 4,
şi apoi agitat energic la temperatura camerei pentru aproximativ
1h, până când s-a obţinut un precipitat lăptos, oarecum gelatinos care la rândul
lui a fost agitat pentru 1h cu scopul de a mări viteza de reacţie şi de a
0
omogeniza amestecul. Amestecul astfel obţinut a fost sinterizat la 100 C timp
de 24 de ore. După care precipitatul a fost spălat şi filtrat pe un filtru de sticlă.
După filtrare, produsul compactat lipicios a fost uscat într-o etuvă la o
0
temperatură de 80 C. Apoi pulberea uscată a fost strivită într-un mojar cu
pistil şi apoi calcinată într-un creuzet de alumină la trei temperaturi diferite şi
0 0 0
anume la 800 C, 1000 C şi 1200 C pentru 1h conform tabelului de mai jos.
Tabelul III.1. Parametrii de sinteză pentru hidroxiapatită
Metoda Proba Temperatura de
calcinare ( O Concentraţia reactanţilor
C) Ca(NO3)2 ⋅ 4H2O : (NH4)2
HPO4 (M)
Reflux după amestecare HAp 1 800 0.1:0.06
Reflux după amestecare HAp 2 1000 0.1:0.06
Reflux după amestecare HAp 3 1200 0.1:0.06
11

Din rezultatele obţinute prin varierea temperaturii de calcinare şi
menţinând aceleaşi concentraţii molare şi aceeaşi metodă de reflux după
amestec, cele mai bune rezultate s-au obţinut la temperatura de 1000 0 C.
umedă
III.1.1. Caracterizarea pulberilor de hidroxiapatită prin precipitare
III.1.1.1. Analiza prin difracţie de raze x a pulberilor de
hidroxiapatită
Difracţiile de raze X pentru cele trei probe de hidroxiapatită obţinute
prin precitare umedă, sunt prezentate in Figurile III.1, III.2 şi III.3.
Intensităţile raportate ca şi intensităţi relative au fost determinate ca şi fond de
scădere a înălţimii liniei de difracţie măsurată manual din datele relative de la
ploter către cea mai intensă linie de 100.
Pentru determinarea lăţimii profilului indus de probă, raportat ca
semilăţimea maximă completă (FWHM), lăţimea unghiulară la jumătate,
scade înălţimea de cel puţin 4 ori pentru reflexiile (310) şi (002) pentru fiecare
din cele 3 probe obţinute prin XRD.
Limita de scanare pentru lăţimea profilului de reflexii (310) şi (002)
a fost de la 38,5 0 până la 40,5 0 2θ şi respectiv de la 25,0 0 la 26,5 0 2θ, rata de
scanare a fost de 0,03125 0 2θ/min.
O hidroxiapatită stoichiometrică extrem de cristalină obţinută prin
reacţii termice în stare solidă a fost folosită ca şi substanţă de referinţă în
determinarea valorii lui b.
12
Figura III.3 Maximele de difracţie a razelor X pentru pulberea de HAp 2, calcinată la
1000 0 C, cu menţinere 1h

Difracţia de radiaţie X este o tehnică de analiză recomandată la
verificarea compoziţiei fazelor în cazul pulberilor de hidroxiapatită, aşa cum
reiese din standardul ASTM F1185-88.
Identificarea fazelor prezente în structura pulberilor s-a realizat prin
compararea rezultatelor obţinute în urma analizelor de difracţie cu datele
prezente în standardele internaţionale. Cele mai importante standarde au fost
ICDD-JCPDS-PDF2; 9-432, pentru hidroxiapatită.
Cele trei difractograme indică faptul că nu au existat modificări de
cristalinitate şi nici de structură. Cu cât lăţimea picului este mai mică cu atât
materialul este mai cristalin.
Pentru fiecare din cele 3 probe de hidroxiapatită sintetizate, s-au
calculat parametrii de reţea prin medierea valorii 2θ determinată din două
scanări separate. Pentru determinarea lăţimii picului de difracţie, la jumătatea
înălţimii lui, au fost luate în considerare liniile cu indicii hkl (200), (002),
(102), (210), (310), (004), benzile obţinute sunt în conformitate cu datele din
literatură.
III.1.1.2. Analiza dimensională a particulelor de hidroxiapatită în
alcool isopropilic
Intensity (%)
25
20
15
10
5
Size Distribution by Intensity
0
0.1 1 10 100 1000 10000
Size (d.nm)
Record 1: HA-A 1 Record 2: HA-A 2 Record 3: HA-A 3
Figura III.5. Distribuţia granulometrică a celor 3 înregistrări după intensitate
13

Volume (%)
40
30
20
10
Size Distribution by Volume
0
0.1 1 10 100 1000 10000
Size (d.nm)
Record 1: HA-A 1 Record 2: HA-A 2 Record 3: HA-A 3
Figura III.6. Distribuţia granulometrică a celor 3 înregistrări după volum
Având în vedere pe de o parte instabilitatea manifestată de la un set
de măsurători la altul (vezi cele trei seturi de măsuratori pe culori), dar şi
modificarea numărului de populaţii (numărul de peak -uri) este foarte probabil
ca sistemul analizat să fie format din particule elementare în diferite forme de
agregare rezultate în urma procesului de sedimentare. Sistemul conţine şi
particule peste 6000 nm (reprezentat de ultimul maxim).
Number (% )
40
30
20
10
Size Distribution by Number
0
0.1 1 10 100 1000 10000
Size (d.nm)
Record 1: HA-A 1 Record 2: HA-A 2 Record 3: HA-A 3
Figura III.7. Distribuţia granulometrică a celor 3 înregistrări după număr
După analiza globală a sistemului (mai sus) s-a realizat o filtrare din
softul aparatului a intervalului analizat pentru punerea în evidenţă a unor
posibile particule elementare pe intervalul 0.6 – 100nm care în analiza globală
nu pot fi evidenţiate din cauza ecranării agregatelor mari. Astfel s-au
evidenţiat particule de aproximativ 40 nm monomodale. Acestea în diferite
asocieri de diferite ordine, generează agregatele mari majoritare în analiza
globală de mai sus).
14

Intensity (%)
100
80
60
40
20
0
Size Distribution by Intensity
1 10 100 1000 10000
Size (d.nm)
Record 6: HA-A (0.6-100nm) 3
Figura III.8. Distribuţia granulometrică a nanoparticulelor de HAp prin intensitate
Datele obţinute în urma analizei distribuţiei granulometrice pot fi
reprezentate grafic sub forma unei histograme, aşa cum reiese din figurile
III.8, III.9 şi III.10, unde numărul de particule luate în calcul au o anumită
dimensiune şi sunt reprezentate de înălţimea unui dreptunghi. O altă metodă
de reprezentare constă în realizarea unei histograme prin care aria unui
dreptunghi să fie proporţională cu numărul particulelor de o anumită
dimensiune.
Volume (%)
50
40
30
20
10
0
Size Distribution by Volume
1 10 100 1000 10000
Size (d.nm)
Record 6: HA-A (0.6-100nm) 3
Figura III.9. Distribuţia granulometrică a nanoparticulelor de HAp prin volum
Dacă un număr suficient de particule este numărat şi măsurat poate fi
trasată o curbă când un număr mare de intervale este utilizat pentru
clasificarea dimensiunii particulelor. Adesea o distribuţie cumulativă oferă o
reprezentare mult mai corectă a datelor. Pentru pulberea de hidroxiapatită s-a
realizat o analiză globală unde reproductibilitatea este mai bună între seturile
de măsurare, însă particulele măsurate par mai mult particule de sine
stătătoare şi nu agregate.
15

Number (%)
50
40
30
20
10
0
Size Distribution by Number
1 10 100 1000 10000
Size (d.nm)
Record 6: HA-A (0.6-100nm) 3
Figura III.10. Distribuţia granulometrică a nanoparticulelor de HAp prin număr
Dispersia totală în lichid are loc în momentul în care aglomerările
iniţiale de particule se separă, rezultând în final o masă de particule
independente unele de altele.
III.1.1.3. Spectroscopia în infraroşu cu transformată Fourier
De remarcat este faptul, că în proba de hidroxiapatită calcinată la
800 0 C există o cantitate de apă atât de cristalizare cât şi de hidratare, în proba
HAp2 supusă la calcinare la o temperatură mai ridicată decât HAp1, şi anume
la 1000 0 C, conţinutul de apă scade, iar în proba HAp3 calcinată la 1200 0 C
conţinutul de apă creşte şi mai mult decât la HAp1, datorită reactivităţii foarte
mari a pulberii astfel obţinute.
De asemenea, lărgirea benzii de absorbţie de la 1050cm -1 are loc
odată cu creşterea temperaturii de calcinare a HAp de la proba 1 la proba 3
confirmă faptul că în probe apare ca produs secundar de reacţie fosfatul
tricalcic. Studiile de literatură menţionează faptul că fosfatul tricalcic apare la
peste 850 0 C.
Acest lucru îl confirmă şi difracţia de raze X care arată că se obţin
rezultate în bună concordanţă cu datele din literatură. (Rintoul L. şi
colaboratorii, 2007; Sahin E., 2006; Rehman I. şi colaboratorii, 1997;
Slosarczyk A. şi colaboratorii, 2005)
În figura III.14, sunt redate cele trei curbe FTIR realizate pe cele trei
tipuri de hidroxiapatită, calcinate la temperaturi de 800 0 C, 1000 0 C şi respectiv
1200 0 C.
16

Figura III.14. Analize FTIR pe cele 3 pulberi de HAp calcinate la 800 0 C, 1000 0 C, respectiv
1200 0 C
Testele FTIR s-au făcut, împreună cu măsurătorile de adsorbţie, de a
arăta rolul hidrogenului şi a grupării OH- în mecanismul de adsorbţie. Singura
diferenţă între aceste trei spectre este apariţia în probele de hidroxiapatită
HAp 1 şi HAp 3 a unei benzi mai intense la 1624,7 cm -1 .
III.1.2. Caracterizarea microscopică a hidroxiapatitei
III.1.2.1. Analiza microscopică prin microscopie electronică cu
baleiaj
Pentru caracterizarea structurală prin microscopie electronică cu
baleiaj, a fost aleasă pulberea de hidroxiapatită obţinută prin precipitare
umedă cu calcinare la 1000 0 C. Dintre cele trei probe de hidroxiapatită
investigate, rezultate optime s-au obţinut pentru pulberea calcinată la 1000 0 C.
În figura III.14 este prezentată microscopia electronică cu baleiaj pentru proba
de hidroxiapatită calcinată la 1000 0 C la o mărire de 2000X, iar în figura III.15
aceeaşi probă dar la o mărire de 1000X.
Putem distinge microporozităţi (

Figura III.15. Microscopie electronică cu
baleiaj a pulberii de HAp calcinată la
1000 0 C, 2000 X.
Figura III.17. Microscopie electronică cu
baleiaj a pulberii de HAp calcinată la 1000 0 C,
5000 X
Imaginile SEM ale cristalelor crescute prezintă multe aglomerări
sferice şi puţine cristalite de 0,1 µm. Morfologia şi compoziţia chimică a
hidroxiapatitei a fost determinată prin microscopie electronică de baleiaj luând
în considerare caracteristicile fizice ale particulelor. În figurile III.17 şi III.18
sunt prezentate imaginile SEM doar pentru pulberile de hidroxiapatită
calcinate la 1000 0 C, la măriri diferite.
Dimensiunea subgrăunţilor este de aproximativ 70 nm şi corespunde cu
dimensiunea pulberilor sintetice de hidroxiapatită. (Dong Seok Seo şi
colaboratorii, 2008; Poinescu A. A. şi colaboratorii, 2009; Poinescu A.A. şi
colaboratorii, 2011) Pentru o bună corelaţie, imaginile SEM a sferulitelor
crescute arată multe aglomerări sferice şi cristalitelor puţine de 0,1 µm în
dimensiune.
III.1.2.2. Analiza microscopică prin microscopie de forţă atomică
Pentru a determina distribuţia de sferulite crescute şi pentru a
caracteriza pulberea de hidroxiapatită sinterizată, s-au analizat imaginile
obţinute prin tehnica AFM. Pentru investigarea cu ajutorul microscopului de
forţă atomică, soluţiile de hidroxiapatită au fost proaspăt pregătite înainte de
fiecare experiment, prin suspendarea unei cantităţi corespunzătoare din fiecare
probă în etanol.
Comparativ cu datele din literatură existente (Dong Seok Seo, Jong
Kook Lee, 2008), hidroxiapatita prezintă o orientare în planul y. În această
teză pentru hidroxiapatita studiată, se poate observa o creştere a grăunţilor
care au loc orientate după axa z. (Poinescu A. A. şi colaboratorii, 2009)
18

