생체용 저탄성계수 타이타늄 신합금의 기계적 특성과 전기화학적 부식거동에 관한 연구 Study on the mechanical properties and electrochemical corrosion behavior of low elastic modulus new titanium alloys for biomaterials원문보기
기존의 대표적인 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금에서 Al과 V은 세포독성을 일으키는 원소이며, 낮은 탄성계수의 뼈(10~30GPa)와 높은 탄성계수의 Ti- 6Al-4V 합금(110GPa) 사이의 탄성계수 값의 큰 차이로부터 오는 응력차폐효과로 인해 골 손실이 유발된다. 따라서 본 연구에서는 Al과 V을 대체하고 낮은 탄성계수를 가지기 위해, 타이타늄에 Ta, Nb, Zr 또는 Sn을 첨가하여 Ti-40Ta-10Nb-4Sn, Ti-40Ta-10Nb-10Zr 및 Ti-30Ta-10Nb-10Zr의 합금을 설계하였다. 이러한 설계된 합금들의 미세조직, 기계적 특성 및 전기화학적 부식거동을 기존의 생체재료인 CP-Ti(Gr.2), Ti-6Al-4V 합금들과 비교한 결과들을 아래에 나타내었다.
1. 미세조직에서 설계된 합금들은 기존의 생체재료에서 보여 지는 α상 또는 α와 β상이 혼합된 조직과는 다른 조직으로, β 단상의 조직을 가지며 이는 XRD의 상분석을 통해 확인되었다.
2. 기계적 특성들에서 30wt%의 Ta을 첨가한 합금을 제외하고 설계된 합금들 모두 기존의 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 우수한 강도를 나타내었다. 반면에 30wt%의 Ta을 첨가한 합금은 설계된 합금들 중에서 가장 우수한 ...
기존의 대표적인 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금에서 Al과 V은 세포독성을 일으키는 원소이며, 낮은 탄성계수의 뼈(10~30GPa)와 높은 탄성계수의 Ti- 6Al-4V 합금(110GPa) 사이의 탄성계수 값의 큰 차이로부터 오는 응력차폐효과로 인해 골 손실이 유발된다. 따라서 본 연구에서는 Al과 V을 대체하고 낮은 탄성계수를 가지기 위해, 타이타늄에 Ta, Nb, Zr 또는 Sn을 첨가하여 Ti-40Ta-10Nb-4Sn, Ti-40Ta-10Nb-10Zr 및 Ti-30Ta-10Nb-10Zr의 합금을 설계하였다. 이러한 설계된 합금들의 미세조직, 기계적 특성 및 전기화학적 부식거동을 기존의 생체재료인 CP-Ti(Gr.2), Ti-6Al-4V 합금들과 비교한 결과들을 아래에 나타내었다.
1. 미세조직에서 설계된 합금들은 기존의 생체재료에서 보여 지는 α상 또는 α와 β상이 혼합된 조직과는 다른 조직으로, β 단상의 조직을 가지며 이는 XRD의 상분석을 통해 확인되었다.
2. 기계적 특성들에서 30wt%의 Ta을 첨가한 합금을 제외하고 설계된 합금들 모두 기존의 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 우수한 강도를 나타내었다. 반면에 30wt%의 Ta을 첨가한 합금은 설계된 합금들 중에서 가장 우수한 연성을 나타내었다. Sn을 첨가한 합금을 제외하고 설계된 합금들의 경도 특성은 Ti-6Al-4V 합금 보다 더 우수하였다.
3. Open Circuit Potential(OCP) 실험에서 모든 합금들의 시간에 따른 부식전위 값들이 +방향의 noble한 쪽으로 이동되다가, 비교적 짧은 시간에 일정한 전위 값을 가지고 안정해졌다. 이러한 거동은 실험한 모든 합금에서 침적 후, 즉시 안정한 부동태막이 형성되는 것에 기인하였다.