Figura III.24. Reprezentarea 3-D a grăunţilor de hidroxiapatită obţinute prin
precipitare umedă calcinate la 1000 0 C
Aceste observaţii conferă unicitate hidroxiapatitei realizate în această
teză, fapt demonstrat şi de dimensiunile mult mai mici obţinute experimental
(70-100 nm), comparativ cu cele din literatură (400-1000 nm) (K. Kandori şi
colaboratorii, 2009).
Aceste rezultate sunt completate şi argumentate şi de microscopia
SEM. În imaginile SEM se disting cristalite mici de hidroxiapatită (< 100 nm)
dar şi aglomerări de particule. Cristalitele sunt de dimensiuni uniforme cu o
distribuţie de mărime de particulă îngustă, care corespunde pulberii de
hidroxiapatită. Deasemenea s-a ajuns la concluzia că o temperatură de
calcinare de 850 0 C apar produşi secundari de reacţie, şi anume fosfat tricalcic,
iar pentru convertirea lui în hidroxiapatită este necesară calcinarea la 1000 0 C.
Dimensiunea cristalitelor este între 70 nm şi 100 nm, ceea ce dovedeşte o
bună corelare a imaginilor SEM cu calculele efectuate prin metoda AFM.
S-a constatat că la temperaturi mai mari de calcinare, hidroxiapatita se
dezaglomerează din faza de bulgări şi se aglomerează în fază de nanoparticule
ce duc la formarea de nanocristalite şi mai apoi de sferulite.
III.1.3. Analize termogravimetrice pentru pulberea de
hidroxiapatită
Analiza DSC în aer
Pe pulberea de hidroxiapatită obţinută prin precipitare chimică
umedă s-au făcut analize termice complexe calorimetrice (DSC) şi
termogravimetrice (TGA) în atmosferă de N2 şi în aer. Aparatul folosit pentru
analizele calorimetrice a fost un calorimetru diferenţial tip Mettler- Tolledo.
19

Figura III.30. Analiza DSC în aer
Analiza DSC a fost realizată în aer, în domeniul de temperatură 25-
550 0 C, cu o viteză de 20 0 C/min, într-un creuzet din aluminiu. Analizele
termice au arătat că pierderea de masă are loc până în jurul temperaturii de
273 0 C, aşa cum se observă în figura III.30. Analiza TGA a fost realizată în
atmosferă de N2, într-un domeniu de temperaturi cuprins între 25-1200 0 C cu
o viteză de 20 0 C/min, într-un creuzet de Al2O3.
20
Analiza TGA în aer
Figura III.32. Analiza TGA în aer

În figura III.32, este prezentată analiza TGA realizată în aer,
domeniul 25-1100 0 C, cu o viteză de 20 0 C/min, într-un creuzet de Al2O3. Prin
comparaţie, aliura celor două curbe diferă.
Analiza termogravimetrică realizată pe pulberea obţinută prin
precipitare umedă calcinată la 1000 0 C, pune în evidenţă efectele endoterme ce
însoţesc procesul de pierdere a apei prin evaporare şi prin deshidratare.
Absenţa altor picuri relevă faptul că HAp este un compus pur şi unitar.
III.2. Obţinerea hidroxiapatitei prin metoda sol –gel
Pentru această teză precursori folosiţi la prepararea hidroxiapatitei au
fost: azotat de calciu tetrahidrat Ca (NO3)24H2O şi pentaoxid de fosfor (P2O5)
(Chimreactiv, România). Pentru a obţine o soluţie de 0,5mol/l, pentaoxidul de
fosfor (P2O5) a fost dizolvat în etanol. Deasemeni a fost dizolvat în etanol
absolut şi Ca(NO3)24H2O pentru a forma o soluţie de 1,67mol/l.
Amestecul celor două soluţii a fost agitat constant cu ajutorul unui
agitator mecanic, după care amestecul a fost introdus într-o etuvă la
temperatura de 80 0 C pentru 24h, pentru finalizarea reacţiei. Uscarea gelului sa
realizat într-o etuvă tip Nabertherm. Produsul rezultat a fost un gel
transparent. Reactanţii luaţi în lucru au fost în raport de (10/6). Probele au fost
supuse unui tratament termic, cu scopul trasformării gelului acid într-un
produs solid cu proprietăţi de biocompatibilitate şi osteoconductivitate. După
care gelul obţinut a fost supus unor investigaţii prin difracţie de raze X.
III.2.1. Difracţia de raze X a pulberii de HAp obţinută prin metoda
sol -gel
Înainte de depunerea propriuzisă pe suportul metalic din oţel
inoxidabil 316L a filmului de hidroxiapatită s-au făcut investigaţii de difracţie
de raze X. Elementele s-au identificat prin comparaţia poziţiei picurilor cu
date de referinţă din tabele sau din spectre de referinţă, ale fişelor de indexare
iar difracţiile rezultate sunt corespunzătoare din punct de vedere al prezenţei
compuşilor în difractogramă.
21

Figura III.34. Maximele de difracţie a razelor X pentru pulberea de HAp obţinută prin
metoda sol - gel
În urma analizei de difracţie, fazele identificate dn hidroxiapatita
obţinută prin metoda sol gel, au fost: hidroxiapatita (Ca)10(PO4)6(OH)2 şi
fosfat tricalcic Ca3(PO4)2,. Analiza difracţiei de raze X, relevă un grad mare de
cristalinitate al HAp, obţinută prin metoda sol-gel.
Capitolul IV. CARACTERIZAREA OŢELULUI INOXIDABIL 316L
Materialul metalic utilizat la experimentări pentru această teză de
doctorat este oţelul inoxidabil tip 316L, cunoscut ca fiind unul dintre cele mai
uzuale biomateriale folosite pentru aplicaţii medicale. S-au utilizat table
laminate din oţel inoxidabil AISI 316L cu dimensiunile de 295x195 mm. În
tabelul IV.1, este prezentată compoziţia chimică a oţelului furnizat.
IV.1.1. Analiza chimică calitativă a oţelului
Prin EDXRF s-a identificat compoziţia chimică a oţelului inoxidabil
316L, prezentată în figura VI.1.
22

Figura VI.1. Spectrul oţelului inoxidabil 316L
Spectrul prezentat în figura VI.1, relevă prezenţa Fe, Ni, Cr, Mn şi a
unor cantităţi mici de Pb. Determinarea semicantitativă a compoziţiei chimice
confirmă faptul că oţelul inoxidabil austenitic de tip 316L se încadrează în
standardele ISO din punct de vedere al compoziţiei chimice.
IV.1. 2. Analiza prin difracţie de radiaţie X a oţelului
Figura IV.2. Difracţia de raze X pentru oţelul inoxidabil 316L
Din difractograma prezentată în figura IV.2, se pot observa prezenţa
fazei austenitice şi a carburilor de crom. Difractograma confirmă faptul că
oţelul inoxidabil tip 316L prin relevarea fazele prezente se încadrează în
structura tipică unui oţel inoxidabil austenitic.
IV.2. Caracterizarea microscopică a oţelului inoxidabil 316L
IV.2.1. Caracterizarea structurală prin microscopie optică
Au fost supuse analizei microscopice probe prelevate din oţel
inoxidabil 316L cu grosimi de 1,2mm, 3,5mm şi 0,35 mm, cu tratament termic
de punere în soluţie. Maclele de austenită se pot observa atât în microstructura
23

transversală a probei din oţel inoxidabil 316L cu grosime de 3,5 mm (figura
IV.7) cat şi în microstructura probei de oţel cu grosime de 0,35 mm (figura
IV.8), după un tratament termic APH la 1020 0 C.
Figura IV.8. Microstructura oţelului 316L, 200
X, grosime 0,35 mm, tratament termic la 1020 0 C
Figura IV.9. Microstructura oţelului
316L, 500 X, grosime 0,35 mm, 1020 0 C
Standardul pentru acest tip de material recomandă lipsa fazei feritice
în structură, precum şi o mărime media de grăunte de maximum 5 (conform
ASTM), ceea ce reprezintă o dimensiune a mărimii grăuntelui cu un grad de
uniformitate ridicat, mai mică sau egală cu 100 µm. Structura la scară
microscopică este tipică pentru un oţel inoxidabil austenitic deformat plastic.
Din punct de vedere al caracteristicilor mecanice şi microstructurale,
oţelul 316L din cele trei categorii de grosimi este asemănător, nu apar
diferenţe notabile.
IV.2.2. Caracterizarea structurală prin microscopie electronică cu
baleiaj
Asupra oţelul inoxidabil 316L, în afară de investigaţiile cu ajutorul
microscopiei optice, s-au realizat şi investigaţii cu ajutorul microscopiei
electronice cu baleiaj în vederea caracterizării structurale.
Figura IV.10. Micrografie SEM a oţelului
316L, 2000 X
Figura IV.11. Micrografie SEM a oţelului
316L, 4000 X
Pentru investigaţiile prin microscopie cu baleiaj a fost aleasă tabla
laminată din oţel inoxidabil AISI 316L cu dimensiunile de 295x195x0,35 mm
24

şi tratament termic de punere în soluţie la 1020 0 C. În imaginea SEM (figura
IV.10) a probelor din oţel inoxidabil 316L, la o mărire de 2000 X, se observă
prezenţa maclelor de austenită.
Constituienţii prezenţi în microstructura oţelului sunt austenita şi
carbura de crom, aşa cum pot fi observate în figurile de mai sus.
O problemă a implantelor realizate din oţel 316L, este aceea că pot
coroda în interiorul corpului în zona delimitată de şurub, plăcuţă şi fractură,
motiv pentru care este recomandat în cazul implantelor temporare. Pentru a
împiedica şi preîntampina coroziunea în această zonă, unul din obiectivele
acestei teze a fost de a opta pentru filmarea cu hidroxiapatită a tablei din oţel
inoxidabil tip 316L.
IV.2.3. Microanaliza electronică pentru oţelul 316L prin EDAX
Această analiză pune în evidenţă prezenţa tuturor tipurilor de ioni
implicaţi, pentru a găsi rapoartele atomice dintre acestea şi pentru a obţine
distribuţia atomilor în probă, corelat cu imaginea SEM a zonei respective din
probă.
Figura IV.16. EDAX pentru oţelul 316L
Microanaliza oţelului 316L relevă prezenţa Cr, Fe, Ni, Si şi a S, aşa
cum pot fi observate în figura IV.16. Distribuţia elementelor chimice în
volum, este extrem de uniformă, ceea ce sugerează o omogenitate a
materialului şi indică faptul că nu există un gradient compoziţional. Spectrul
energetic emis de proba din oţel inoxidabil austenitic de tip 316L
experimental identificat prin analiza EDAX, evidenţiază deteminarea
semicantitativă a compoziţiei chimice a pulberii metalice şi vine să confirmă
25

faptul că oţelul inoxidabil austenitic de tip 316L experimental se încadrează în
standardele ISO din punctul de vedere al compoziţiei chimice.
IV.3. Caracterizarea mecanică a oţelului inoxidabil 316L
IV.3.1. Comportamentul la tracţiune
Prin încercarea la tracţiune se determină o serie de caracteristici
mecanice care permit aprecierea corectă asupra comportării materialului la
solicitările la care va fi supus. Încercarea de tracţiune a avut loc la temperatura
ambiantă pe epruvete plate din oţel inoxidabil 316 – 2R conform STAS EN
10002-1/90 cu secţiunea dreptunghiulară. După ruperea epruvetei s-au
determinat mărimile: rezistenţa la rupere – Rm, limita de curgere
convenţională – Rp0,2, alungirea la rupere – A80, modulul de elasticitate E,
forţa maximă – Fmax, At , iar valorile lor sunt prezentate în tabelul IV.7.
Nr. Marca
oţel
1 316L
Tabelul IV.7. Caracteristici mecanice ale oţelului inoxidabil 316L
a0
mm
0,1
97
b0
mm
19,8
4
S0
mm
2
E-
Modulul
kN/mm 2
Rp 0,2
N/mm
2
Rp x
N/mm
2
Rm
N/mm 2
Fmax.
N
A 80
%
3,91 211 306 343 622 2432 52,9
3
IV.3.2. Determinarea durităţii prin metoda Vickers
Proba din oţel inoxidabil 316L a fost supusă la încercarea de duritate
Vickers. S-au făcut şase determinări de încercare a durităţii Vickers, iar
rezultatele obţinute sunt trecute în tabelul numărul IV.8. Media aritmetică a
celor şase încercări este 159HV.
Tabelul IV.8. Rezultatele durităţii Vickers după 6 încercări
Nr. Dh
µm
dv
Μm
1 108,20 108.04 108.12 159
2 109.61 106.98 108.29 158
3 105,73 109,80 107,77 160
4 107,14 108,39 107,77 160
5 107,49 109,10 108,30 158
6 107,14 109,10 108,12 159
Metoda Vickers este nepotrivită pentru materiale neomogene şi
rugoase din acest motiv este necesară o pregătire prealabilă a suprafaţei
înainte de încercare. Datele obţinute în această teză concordă cu datele
existente în STAS-uri. (ASTM A240)
26
d
µm
IV.3.3. Rugozitatea suprafeţei tablei din oţel 316L
HV1
At
%
53,21

Testarea s-a făcut pe o placă laminată din oţel inoxidabil 316L cu o
grosime de 0,35 mm şi dimensiuni acesteia de 295x195 mm, în cinci puncte,
amplasate în cele patru colţuri şi în centrul tablei.
Figura IV.25. Rugozitatea din colţul 1; Ra =0.0761µm
În punctul 1 de testare a rugozităţii, abaterea medie aritmetică a
profilului Ra, măsurată pe placa metalică este de 0,0761µm, conform
profilogramei din figura IV.25.
Verificarea rugozităţii are o importanţă deosebită în procesele de
acoperire. Dacă rugozitatea este prea mică, aceasta are ca şi consecinţă
diminuarea aderenţei învelişului la substrat. La polul opus, dacă rugozitatea
este prea mare, există pericolul ca vârfurile profilului suprafeţei să rămână
neacoperite, permiţând astfel apariţia fenomenului de coroziune.
Valorile apropiate ale parametrilor de rugozitate Ra, măsurate în cele
5 puncte, relevă o stare uniformă a suprafeţei tablei de oţel inoxidabil 316L
sub aspectul rugozităţii, aceasta permiţând depunerea unui strat continuu şi
uniform de hidroxiapatită.
IV.4. Coroziunea oţelului inoxidabil 316L în soluţie TYRODE
Testele de coroziune asupra oţelurilor inoxidabile 316L deformate la rece, sau
făcut ţinând seama de rolul diferiţilor factori care influenţează mecanismul
coroziunii faţă de mediile utilizate.
Măsurătorile s-au făcut într-o celulă electrochimică cu doi electrozi.
Electrodul de studiat, E.S., format din oţel inoxidabil laminat 316L şi
electrodul de referinţă din calomel în fluide simulate organismului uman,
soluţie Tyrode.
Scopul cercetării a fost de a evalua rezistenţa la coroziune a oţelului
inoxidabil AISI 316L, frecvent utilizat la proiectarea şi confecţionarea
dispozitivelor pentru implanturi. În figura IV.32 este reprezentată grafic
27

variaţia potenţialului funcţie de timp, a probei din oţel inoxidabil 316L
imersată în soluţie de Tyrode.
Variatia E(V) functie de timp
0,35
0,34
0,33
0,32
0,31
0,3
0,29
0,28
0,27
0,26
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55
E(V)=e+0,250
Timp (min)
Figura IV.32. Variaţia E(V) funcţie de timp (min.)
Testele efectuate în soluţie Tyrode au arătat că valorile de potenţial
scad odată cu trecerea timpului. Testele de coroziune efectuate pe termen
scurt, poate afirma faptul că elementele chimice din fluidele simulatente
organismului uman, influenţează rezistenţa la coroziune a materialului
metalic, pierderea în greutate a eşantioanelor a fost nesemnificativă. Pentru a
caracteriza pe deplin, rezistenţa la coroziune a oţelului inoxidabil 316L sunt
necesare efectuarea unor teste de rezistenţă la coroziune similare pe o
perioadă mai lungă de expunere în fluide simulante organismului uman şi la
temperatura corpului uman, cu scopul de a înţelege cât mai bine fenomenele
de coroziune.
Capitolul V. REZULTATE EXPERIMENTALE PRIVIND OBŢINEREA
DE MATERIALE COMPOZITE HIBRIDE
Scopul investigaţiilor în această teză a fost de a dezvolta compozite
combinate metalo-ceramice (316L oţel austenitic cu conţinut diferit de
hidroxiapatită) şi de a caracteriza biocompozitele obţinute.
În această teză am urmărit obţinerea de materiale compozite hibride
cu aplicabilitate în biomedicină prin două metode: prin metalurgia pulberilor
şi prin depunerea de filme ceramice - hidroxiapatită pe suport metalic (oţel
inoxidabil 316L).
V.1. Obţinerea compozitelor prin presare la rece
Biocompozitele obţinute prin metalurgia pulberilor au fost realizate
prin presare la rece, după trei fluxuri tehnologice prin variaţia concentraţiilor
pulverulente.
28

S-au realizat cinci serii de amestecuri pulverulente:
pulbere de hidroxiapatită şi pulbere din oţel inoxidabil de 316L în
proporţie de: 80% vol. HAp + 20% vol. oţel inoxidabil 316L, prin dozare
şi omogenizare;
pulberi de hidroxiapatită, oţel inoxidabil şi carboximetil celuloză
(ingredient farmaceutic) în proporţii de: 30%vol. pulbere de 316L,
44%vol. CMC şi 26%vol. HAp prin dozare şi omogenizare;
pulberi de hidroxiapatită în proporţie de 50 % şi 50%vol. pulbere de
316L;
pulberi de oţel inoxidabil în proporţie de 70% şi 30% pulberi de
hidroxiapatită;
pulberi de oţel inoxidabil 316L în proporţie de 80% şi 20% hidroxiapatită.
V.1.1. Caracterizări dimensionale şi microscopice ale pulberilor de
HAp şi de oţel 316L
S-au realizat sitări şi analize dimensionale pe pulberi metalice din
oţel inoxidabil 316L şi pulberi ceramice de hidroxiapatită obţinute sintetic
prin metoda precipitării umede.
Analiza granulometrică a fost realizată prin două cerneri. Masa
fracţiei pulberilor a fost calculată în raport cu masa totală de 67 de grame.
Distribuţia granulometrică a fost realizată pentru două sitări pentru
pulberile din oţel inoxidabil. după prima sitare în funcţie de masa fracţiei
pulberilor de oţel inoxidabil 316L este prezentată în tabelul V.2.
Pentru a doua sitare a pulberilor de oţel inoxidabil 316L am folosit
aceeaşi masă de 67 g luată în lucru pentru determinarea masei fracţiei
granulometrice. Masa iniţială luată în calcul pentru analiza granulometrică a
hidroxiapatitei a fost de 28,16g. Prin sitare se mai pierde o mică cantitate de
0,07g.
Măsurarea cantitativă a diametrelor particulelor de pulbere 316L din
imaginile SEM s-a realizat pe 5 câmpuri din zone diferite ale probelor şi s-a
calculat diametrul mediu după formula de mai sus. În figura V.1 este
prezentată micrografia (SEM) a pulberii de oţel inoxidabil 316L, unde se
poate observa dimensiunea mărimii pulberilor, care variază între 142 şi 195
µm. Morfologia pulberilor este sferică uşor dendritică.
29

Figura V.2. Micrografia SEM a
pulberii de 316L, 200X
Figura V.3. Micrografia SEM a
pulberii de 316L, 500X
Având în vedere faptul, că există o diferenţă considerabilă de mărime
la ambele pulberi ar conduce la segregarea în timpul compactării, oferind în
consecinţă, un produs compactat eterogen. Una dintre problemele cele mai
importante în ceea ce priveşte procesul de compactare şi a eficienţei sale, este
dată de forma pulberilor aplicate. Pulberea de hidroxiapatită are formă sferică,
în timp ce pulberea din oţel are formă sferică uşor dendritică.
V.1.2. Obţinerea compozitelor cu 80% HAp şi 20% 316L
Pulberi de hidroxiapatită în proporţie de 80% şi pulberi de oţel
inoxidabil 316L au fost amestecate, omogenizate, după care au fost presate
uniaxial la rece. Comprimatele au fost sinterizate la temperaturi de 850 0 C şi
1000 0 C, menţinute timp de 60 şi 120 minute. Sinterizarea a avut loc în
atmosferă protectoare de H2 cu o viteză de răcire şi de încălzire de 10 0 C/min.
V.1.2.1. Caracterizarea macroscopică a compozitelor cu 80% HAp
şi 20% 316L
Figura V.12. Imaginea macro a Probei
1, 850 0 C , menţinere 120 min
Figura V. 13. Imaginea macro a
Probei 2, 850 0 C , menţinere 120min
Caracterizarea macroscopică a celor patru probe indică o porozitate
mare, exfolieri ale compozitelor şi friabilitate. Datorită faptului că nu s-a
folosit nici un lubrefiant de presare, pentru a se evita contaminarea cu
substanţe toxice a materialului, a rezultat o slabă compactitate a materialelor
30

şi implicit o porozitate mare a comprimatului, porozitate ce s-a menţinut şi
după sinterizare.
CMC
V.1.3. Obţinerea compozitelor cu 26% HAp, 30% 316L şi 44%
Pentru obţinerea acestor biocompozite s-au amestecat pulberi de oţel,
carboximetil celuloză şi hidroxiapatită în proporţii de: 30%vol. pulbere de
316L, 44%vol. carboximetil celuloză (CMC), - ingredient farmaceutic- utilizat
în acest caz ca şi liant şi 26%vol. HAp.
Aceste pulberi au fost amestecate şi omogenizate manual după care
au fost supuse presării la rece. Presiunile aplicate acestor compozite au fost de
160, 100, 200 şi respectiv 260 MPa. S-au obţinut patru comprimate cilindrice,
care au fost introduse într-un cuptor cu atmosferă protectoare de H2, pentru
sinterizare. Sinterizarea a avut loc la o temperatură de 900 0 C, menţinute timp
de 90 min şi cu o viteză de încălzire de 10 0 C/min. Probele realizate din acest
amestec au fost compromise în totalitate.
V.1.4. Obţinerea compozitului cu 50% 316L şi 50% HAp
Materialul obţinut prin amestecul de 50% 316L şi 50% HAp s-a secţionat de-a
lungul unor plane atomice. Distrugerea materialului a fost determinată de
granulaţiile diferite ale celor două sorturi de pulberi, fracţii mult prea reduse
pentru hidroxiapatită (< 45 µm), a omogenizării manuale şi a densităţilor
diferite (ρHAp=1,5g/cm 3 ; ρ316L =3,0g/cm 3 ) a celor două materiale.
V.1.5. Obţinerea compozitelor cu 70% 316L şi 30% HAp
Modalitatea de obţinere a acestor compozite a fost similară cu cea
anterioară, la aceeaşi parametrii de lucru, numai că au fost modificate
proporţiile de pulberi de 70% 316L şi 30% HAp. Fracţiile alese pentru
amestecurile pulverulente 70/30, au fost >160µm pentru oţelul inoxidabil
316L şi > 45 µm pentru hidroxiapatită. Au fost realizate trei compozite
cilindrice cu dimensiunile prezentate în tabelul V.12.
Figura V.32. Imagine compozit cu 70% 316L şi 30% HAp
31

În figura V.32 este prezentat compozitul obţinut prin amestecul
pulverulent de 70% 316L şi 30% HAp şi imaginea SEM a acestuia.
V.1.5.1. Caracterizarea microscopică a compozitului cu 70% 316L
şi 30% HAp prin microscopie electronică cu baleiaj
Analizele microscopice ale compozitelor obţinute au fost realizate cu
ajutorul microscopului electronic cu baleiaj marca Quanta Inspect F, la o
mărire de 200X. Se poate remarca o distribuţie relativ uniformă a pulberilor
din oţel inoxidabil. Acest lucru se poate explică prin faptul că omogenizarea
celor două tipuri de pulberi s-a realizat manual. Pulberile metalice sunt
reprezentate de formaţiuni albe, rotunde, uşor dendritice, iar cele de
hidroxiapatită sunt de culoare închisă.
V.1.5.2. Caracterizarea EDAX a compozitului cu 70 % 316L şi 30%
HAp
Din analiza EDAX a compozitului cu 70 % 316L şi 30% HAp
prezentată în figura V.34, se poate observa prezenţa fosforului şi a calciului
specifici hidroxiapatitei dar şi prezenţa elementelor metalice de genul Ni, Cu,
Cr, Fe elemente prezente în oţelul inoxidabil 316L.
Figura V.34. Analiza EDAX pentru compozitul cu 70% 316L şi 30% HAp
În figura V.35 se poate observa distribuţia grupată a atomilor de Ni
doar în zonele unde sunt prezente pulberile metalice, în schimb distribuţia
atomilor de Mo este prezentă pe toată zona de analiză. În figura V.36 se poate
observa distribuţia atomilor de Ca şi P prezenţi doar în zona specifică
hidroxiapatitei.
V.1.6. Obţinerea compozitelor cu 80% 316L şi 20% HAp
32

Pentru obţinerea unor compozite cu matrice metalică s-au amestecat
şi omogenizat proporţii de 80% greutate oţel inoxidabil 316L şi 20% greutate
pulbere de hidroxiapatită, după acelaşi flux tehnologic de obţinere prezentat
anterior. S-au obţinut două compozite cilindrice cu dimensiunile de: φ =
10mm, h = 13 mm (tabelul V.13).
Figura V.37. Imaginea compozietelor
obţinute cu 80% 316L şi 20% HAp
Figura V.38. Microstructura SEM a compozitului
abţinut cu 80% 316L şi 20% HAp
Compozitele obţinute prin amestecarea proporţiilor de 80% 316L şi
20% HAp sunt prezentate în figura V.37 iar aspectul microscopic în figura
V.38.
V.1.6.1. Caracterizarea microscopică a compozitului cu 80% 316L
şi 20% HAp prin microscopie electronică cu baleiaj
În figura V.38 este prezentată microstructura SEM a compozitului
obţinut cu 80% 316L şi 20% HAp, imagine realizată la o mărire de 200X.
Din analiza microscopică a compozitului se poate observa că pulberea de oţel
de granulaţie 160 µm este reprezentată de formaţiuni rotunde, uşor dendritice
de culoare albă. Pentru amestecurile pulverulente 80/20, au fost alese pentru
oţelul inoxidabil 316L fracţii mai mari de 160 µm, iar pentru hidroxiapatită
mai mari de 45 µm.
V.1.6.2. Caracterizarea EDAX a compozitului cu 80 % 316L- 20%
HAp
Analiza EDAX a compozitului cu 80 % 316L şi 20% HAp prezentată
în figura V.39, reprezintă analiza calitativă a difuziei elementelor prezente în
compozit. Spectrul pune în evidenţă prezenţa fosforului şi a calciului specifici
hidroxiapatitei dar şi prezenţa elementelor metalice de genul Ni, Cu, Cr, Fe,
Mo elemente prezente în oţelul inoxidabil 316L.
33

Figura V.39. Analiza EDAX pentru compozitul cu 80% 316L şi 20% HAp
În figura V.40, este prezentată distribuţia atomilor metalici de Fe, Ni
şi Cu din zona analizată.
Dintre elementele prezente în compoziţia chimică a oţelului
inoxidabil 316L, se observă o distribuţie uniformă dar moderată a Fe şi o
distribuţie redusă pentru Ni. Distribuţia atomilor de Cu este relativ uniformă
dar mai intensă în zonele specifice granulelor metalice de oţel. În figura este
prezentată şi distribuţia atomilor de Ca şi de P specifici hidroxiapatitei,
prezentă doar în zonele specifice acesteia.
Ca o concluzie, compozitele obţinute cu 70 respectiv 80 % greutate
de oţel au o porozitate specifică. Comparativ cu celelalte compozite obţinute
anterior prin fluxul tehnologic F1 şi F2, se poate observa că materialul este
mult mai compact şi implicit porozitatea mai redusă cu cât scade proporţia de
hidroxiapatită şi creşte cantitatea de oţel inoxidabil. Presiunea aplicată pentru
comprimarea compozitelor a avut o influenţă considerabilă. De asemeni,
temperatura mai mare de sinterizare folosită la fluxul F3 a avut la rândul ei o
influenţă asupra reducerii porozităţii compozitelor.
V.1.7. Determinarea durităţii prin metoda Shore pentru compozitele cu 70%
316L-30%HAp şi 80% 316L-20% HAp
Duritatea Shore D (HS) este o caracteristică dinamică, reprezentând
o mărime proporţională cu raportul dintre înalţimea la care sare înapoi şi
34

înălţimea de la care a fost lăsat să cadă pe material, printr-un ghidaj vertical,
un ciocanel cu vârf de diamant.
Pentru determinarea durităţii, compozitele realizate prin amestecuri
pulverulente de 70 % 316L/30% HAp şi 80%316L /20% HAp au fost
încercate prin metoda Shore cu un durimetru Zwick D 7900 typ 7206, iar
valorile obţinute sunt redate în tabelul de mai jos. Metoda s-a realizat conform
ISO R 868 /2003 iar scara de măsurare 0 – 100.
Tabelul V.14. Duritatea compozitelor cu proporţii de 30 şi 20% HAp
Nr.
crt.
Compozit HS D HRC HV
1 70% 316L/30% HAp 71 53 560
2 80% 316L/20% HAp 77 57 643
Cu ajutorul tabelelor de conversie, valorile măsurate ale durităţii
Shore pentru compozite au fost transformate în valori HRC şi HV, aşa cum se
pot vedea în tabelul V.14.
V.2. Depunerea filmată de hidroxiapatită pe suport metalic de oţel
inoxidabil 316L
În cadrul tezei de doctorat am dezvoltat sinteza filmelor de
hidroxiapatită utilizând metoda sol-gel. Această metodă prezintă diverse
avantaje ca de exemplu: posibilitatea realizării unor straturi superficiale
ceramice cu o compoziţie chimică foarte precisă, puritate foarte ridicată a
stratului superficial ceramic, temperaturi scăzute de lucrul, controlul
porozităţii şi a rugozităţii suprafeţei, fără a fi nevoie de o instalaţie complexă
şi performantă.
După depunerea hidroxiapatitei pe substratul metalic din oţel
inoxidabil 316L, probele au fost supuse analizelor de difracţie cu raze X şi
caracterizate structural prin microscopie electronică cu baleiaj. Cu ajutorul
acestor analize s-au identificat fazele stratului depus de hidroxiapatită,
morfologia şi structura hidroxiapatitei.
V.2.1. Caracterizarea structurală a stratului de hidroxiapatită
depus, prin microscopie electronică cu baleiaj
Calitatea structurală a straturilor depuse prin sol-gel a fost investigată
prin analize de difracţie de raze X (XRD) şi prin analiză microscopică scaning
(SEM) pentru punerea în evidenţă a cristalinităţii stratului depus cât şi a
fazelor prezente în filmul depus de hidroxiapatită.
35

Figura V.37. Grosimea filmului de HAp
depus pe oţe inoxidabil 316L, 400 000X
În figura V.37 este prezentată microscopia SEM a stratului de
hidroxiapatită depus pe suportul metalic de oţel inoxidabil 316L. Fotografiile
SEM au relevat existenţa unui strat cu o grosime de aproximativ 350-500 nm
şi un aspect de film continuu fisurant cu o rugozitate aproximativ zero.
Figura V.39. Micrografia SEM a filmului de HAp
depus pe probele de oţel neoxidat, 500X
Figura V.41. Micrografia SEM a
celui de-al II –lea strat de HAp depus
pe probe neoxidate, 5000X
În figurile V.39 şi V. 40, sunt prezentate aspectele primului şi celui de-al
doilea strat de hidroxiapatită depus pe plăcuţele metalice din 316L şlefuite în
prealabil, la măriri de 500, respectiv 5000 X. Filmele depuse au un aspect
fisurant. Aspectul celor două imagini relevă prezenţa unor fisuri datorită
contracţiei de ardere dintre suportul metalic al oţelului 316L şi stratul de
hidroxiapatită.
În figurile V.44 şi V.45 sunt prezentate aspectele filmului de hidroxiapatită
depus pe stratul metalic pregătit în prealabil prin oxidare. În figura V.44 este
redată imaginea SEM a primului strat de HAp, la o mărire de 2500X.
36

Figura V.44. Micrografia SEM al primului strat
de HAp depus pe oţel oxidat, 2500X
Figura V.46. Imaginea SEM a filmului de
HAp depus pe oţel oxidat, 50000X
Aspectul celui de-al doilea strat depus de hidroxiapatită pe suportul metalic de
oţel inoxidabil 316L, este redat în figura V.46 la o mărire de 50000 X.
Depunerea parţială va minimiza contracţia, se produce un strat
fisurant, dar de obicei o astfel de acoperire se datorează unei proaste
densificări rezultând o aderenţă nesemnificativă la metal. Pentru a evita
exfolierea acoperirii în timpul sinterizări, este necesar un sistem de încălzire şi
de răcire lent.
V.2.2. Caracterizarea prin difracţii de raze X a stratului de
hidroxiapatită depus
Analiză de faze a fost realizată pe stratul de hidroxiapatită depus pe
suportul metalic din oţel 316L, folosind difracţia de raze X (XRD). Analizele
de difracţii cu raze X sunt utilizate şi pentru a evalua puritatea hidroxiapatitei
şi pentru a observa dacă au avut loc descompuneri ale acesteia.
Figura V.47. Difractograma stratului de HAp după depunere
Măsuratorile XRD la unghiuri de incidenţă razant de 2°, pe filme de
hidroxiapatită tratate termic la 200°C şi 400°C sunt prezentate în figura V.47.
37

Cristalinitatea filmelor creşte pentru tratamente la temperaturi mari,
aşa cum se poate deduce din creşterea intensităţii şi îngustarea peak-urilor
corespunzătoare planelor cristaline. Singura fază identificată în filmul depus
pe substratul metalic de oţel inoxidabil 316L a fost hidroxiapatita.Prin această
metodă s-a realizat un bun control al compoziţiei şi o cristalizare a filmelor de
hidroxiapatită la temperaturi scăzute.
Filmele de hidroxiapatită au fost studiate pentru înţelegerea
cristalizării şi densificării straturilor depuse prin metoda sol-gel. Structurile
multistrat au fost optimizate cu scopul îmbunătăţirii bioactivităţii materialelor
hibride.
Capitolul VI. REZULTATE EXPERIMENTALE PRIVIND
COMPORTAMENTUL BIOMATERIALOR STUDIATE ÎN LICHIDE
FIZIOLOGICE SIMULANTE
VI.1. Determinarea Fe, Ni, Cr şi Mn din ser fiziologic (NaCl 0,9%) şi
plasmă artificială prin spectrometrie prin fluorescenţă de raze X cu
dispersie de energie (EDXRF)
A. Materiale folosite
În prezentul studiu, au fost efectuate o serie de investigaţii în scopul
determinării conţinutului de Fe, Cu, Ni şi Cr din următoarele probe:
hidroxiapatită sintetică obţinută prin precipitare umedă; plăcuţe de oţel
inoxidabil 316L; pulbere de oţel inoxidabil 316L; plăcuţe metalice din oţel
inoxidabil 316L filmate cu hidroxiapatită obţinută prin metoda sol-gel.
S-a preparat plasmă artificială conform datelor din literatura de
specialitate (W. Kajzer şi alţii, 2008) prin cântărirea substanţelor analitic pure
necesare preparării plasmei artificiale, diluţia realizându-se cu apă distilată
(tabelul VI.1).
Separat s-au cântărit şi probele solide de materiale:
1) Pulbere de hidroxiapatită Ca5(PO4)3OH – 0,5 g;
2) Pulbere de oţel inoxidabil 316L– 0,5 g;
3) Placă din oţel inoxidabil - 2,551 g;
4) Placă din oţel inoxidabil 316L– 5,768 g;
5) Placă din oţel inoxidabil 316L + HAp depus N – 0,084 g;
6) Placă din oţel inoxidabil 316L + HAp depus O – 0,09 g;
38

Probele pregătite au fost păstrate ermetic închise, la UV moderat de 280-300
nm, temperaturi de 25-28 0 C, perioade de timp bine stabilite (tabelul VI.1).
Astfel, prima analiză s-a realizat după 168 ore, a doua analiză după 336 ore de
la perioada de expunere, a treia determinare după 672 ore de la perioada de
expunere (1 lună), a patra determinare după 1344 ore (2 luni), următoarea
determinare după 2016 ore (3 luni), următoarea analiză s-a realizat după 2688
ore (4 luni), iar ultima determinare s-a realizat după 4032 ore (6 luni).
Analiza calitativă prin spectrometrie de fluorescenţă cu raze X prin
dispersie de energie a probelor solide şi a celor lichide, după 4032 ore de
expunere, a condus la următoarele concluzii:
În proba Plas1, după 6 luni de expunere a biocompozitului
316L+HAp depus N (fără mediu acid), în plasmă, a indicat prezenţa
următoarelor elemente: P, Ca (de la hidoxiapatită, şi de la compoziţia plasmei
artificiale – tabel VI.1); P provine şi din oţelul 316L, ştiut fiind faptul că 316L
are compoziţia: Cr 16-18%; Ni 10-15%; Mo 2-3%; Mn 2%; P 0,04%; C
0,035%; Si 0,03%; S 0,03%; restul până la100% Fe) aşa cum probabil şi alte
elemente pe care le-a identificat, în mod calitativ spectrometrul, cum ar fi Fe,
Ni, Co – interferă cu Ni, pot proveni de la oţelul 316L; analizând însă şi apa
bidistilată utilizată în procesul de diluţie al probelor, aşa cum se remarcă în
spectrul din ANEXA, se poate observa şi încărcătura iniţială a solventului
folosit la prepararea plasmei. În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus
în plasma artificială (Aliaj_Plas1) privit comparativ, arată preponderent Fe, în
compoziţia materialului, corect pentru oţelul 316L, urmează Cr, Ni şi Co
(interferă), S, Mn şi urme de Cd. Prezenţa Pb ar putea fi explicată prin
existenţa lui în atmosferă sau prin interferenţa cu alte metale. Clorul apare din
soluţia de plasmă. Argonul prezent în spectru se datorează aparatului.
În proba Plas2, după 6 luni de expunere a biocompozitului
316L+HAp depus O (pelicula de hidroxiapatită a fost depusă după tratarea
oţelului 316L cu mediu acid – apă regală), în ser fiziologic, a indicat prezenţa
următoarelor elemente: P, Ca (de la hidoxiapatită); P provine şi din oţelul
316L, şi alte elemente pe care le-a identificat, în mod calitativ spectrometrul,
cum ar fi Fe, Ni, Co – interferă cu Ni, şi Mn, provin de la oţelul 316L;
analizând serul fiziologic, aşa cum se remarcă în spectrul din ANEXA, se
poate observa şi încărcătura iniţială a serului, NaCl 0,9%. În ANEXA spectrul
materialului iniţial introdus în ser (Aliaj_Plas2) privit comparativ, arată
preponderent Fe, în compoziţia materialului, corect pentru oţelul 316L,
urmează Cr, Ni şi Co (interferă), S şi Mn. Prezenţa urmelor de Pb ar putea fi
explicată prin existenţa lui în atmosferă sau prin interferenţa cu alte metale.
Argonul prezent în spectru se datorează aparatului. Lipsa Cd din spectru
Aliaj_Plas2 este explicată modul de preparare a biocompozitului 316L+HAp
39

depus O (tratarea oţelului 316L cu mediu acid tare). Clorul apare din soluţia
de ser NaCl 0,9%.
În proba Plas5, după 6 luni de expunere a oţelului 316L, în plasmă
artificială, a indicat prezenţa următoarelor elemente: Fe, P, S, Ni, Cr provine
şi din oţelul 316L. În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus în plasma
artificială (Aliaj_Plas5) privit comparativ, arată prezenţa Fe, P, S, Ni, Cr şi
Mn. Prezenţa urmelor de Pb şi Cd ar putea fi explicată prin existenţa lui în
atmosferă sau în apa distilată sau prin interferenţa cu alte metale. Cuprul,
probabil şi plumbul există şi în solventul utilizat la prepararea plasmei (apa).
În proba Plas6, după 6 luni de expunere a oţelului 316L, în ser, a
indicat prezenţa următoarelor elemente: Fe, P, S, Ni, Cr provine şi din oţelul
316L. În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus în plasma artificială
(Aliaj_Plas6) privit comparativ, arată prezenţa Fe, P, S, Ni, Cr şi Mn. Prezenţa
urmelor de Pb ar putea fi explicată prin existenţa lui în atmosferă.
În proba Plas7, după 6 luni de expunere a pulberii de HAp, în
plasmă artificială, a indicat prezenţa următoarelor elemente: P, Ca (de la
hidoxiapatită); În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus în plasma
artificială (HA_Plas7) privit comparativ, arată prezenţa P şi a Ca. Prezenţa
urmelor de Pb, Cu, Fe, Ni, Mn ar putea fi explicată prin existenţa în solventul
utilizat la prepararea plasmei (apa). Clorul apare din soluţia de plasmă.
În proba Plas8, după 6 luni de expunere a pulberii de HAp, în ser
fiziologic, a indicat prezenţa următoarelor elemente: P, Ca (de la
hidoxiapatită); În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus în ser
(HA_Plas8) privit comparativ, arată prezenţa P şi a Ca. Prezenţa urmelor de
Pb, Cu, Fe, Ni, Mn ar putea fi explicată prin existenţa acestora în serul
fiziologic, alături de clor.
În proba Plas9, după 6 luni de expunere a pulberii metalice 316L, în
plasmă artificială, a indicat prezenţa următoarelor elemente: Fe, P, S, Ni, Cr
provine şi din oţelul 316L. În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus în
plasma artificială (Pulbere_Plas9) privit comparativ, arată prezenţa Fe, P, S,
Ni, Cr şi Mn. Clorul apare din soluţia de plasmă.
În proba Plas10, după 6 luni de expunere a pulberii metalice 316L,
ser fiziologic, a indicat prezenţa următoarelor elemente: Fe, P, S, Ni, Cr
provine şi din oţelul 316L. În ANEXA spectrul materialului iniţial introdus în
plasma artificială (Pulbere_Plas10) privit comparativ, arată prezenţa Fe, P, S,
Ni, Cr şi Mn. Clorul apare din soluţia de ser.
VI.2. Determinarea Fe, Mn, Ni şi Cr din ser fiziologic şi plasmă prin
spectrometrie de absorbţie atomică
Determinarea concentraţiei de Fe, Mn, Ni, Cr din probele de ser
fiziologic şi plasmă sintetică se calculează în funcţie de concentraţia de Fe,
Mn, Ni, Cr măsurată la spectrometru, c, (µg/mL), volumul la care s-a diluat
40

proba, V, (25 mL), raportată la volumul de probă supusă mineralizării, v,
(mL). Prin spectrometria de absorbţie atomică în flacără (SAAF) după
aproximativ 6 luni de monitorizare nu s-au putut determina concentraţii la
nivelul ppm.
Având în vedere faptul că prin spectrometria de absorbţie atomică cu
aspiraţie directă în flacără nu s-au obţinut rezultate relevante privind
concentraţia metalelor care pot proveni din materialele analizate în plasma
artificială/ser, în condiţii controlate, la nivelul ppm-urilor, s-a analizat
concentraţia de metale grele prin spectrometria de absorbţie atomică, tehnica
cuptorului de grafit. Rezultatele obţinute au fost centralizate în tabele şi s-au
reprezentat grafic variaţiile concentraţiilor metalelor studiate pentru fiecare
probă în parte.
Variaţia concentraţiilor metalelor grele de Fe, Ni, Cr şi Mn pentru
probele notate cu acronimele PLAS 1, PLAS 2, PLAS 5, PLAS 6, PLAS 9 şi
PLAS 10 au fost reprezentate grafic în figurile VI.7, VII.8, VII.9, VII.10,
VII.11, VII.12. Au fost alese aceste probe, deoarece sunt probele metalice
expuse în medii de plasmă artificială şi ser fiziologic, iar suprafaţa lor de
expunere este mai mare.
Fe,Ni, Cr, Mn (% )
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
PLAS 1
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
Timpul (h)
Fe
Ni
Cr
Mn
Poly. (Fe)
Poly. (Ni)
Poly. (Cr)
Poly. (Mn)
Figura VI.7. Variaţia concentraţiilor de Fe,
Ni, Cr şi Mn din PLAS 1 pe perioada
monitorizării
Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
-0.05
PLAS 2
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
timpul (h)
Fe
Ni
Cr
Mn
Poly. (Fe)
Poly. (Ni)
Poly. (Cr)
Poly. (Mn)
Figura VI.8. Variaţia concentraţiilor de Fe,
Ni, Cr şi Mn din PLAS 2 pe perioada
monitorizării
Aşa cum rezultă din graficul de mai sus, pentru plăcuţele din oţel
filmate cu HAp (neoxidate) notate cu acronimul PLAS 1, valori semnificative
apar doar la concentraţia Fe în soluţie de Plasmă artificială iar la polul opus
cele mai mici valori au fost înregistrate pentru concentraţia Cr.
Pentru plăcuţele din 316L filmate cu HAp (oxidate), concentraţiile Cr şi ale
Mn au valori apropiate, restul curbelor au aceeaşi aliură ca cele de mai sus.
41

Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
-0.05
PLAS 5
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
timp (h)
Fe
Ni
Cr
Mn
Poly. (Fe)
Poly. (Ni)
Poly. (Mn)
Poly. (Cr)
Figura VI.9. Variaţia concentraţiilor de Fe, Ni,
Cr şi Mn din PLAS 5 pe perioada monitorizării
Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
-0.05
PLAS 6
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
Figura VI.10. Variaţia concentraţiilor de
Fe, Ni, Cr şi Mn din PLAS 6 pe perioada
monitorizării
Valorile rezultate la monitorizarea concentraţiilor de Fe, Ni, Cr şi Mn
din PLAS 1 şi PLAS 2, prin comparaţie cu cele din PLAS 5 (316L în plasmă
artificială) şi PLAS 6 (316L în ser fiziologic), indică faptul că depunerea
filmată de hidroxiapatită pe plăcuţa metalică a avut rolul de a împiedica
eliberarea ionilor metalici în plasma artificială şi serul fiziologic. În figura
VI.11 este prezentată variaţia concentraţiilor de Fe, Ni, Cr şi Mn din soluţia de
plasmă artificială, iar în figura VI.12 variaţia concentraţiilor metalelor din
serul fiziologic, unde în prealabil a fost introdusă hidroxiapatită.
Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
PLAS 7
168 336 672 1344 2016 2688 4032
timp (h)
Figura VI.11. Variaţia concentraţiilor de Fe,
Ni, Cr şi Mn din PLAS 7 pe perioada
monitorizării
Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
PLAS 9
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
-0.05
timpul (h)
Fe
Ni
Cr
Mn
Fe
Ni
Cr
Mn
Poly. (Fe)
Poly. (Ni)
Poly. (Cr)
Poly. (Mn)
Figura VI.13. Variaţia concentraţiilor de
Fe, Ni, Cr şi Mn din PLAS 9 pe perioada
monitorizării
42
Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
timp (h)
PLAS 8
168 336 672 1344 2016 2688 4032
timp (h)
Figura VI.12. Variaţia concentraţiilor de
Fe, Ni, Cr şi Mn din PLAS 8 pe perioada
monitorizării
Fe, Ni, Cr, Mn (%)
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
PLAS 10
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
-0.05
timp (h)
Fe
Ni
Cr
Mn
Fe
Ni
Cr
Mn
Poly. (Fe)
Poly. (Ni)
Poly. (Cr)
Poly. (Mn)
Fe
Ni
Cr
Mn
Poly. (Fe)
Poly. (Ni)
Poly. (Cr)
Poly. (Mn)
Figura VI.14. Variaţia concentraţiilor de Fe,
Ni, Cr şi Mn din PLAS 9 pe perioada
monitorizării

Pulberea de oţel inoxidabil 316L expusă în plasmă artificială şi ser fiziologic
(PLAS 9 şi PLAS 10), prezintă o concentraţie mai mare de Mn iar aliura
curbelor de Fe, Ni şi Cr sunt asemănătoare. Valorile mari ale concentraţiilor
metalelor în penultimul şi ultimul timp de expunere se explică prin faptul că,
au fost lăsate un timp dublu în soluţii. Prin spectrometrie de absorbţie
atomică, s-a constat o migrare a metalelor analizate (Fe, Mn, Cr şi Ni) în
lichidele fiziologice simulate (SBF) analizate, după o perioadă de 6 luni
(tabelul VI.15) dar numai la nivelul ppb-urilor.
VI.3. Metode biologice de determinare a viabilităţii celulare a
compozitului sinterizat 316L-HAp
Cinetica de deteriorare celulară a fost înregistrată cu un spectrofotometru
UV-VIS (Carl Zeiss Jena) cu dublu fascicol şi conectat la un computer extern
pentru prelucrarea datelor. Numărul de celule au fost evaluate la absorbţie
maximă la 275 nm, caracteristice ADN-ului şi pentru proteine celulare şi
dotat cu un model matematic. A fost trasată o dependenţă de timp funcţie de
log (No/N), reprezentând scăderea numărul real de celule intacte în timpul
perioadei de studiu.
o
/
N
g
N
lo
0 5 10 15
time (hours)
20 25 30
Figura VI.16. Cinetica de distrugere celulară a celulelor SC în
prezenţa HAp(2), 316L(3), HAp/316L (1)
În figura VI.16 este prezentată cinetica de distrugere a celulelor de SC în
prezenţa hidroxiapatitei notată cu 2, a oţelului inoxidabil 316L (3) şi a
compozitului HAp/316L (1). Aliura curbelor 1 şi 2 reprezentative
compozitului şi al HAp, sunt relativ apropiate, ceea ce indică faptul că atât
hidroxiapatita cât şi compozitul 316L- HAp, nu induc citotoxicitate.
Series1
Series2
Series3
43

Capitolul VII. CONCLUZII GENERALE
Teza intitulată „Cercetari privind noi materiale compozite hibride cu
proprietati biofunctionale/biocompatibile”, a avut ca scop cercetarea şi
obţinerea unor biocompozite cu potenţiale aplicaţii în medicină pentru grefe
osoase.
Din punctul de vedere al materialelor preparate în această teză, al
testelor realizate cu acestea, dar şi al aplicaţiilor acestora ca şi potenţiale grefe
osoase, teza de doctorat reprezintă o noutate în domeniu, sisteme de tipul
HAp/316L neexistând preparate în literatură.
Combinarea proprietăţilor de biocompatibilitate ale hidroxiapatitei cu
cele mecanice ale metalelor, reprezintă una din posibilităţile de a obţine
materiale noi pentru utilizarea de implante pe termen lung. (de exemplu,
proteze comune, stabilizatori, implanturi dentare).
Obţinerea de materiale compozite hibride pe bază de hidroxiapatită şi
oţel inoxidabil 316L a fost realizată prin două metode:
prin utilizarea metalurgiei pulberilor;
prin depuneri de straturi subţiri.
Analiza rezultatelor obţinute în prezenta teză de doctorat conduce la
formularea următoarelor concluzii:
În primul rând au fost obţinute şi caracterizate pulberi de
hidroxiapatită. Obţinerea lor a fost realizată prin două metode: prin precipitare
umedă şi prin metoda sol-gel.
1. Obţinerea şi caracterizarea pulberilor de HAp prin precipitare
umedă
A fost aleasă această metodă de precipitare pe cale umedă modificată
deoarece această cale este mai avantajoasă, datorită uşurinţei cu care se
realizează, a temperaturii de lucru scăzute, a procentului relativ important de
produs pur rezultat şi unor instalaţii de sinteză nu foarte costisitoare. Probele
calcinate la temperaturi diferite (850 0 C, 1000 0 C şi 1200 0 C) au fost analizate
prin tehnici spectrale precum: difracţia de raze X (XRD) şi spectroscopia în
infraroşu cu transformată Fourier (FTIR).
Măsurătorile de difracţie de raze X au fost efectuate cu scopul de a
analiza structura fină a pulberii de hidroxiapatită. Pulberea sintetizată chimic,
este în concordanţă cu difracţia de referinţă a HAp pure conform ASTM. Cele
mai intense peak-uri apar în domeniul 2θ cuprins între 20 0 şi 60 0 . Datele de
difracţie de raze X prin peak-urile caracteristice (002), (211), (112) şi (300) au
indicat un grad ridicat de puritate al hidroxiapatitei. Aceste date sunt
44

completate şi de datele de FTIR, cele mai bune rezultate fiind obţinute pentru
pulberea calcinată la 1000 0 C.
Caracterizarea structurală a fost realizată prin microscopie electronică
cu baleiaj şi microscopie de forţă atomică pentru pulberile de hidroxiapatită
calcinate la 1000 0 C. Au fost evidenţiate aglomerari de cristal, morfologia şi
dimensiunile de particulă. În imaginile SEM se disting şi cristalite mici de
hidroxiapatită (< 100nm) dar şi aglomerări de particule. Cristalitele sunt de
dimensiuni uniforme cu o distribuţie de mărime de particulă îngustă, care
corespunde pulberii de hidroxiapatită. Dimensiunea cristalitelor este între
70nm şi 100 nm, ceea ce dovedeşte o bună corelare a imaginilor SEM cu
calculele efectuate prin metoda spectrală XRD.
Pentru o analiză completă din punct de vedere microscopic, pulberea
de hidroxiapatită a fost supusă şi unor investigaţii de microscopie de forţă
atomică. S-a constatat că la temperaturi mai mari de calcinare, hidroxiapatita
se dezaglomerează din faza de bulgări şi se aglomerează în fază de
nanoparticule ce duc la formarea de nanocristalite şi mai apoi de sferulite.
Distribuţia de dimensiune de cristal depinde de dimensiunile critice ale
nucleilor în condiţii de suprasaturare mai mult decât de creşterea cristalului
atâta timp cât se observă aglomerări ale particulelor mici ca în imaginile
AFM.
În concluzie, metoda de sinteză hidrotermală a HAp aplicată în această
teză de doctorat duce la obţinerea unor pulberi de hidroxiapatită cu un grad
ridicat de nanocristalinitate şi o stoichiometrie bună, având o distribuţie relativ
îngustă de dimensiune de cristal.
De asemenea, s-au obţinut produşi bine cristalizaţi cu grad redus de
sinterizare, deşi au fost necesare temperaturi ridicate de calcinare şi un termen
lung de aplicare (4 h) a acestui tratament pentru a obţine un produs finit la
parametrii doriţi.
Studiul imaginilor obţinute prin microscopie cu baleiaj (SEM) şi
microscopie prin forţă atomică (AFM) a fost într-o foarte bună concordanţă cu
rezultatele obţinute prin celelalte tehnici de analiză. S-a stabilit faptul că
dimensiunea de cristal pentru hidroxiapatită sinterizată este de 70 nm pînă la
100 nm.
2. Obţinerea şi caracterizarea hidroxiapatitei prin metoda sol-gel
În vederea obţinerii unor compozite prin depuneri filmate de
hidroxiapatită, am ales metoda sol –gel de obţinere a hidroxiapatitei.
Pentru obţinerea hidroxiapatitei prin metoda sol-gel, s-au folosit
precursori de P şi Ca care au fost dizolvaţi separat în etanol. Amestecul celor
două soluţii a fost agitat şi apoi introdus într-o etuvă la temperatura de 80 0 C
timp de 24h, pentru a avea loc finalizarea reacţiei, iar produsul rezultat a fost
45

un gel transparent.
După obţinerea hidroxiapatitei prin metoda sol-gel aceasta a fost supusă unor
investigaţii de difracţie de raze X, pentru a identifica fazele înainte de
depunerea propriu zisă pe suportul metalic de oţel inoxidabil. Fazele
identificate în urma analizei au fost de hidroxiapatită - (Ca)10(PO4)6(OH)2 şi
fosfat de calciu - Ca3(PO4)2.
3. Caracterizări chimice, mecanice, microstructurale ale oţelului
inoxidabil 316L
Alegerea oţelului inoxidabil 316L în cadrul acestei teze ca şi
biomaterial metalic pentru realizarea compozitului prin depunere filmată de
hidroxiapatită, este motivată de proprietăţile de biocompatibilitate recunoscute
în literatură, de cumulul de proprietăţi mecanice superioare cât şi a costului de
fabricare redus comparativ cu celelalte materiale metalice utilizate în
domeniul biomedical.
În prezenta teza de doctorat pe epruvete din oţel inoxidabil 316L
au fost realizate investigaţii de determinare a compoziţiei chimice prin metode
spectroscopice ce au relevat prezenţa: Cr, Ni, Fe.
Caracterizarea morfologică şi structurală a oţelului inoxidabil a
fost completată şi de analizele de microscopie optică şi microscopie
electronică prin baleiaj. Studiile de microscopie optică au fost realizate pe
epruvete din tablă de diferite grosimi (3,5mm, 1,5mm, 0,35mm), pentru
evidenţierea fazelor de austenită şi carbură de crom.
A fost astfel posibilă stabilirea unor corelaţii între structurile
obţinute (vizibile prin microscopia optică şi electronică) şi fazele
caracteristice (determinate de difracţie de raze X). În imaginile de
microscopie optică ale oţelului inoxidabil 316L se pot vizualiza pe alocuri
formaţiuni sferice de carburi de crom. Fazele de precipitare evidenţiate la
analiza microscopică au fost identificate şi prin difracţia de raze X.
Pentru caracterizarea mecanică a oţelului s-au realizat determinări
de rezistenţă mecanică şi de duritate prin metoda Vickers, iar rezultatele
obţinute sunt corespunzătoare cu cele standardizate pentru această categorie
de oţel.
Analizele de rugozitate au fost realizate pentru a fi eliminată
suspiciunea legată de calitatea microfilmului ce urmează a fi depus.
Rezultatele analizele de rugozitate efectuate pe suprafaţa tablei laminate din
oţel 316L în cele 5 puncte, valorile Ra sunt ∼ 0,072µm, ceea se indică faptul
că depuneri micrometrice de hidroxiapatită se pot realiza fără probleme.
46

Rezistenţa la coroziune a oţelului inoxidabil austenitic 316L în
medii simulante corpului uman s-a pus în evidenţă prin imersia acestuia în
soluţie Tyrode şi s-au trasat curbe de potential.
Depunerea filmelelor de hidroxiapatită pe suportul metalic de oţel
inoxidabil 316L a fost realizată pe un spiner prin centrifugare cu 3000 rpm,
timp de 30 de secunde. După depunerea stratului subţire de gel, acesta a fost
tratat succesiv la temperaturi diferite de 200 0 C timp de 2 minute şi la 400 0 C
pentru 2 minute, cu scopul îmbunătăţirii cristalinităţii stratului de HAp..
4. Obţinerea şi caracterizarea compozitelor obţinute prin
metalurgia pulberilor
Au fost obţinute compozite prin metalurgia pulberilor prin
amestecarea pulberilor de oţel 316L cu hidroxiapatită (obţinută sintetic prin
precipitare umedă, presare şi sinterizare).
Pentru aceasta s-au variat diferiţi parametri de lucru şi anume:
a) presarea la rece a pastilelor la presiuni diferite;
b) sinterizarea la temperaturi diferite şi menţinerea acestora pe intervale
diferite de timp;
c) variaţia concentraţiilor de pulberi folosite la obţinerea compozitului;
d) adăugarea de materiale noi (carboximetilceluloza) cu rol de liant.
În acest sens, au fost realizate caracterizări dimensionale şi
microscopice atât pentru pulberile de oţel inoxidabil cât şi pentru cele de
hidroxiapatită.
Ca şi compactitate, cele mai bune compoziţii au fost: 80% HAp şi
20% 316L şi 70% HAp şi 30% 316L.
Din analiza macrografică a compozitelor cu 80% HAp şi 20% 316L
obţinute prin presare la rece se poate observa o friabilitate a probelor, cu
porozitate mare şi o tendinţă pronunţată de sfârâmare.
S-a constatat că:
creşterea cantităţii de HAp în amestecul de pulberi, conduce la
scaderea durităţii sinterizatului şi a densităţii relative a compozitului
316L/HAp, cu o creştere semnificativă a porozităţii.
prin creşterea proporţiei de HAp nu este favorizată îmbunătăţirea
durităţii şi nici densificarea compozitului sinterizat. Cele mai bune
rezultate au fost obţinute pentru compozitele din 70% 316L /30% HAp
şi 80% 316L /20% HAp.
Studiul comportamentului mecanic al compozitelor obţinute s-a
realizat prin analiza durităţii Shore, obţinându-se valori de 71 HS D pentru
compozitul cu 70% 316L /30% HAp şi 77HS D pentru compozitul cu 80%
316L /20% HAp. Conform literaturii, valorile durităţii Shore pentru
hidroxiapatită sunt cuprinse între 81-88 HS D, iar pentru oasele umane între
47

85-95 HS D. Rezultatele prezentate arată că proprietăţile compozitelor
obţinute pot varia prin alegerea unei compoziţii chimice corespunzătoare
amestecurilor pulverulente.
Influenţa granulaţiei asupra microstructurii compozitului este foarte
importantă,
deoarece granulaţiile mari ale pulberilor vor crea pori
intergranulari largi, aspect ce afectează densitatea şi caracteristicile mecanice
ale compozitelor.
Densitatea
pulberii HAp influenţează direct proporţional densitatea
produsului
ceramic (HAp/316L), astfel că o densitate ridicată a particulelor va
determina o densitate de împachetare mai bună în produsul compactat.
S-au realizat investigaţii compoziţionale şi structurale pentru
materialele
compozite obţinute prin metalurgia pulberilor şi s-au stabilit unele
corelaţii între parametrii procesului de preparare, compoziţie chimică,
structură şi proprietăţile compozitelor obţinute.
5. Depunerea filmată de hidroxiapatită pe suport metalic din oţel
inoxidabil 316L
Oţelurilor inoxidabile austenitice sunt predispuse la coroziune locală
tip pitting în aplicaţii pe termen lung la expunerea continuuă în mediul
fiziologic.
Acoperirea
acestora cu straturi ceramice bioactive şi aderente de
hidroxiapatită,
în vederea unei mai bune şi mai rapide osteointegrări cât şi a
unei protejări mai eficiente împotriva coroziunii pentru dispozitivul medical în
cauză, reprezintă una din soluţiile agreate din punctul de vedere al
funcţionalizării acestora.
Depunerea filmată
a hidroxiapatitei pe tabliţe de 316L a fost realizată
pe un spiner
prin centrifugare cu 3000 rpm, timp de 30 de secunde. Filmul de
gel a fost tratat succesiv, la diferite temperaturi, cu scopul îmbunătăţirii
cristalinităţii.
În acord
cu difractograma XRD a filmelor care indică o fază unică de
HAp, variaţia
de compoziţie nu indică o segregare asociată cu o posibilă fază
secundară, ci doar o abatere de la stoichiometrie. Tipul de substrat ca şi viteza
tratamentului termic influenţează puternic porozitatea filmelor de HAp.
Studiul analizei microscopice a filmelor depuse cu una şi două
straturi de
hidroxiapatită pe suportul metalic de oţel inoxidabil 316L indică
apariţia unor fisuri datorate contracţiilor de ardere.
În concluzie, în urma experimentelor realizate
în prezenta teză de
doctorat, depunerile filmate de HAp pe 316 L prin nu sunt recomandate pentru
astfel de aplicaţii, în principal datorită tendinţei de exfoliere a acestei
depuneri.
48

6. Comportamentul biomaterialor studiate în lichide fiziologice
simulante
Probele
obţinute în prezenta teză de doctorat au fost analizate şi din
punct de vedere al migrării metalelor constituente ale compozitului în fluide
umane simulate, după cum urmează:
Analiza calitativă prin spectrometrie
de fluorescenţă cu raze X cu
dispersie după energie a probelor solide şi a celor lichide, după 4032 ore de
expunere, a condus la următoarele concluzii:
1. Nu s-au obţinut valori semnificative
ale concentraţiilor metalelor
care pot proveni din materialele analizate în plasma artificială/ser,
în condiţii controlate prin spectrometria de absorbţie atomică cu
aspiraţie directă în flacără.
2. Prin spectrometrie de absorbţie
atomică, tehnica cuptorului de
grafit, s-a constatat o migrare a metalelor analizate (Fe, Mn, Cr şi
Ni) în lichidele fiziologice simulate (SBF) analizate, după o
perioadă de 6 luni, dar numai la nivelul ppb-urilor.
Au fost realizate reprezentări grafice ale concentraţiilor
ionilor
metalici de Fe, Ni, Cr şi Mn pentru probele notate cu acronimele PLAS 1,
PLAS 2, PLAS 5, PLAS 6, PLAS 9 şi PLAS 10 în funcţie de timp. Pentru
reprezentarea grafică au fost alese numai probele metalice expuse în medii de
plasmă artificială şi ser fiziologic.
Aşa cum rezultă din grafic,
pentru plăcuţele din oţel filmate cu HAp
(neoxidate)
notate cu acronimul PLAS 1, valori semnificative apar doar la
concentraţia Fe în plasmă artificială iar la polul opus cele mai mici valori au
fost înregistrate pentru concentraţia Cr. Pentru plăcuţele din 316L filmate cu
HAp (oxidate), concentraţiile de Cr şi Mn au valori apropiate, restul curbelor
au aceeaşi aliură ca şi în graficul pentru plăcuţele de oţel neoxidate în
prealabil.
Prin
comparaţie, valorile concentraţiilor de Fe, Ni, Cr şi Mn de la
plăcuţele fimate cu hidroxiapatită PLAS 1 şi PLAS 2 sunt mai mici decât
pentru cele fără depunere PLAS 5 şi PLAS 6.
În PLAS 9 şi PLAS 10, pulberea de oţel inoxidabil 316L expusă în
plasmă artificială şi ser fiziologic, prezintă o concentraţie mai mare de Mn,
aliura curbelor de Fe, Ni şi Cr sunt asemănătoare. Valorile mari ale
concentraţiei metalelor în penultimul şi ultimul timp de expunere se explică
prin faptul că au fost lăsate un timp dublu în soluţii.
Din analiza reprezentărilor grafice pentru plăcuţele
metalice din oţel
inoxidabil
316L cu şi fără depunere de hidroxiapatită, indică faptul că
depunerea filmată de hidroxiapatită a împiedicat eliberarea ionilor metalici în
soluţiile de plasmă artificială şi ser fiziologic.
49

7. Metode biologice de determinare a viabilităţii celulare a
compozitului
sinterizat 316L/HAp
Biomaterialele compozite studiate,
se pot folosi ca biomateriale, dar
nu înainte
de a se face un studiu mai amănunţit asupra caracteristicilor de
biocompatibilitate.
În urma testelor
efectuate, s-a concluzionat ca biomaterialele testate
nu au manifestat
toxicitate asupra liniei celulare de SC.
VII.1.
Elemente de originalitate şi perspective
Caracterul de originalitate al tezei, constă în
realizarea de noi
materiale
biofuncţionale şi biocompatibile, comparativ cu materialele
existente în domeniul biomedical. A fost preparată şi caracterizată
hidoxiapatită obţinută prin precipitare umedă modificată.
Au fost obţinute compozite prin metalurgia pulberilor
şi s-a întocmit
fluxul tehnologic
de obţinere al acestora.
Proprietăţile de duritate ale compozitelor
obţinute sunt apropiate de
cele ale oaselor
umane.
După o perioadă
de 6 luni s-a constatat o migrare practic inexistentă
a metalelor
analizate (Fe, Mn, Cr şi Ni) în lichidele fiziologice simulate (SBF)
analizate, doar la nivelul ppb-urilor.
Nu s-au obţinut rezultate relevante privind concentraţia metalelor
care pot proveni din materialele analizate în plasma artificială/ser, în condiţii
controlate prin spectrometria de absorbţie atomică cu aspiraţie directă în
flacără.
S-au realizat analize privind citotoxicitatea compozitului 316L/HAp
prin urmărirea
viabilităţii celulelor vii de SC (ca model celular).
Rezultatele obţinute pe parcursul tezei de doctorat au
condus la
confirmarea
elementelor de originalitate ale temei. Parte din rezultatele au fost
prezentate la diferite conferinţe naţionale şi internaţionale şi au fost publicate
în reviste cotate ISI, iar altele fiind încă în curs de publicare.
Teza are un caracter interdisciplinar, care deschide noi orizonturi
pentru o
diversitate largă de aplicaţii speciale şi nu numai, are un caracter de noutate la
nivel experimental, aduce contribuţii în domeniul cercetat şi creează în acelaşi
timp premise pentru noi lucrări de cercetare.
Bibliografie selectivă
1.
Aizawa T., Kaneko T, Yajima H, Yamada S, Sato Y, Kanda Y, Kanda S,
Noda M, Kadowaki T, Nagai M, Yamauchi K, Komatsu M and Hashizume K,
Rapid oscillation of insulin release by the rat pancreatic islets under stringent
2+
Ca -free conditions, Journal of Endocrinology (2000) 166, 545–551;
50

2. Anderson D., Hastings GW., Morrey S., Rich C., Hydroxyapatite ceramic
coatings. In: Bioceramics, vol 2(Ed. Heimke G). Proceedings of the 2th
International Symposium on Ceramics in Medicine, Heidelberg 1989:251;
3. Andronescu E., Ghiţulică C., Voicu G., Stoleriu Şt., Nanopulberi şi
materiale ceramice. Obţinere şi caracterizare, Ed. Politehnica Press, Bucureşti,
2008;
ASTM A240,
4. Bahrami
Nasab M., Mohd Roshdi Hassan, Metallic Biomaterials of Knee
and Hip - A Review,
Biomaterials of Knee and Hip - A Review 1 Trends
Biomater. Artif. Organs, Vol 24(1), pp. 69-82, 2010;
5. Balamurugan A., Balossier G., Kannan S., Michel J., Faure J., Rajeswari S.,
Electrochemical and structural characterisation of zirconia reinforced
hydroxyapatite bioceramic sol–gel coatings on surgical grade 316L SS for
biomedical applications, Ceramics International 33 (2007) 605–614;
6. Ballarre J., Inderchand Manjubala, Schreiner Wido H., Orellano J. C.,
Fratzl P., Ceré S., Improving the osteointegration and bone–implant interface
by incorporation of bioactive particles in sol–gel coatings of stainless steel
implants, Acta biomaterialia xxx (2009);
7. Bauer T.W., Geesink RGT., Zimmerman R., McMahon JT.,
Hydroxyapatite-coated femoral stems. Histological
analysis of components
retrieved at autopsy. J Bone JointSurg (Am) 1991; 73: 1439-52;
8. Bemdt Haddad C.C. GN, Gross KA., Thermal spraying for bioceramics
application. In: Bioceramics (Ed.Heimke G). Proceedings of the 2th
International Symposium on Ceramics in Medicine, Heidelberg 1989; 2: 201;
9. Ben-Nissan, B., Milev, A., Vago, R., Biomaterials 25(2004), pp. 4971-
4975;
10. Bermudez R., Espinoza Beltran F.J,, Espitia Cabrera E. and Contreras
Garcia M.E., Characterization of HAp-ZrO 2 Base Bilayer on 316L Stainless
Steel Substrates for Orthopedic Prothesis Applications, Advanced in
Technology of Materials and Materials Processing Journal, 9(2) (2007) 141-
148;
11. Bhadeshia şi Honeycombe, Steels Microstructure and Properties Third
edition,
Elsevier, 2006;
12. Bloebaum R.D., Merrell M., Gustke K., Simmons M., Retrieval analysis
of a hydroxyapatite-coated hip prosthesis, Clin Orthop 1991; 267: 97-102;
13. Boanini E., Bigi A., Biomimetic synthesis of carbonated hydroxyapatite
thin films, Thin Solid Films 497 (2006) 53 – 57,
14. Bogza E. S., Studii cinetice şi de echilibru ale unor procese de reţinere pe
materiale apatitice, teză doctorat, Universitatea Babeş-Bolyai, Cluj Napoca,
2010;
51

15. Callaghan J.J., Rosenberg A.G., Rubash H.E., Simion P.T., Wickiewicz
T.L., The adult knee, vol. I, Lippincott Williams and Wilkins, 2003, ISBN: 0-
7817-3247-6;
16. Chai C. and Ben-Nissan B., Int. Ceram. Monogr. 1 (1994)66;
17. Chai C. S., Ben-Nissan B., Bioactive nanocrystalline sol-gel
hydroxyapatite,
coatings, Journal of Materials Science: Materials in Medicine
10 (1999) pp. 465±469;
18. Chiesa R., Sandrini E., Santin M., Rondelli G. and Cigada A., J. App.
Biomater. & Biomechan. 1 (2003) 91;
19. Chrome Contact Allergy.
http://dernetny.org. Reference Type: Internet
Communication;
20. Ciobanu C. S., Andronescu E., Stoicu
A., Florea O., Le Coustumer P.,
Galaup S., Djouadi A., şi alţii, Influence of annealing treatment of nanohydroxyapatite
bioceramics
on the vibrational properties, Digest Journal of
Nanomaterials and Biostructures Vol. 6, No 2, April - June 2011, p. 609 –
624;
21. Cumpătă C. N., Gănuţă N., Ionescu T., Theoretic considerations regarding
the obtaining of dental implants, Revista Românå de stomatologie, volumul
LVII, nr 1, 2011;
22. Davis J.R., Ed. Handbook of Materials for Medical Devices, ASM
International, 2003;
36. A. A. Poinescu, R. M. Ion, R. I. Van Staden şi alţii, “Different
microscopic characterization techniques on hydroxyapatite powder”,
JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS,
Volume: 13, Issue: 2-4, Pp: 416-421, Published: MAR 2011,
joam.inoe.ro/download.php?idu=2754
37. A. A. Poinescu, R.M. Ion, R. I. van Staden, et al., “Investigations on
hydroxyapatite powder obtained by wet precipitation”, ADVANCED TOPICS
IN OPTOELECTRONICS, MICROELECTRONICS, AND
NANOTECHNOLOGIES V, Book Series: Proceedings of SPIE-The
International Society for Optical Engineering, Volume: 7821, Pp: 78210B 1-6,
DOI: 10.1117/12.882148, 2010,
http://spiedigitallibrary.org/proceedings/resource/2/psisdg/7821/1/78210B_1?i
sAuthorized=no
LISTĂ DE LUCRĂRI
Articole de specialitate cotate I.S.I.
1. A. A. Poinescu, R. M. Ion, R. I. Van Staden şi alţii,
“Different microscopic
characterization techniques on hydroxyapatite powder”, JOURNAL OF
OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS, Volume: 13,
52

Issue: 2-4, Pp: 416-421, Published: MAR 2011,
joam.inoe.ro/download.php?idu=2754
2. A. A. Poinescu, R.M. Ion, R. I. van Staden, et al., “Investigations on
hydroxyapatite powder obtained by wet precipitation”, ADVANCED TOPICS
IN OPTOELECTRONICS, MICROELECTRONICS, AND
NANOTECHNOLOGIES V, Book Series: Proceedings of SPIE-The
International Society for Optical Engineering, Volume: 7821, Pp: 78210B 1-6,
DOI: 10.1117/12.882148, 2010,
http://spiedigitallibrary.org/proceedings/resource/2/psisdg/7821/1/78210B_1?i
sAuthorized=no
Articole de specialitate indexate în baze de date internaţionale
3 A. A. Poinescu, R. M. Ion, I. Trandafir, E. Bacalum, C. Radovici,
“Obtaining and characterization of a calcium HA”, Proc.TEHNOMUS XV
“New Technologies and products in machine manufacturing technologies”,
pp.301-306; Matrix Rom, ISSN -1224 - 029X, ISSN 1224-029X, 2009;
4. A. A. Poinescu, R. M. Ion, R. Stan, C. Z. Rizescu, Determining sensitivity
to intergranular corrosion of austenitic stainless steel 316L, The Scientific
Bulletin of Valahia University- Materials and Mechanics, Year 8, No. 5(8),
pp.91-94, 2010;
5. A. A. Poinescu, R. M. Ion, „Particles dimensional analysis and microscopic
characterization of hydroxyapatite powder”, TEHNOMUS – New
Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies, N0.18,
pp.283-288, 2011;
6. A. Catangiu, A. A. Poinescu, D. Ungureanu, „Experimentări asupra
măsurării grosimii straturilor subţiri depuse în vid cu difractometrul de raze X,
Rev. Metalurgia nr. 1 ianuarie 2004, pg.27-32, ISSN 0461-9579;
Articole publicate în volumele unor manifestări ştiinţifice internaţionale
1. A. A. Poinescu, R. M. Ion, “Studii privind comportarea biomaterialelor
metalice 316L şi compozite HA-316L utilizate in implanturi” - Poster,
Simpozionul International “Priorităţile chimiei pentru o dezvoltare durabilă
Priochem, Ed. A IV-a”, Bucurşsti; 30-31 octombrie 2008;
2. A. A. Poinescu, R. M. Ion, I. Trandafir, E. Bacalum, C. Radovici,
“Obtaining and characterization of a calcium hydroxyapatite”, The XV-th
International Scientific Conference “Tehnomus” Suceava, May 8-9 2009,
pg.301-306;
3. A. A. Poinescu, N. Popescu, R. C. Fierascu, I. Dumitriu, I. Trandafir, R. M.
Ion, Hydroxyapatite biomaterials as bone graft substitute, Poster,
Simpozionul International “Prioritatile chimiei pentru o dezvoltare durabila
53

PRIOCHEM”, editia a V-a 29- Sinaia, ISBN 978-973-0-06996-9; 30
oct.2009;
4. A. A. Poinescu, R. M. Ion, R. Stan, C. Z. Rizescu, Determining sensitivity
to intergranular corrosion of austenitic stainless steel 316l, Al VIII-LEA
Simpozion NAŢIONAL cu participare Internaţională „ Microtehnologii şi
Materiale Noi” 18-19 IUNIE 2010, Târgovişte;
5. A. A. Poinescu, S. M. Doncea, R. M. Ion, Characterization of
hydroxyapatite materials by FTIR spectroscopy, Poster, PETROLEUM - GAS
UNIVERSITY OF PLOIESTI, The 2 nd International Conference “Science
and Technology in the Context of Sustainable Development”4-5 noiembrie
2010 Ploiesti;
6. A. A. Poinescu, R. M. Ion, O. Vasile, R. I. van Staden, J. F. van Staden, M.
Ghiurea, Different microscopic characterization techniques on hydroxypatatite
powder, International Student Workshop on Laser Application 2010 -
ISWLA’10, Bran Romania, May 25-28, 2010;
7. A. A. Poinescu, R. M. Ion, R. I. van Staden, J. F. van Staden, M. Ghiurea,
„Investigations on hydroxyapatite powder obtained by wet precipitation”, The
5th edition of the International Conference „Advanced Topics in
Optoelectronics, Microelectronics and Nanothechnologies” – ATOM – N
2010, Constanta, Romania, 26-29 august 2010;
8. A. A. Poinescu, R. M. Ion, „Particles dimensional analysis and microscopic
characterization of hydroxyapatite powder”, International Conference
TEHNOMUS, Suceava 13-14 mai, 2011;
9. A. A. Poinescu, S. Pop, R. M. Ion, Thermal analysis and microscopic
characterization of hydroxyapatite powder obtained by wet precipitation,
Poster- A 10-a ediţie a Seminarului Naţional de Nanoştiinţă şi
Nanotehnologie, 18 mai 2011;
Articole publicate pe alte teme în volumele unor conferinţe internaţionale cotate I.S.I.
1. S. Teodorescu; L. B. Frasin Neagu; C. Z. Rizescu; A. A. Poinescu., “Study
on the Dynamics of Chromium and Total Manganese Concentration of
Prahova River During the Period 2006-2008”, LATEST TRENDS ON
ENGINEERING MECHANICS, STRUCTURES, ENGINEERING
GEOLOGY, Book Series: Mathematics and Computers in Science and
Engineering, Pg: 257-260, 2010, http://www.wseas.us/elibrary/conferences/2010/Corfu/EMEGEO/EMEGEO-44.pdf
2. C. Z. Rizescu, E. V. Stoian, A. A. Poinescu şi alţii., “Heavy Metals in
Suspended Powders from Steelmaking”, LATEST TRENDS ON
ENGINEERING MECHANICS, STRUCTURES, ENGINEERING
GEOLOGY, Book Series: Mathematics and Computers in Science and
54

Engineering, Pg: 48-50, 2010, http://www.wseas.us/elibrary/conferences/2010/Corfu/EMEGEO/EMEGEO-04.pdf,
3. A. A. Poinescu, C. Z. Rizescu, I. F. Popa şi alţii,.”Monitoring
Environmental Pollution with Heavy Metals from Settable and Suspended
Powders Resulted from Electric Arc Furnaces - Case Study”, RECENT
ADVANCES IN ENERGY AND ENVIRONMENT, Book Series: Energy
and Environmental Engineering Series Pages: 292-295, 2010,
http://www.wseas.us/e-library/conferences/2010/Cambridge/EE/EE-46.pdf;
4. Z. Bacinschi, C. Z. Rizescu, E. V. Stoian, D. N. Ungureanu, A. A.
Poinescu, C. Ittu, “Processing and Recycling Experiments of Dust from
Electric Arc Furnace”, Advanced Materials Research Vols. 378-379 (2012)
pp: 719-722, http://www.scientific.net/AMR.378-379.719.
55