4. Potentiodynamic Polarization(PP) 실험에서 Sn을 첨가한 설계된 합금은 높은 부식인자들(부식전류밀도, 부동태전류밀도, 부식속도)의 값들 때문에 부식저항성이 현저히 저하되는 부식거동을 나타내었다. 반면에 Zr을 첨가한 설계된 합금들은 기존의 생체재료 합금들에 필적할 만한 낮은 부식인자의 값들로 인해 부식저항성이 우수한 부식거동을 보였다.
5. Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS) 실험에서 부식거동은 Potentiodynamic Polarization(PP) 실험에서의 결과들과 일치하는 부식저항성의 값들을 나타내었다. 이러한 실험에서, Rp(부동태막 저항성)값은 부식속도와 반비례한다. Sn을 첨가한 설계된 합금은 낮은 Rp값 때문에 부식저항성이 저하되었고, Zr을 첨가한 설계된 합금들에서는 높은 Rp값 때문에 부식저항성이 우수한 부식거동을 나타내었다.
결론적으로, 본 연구에서 설계된 합금들은 기존의 생체재료에 필적하는 우수한 기계적 특성을 가지고, Sn을 첨가한 합금을 제외하고 부식저항성이 우수한 부식 거동을 나타내었다. 따라서 Zr을 첨가한 설계된 합금들은 기존의 대표적인 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금을 대신하여, 무독성이고 낮은 탄성계수의 타이타늄 신합금으로써, 더 많은 연구가 진행된다면 생의학 분야에 충분히 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
기존의 대표적인 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금에서 Al과 V은 세포독성을 일으키는 원소이며, 낮은 탄성계수의 뼈(10~30GPa)와 높은 탄성계수의 Ti- 6Al-4V 합금(110GPa) 사이의 탄성계수 값의 큰 차이로부터 오는 응력차폐효과로 인해 골 손실이 유발된다. 따라서 본 연구에서는 Al과 V을 대체하고 낮은 탄성계수를 가지기 위해, 타이타늄에 Ta, Nb, Zr 또는 Sn을 첨가하여 Ti-40Ta-10Nb-4Sn, Ti-40Ta-10Nb-10Zr 및 Ti-30Ta-10Nb-10Zr의 합금을 설계하였다. 이러한 설계된 합금들의 미세조직, 기계적 특성 및 전기화학적 부식거동을 기존의 생체재료인 CP-Ti(Gr.2), Ti-6Al-4V 합금들과 비교한 결과들을 아래에 나타내었다.
1. 미세조직에서 설계된 합금들은 기존의 생체재료에서 보여 지는 α상 또는 α와 β상이 혼합된 조직과는 다른 조직으로, β 단상의 조직을 가지며 이는 XRD의 상분석을 통해 확인되었다.
2. 기계적 특성들에서 30wt%의 Ta을 첨가한 합금을 제외하고 설계된 합금들 모두 기존의 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 우수한 강도를 나타내었다. 반면에 30wt%의 Ta을 첨가한 합금은 설계된 합금들 중에서 가장 우수한 연성을 나타내었다. Sn을 첨가한 합금을 제외하고 설계된 합금들의 경도 특성은 Ti-6Al-4V 합금 보다 더 우수하였다.
3. Open Circuit Potential(OCP) 실험에서 모든 합금들의 시간에 따른 부식전위 값들이 +방향의 noble한 쪽으로 이동되다가, 비교적 짧은 시간에 일정한 전위 값을 가지고 안정해졌다. 이러한 거동은 실험한 모든 합금에서 침적 후, 즉시 안정한 부동태막이 형성되는 것에 기인하였다.
4. Potentiodynamic Polarization(PP) 실험에서 Sn을 첨가한 설계된 합금은 높은 부식인자들(부식전류밀도, 부동태전류밀도, 부식속도)의 값들 때문에 부식저항성이 현저히 저하되는 부식거동을 나타내었다. 반면에 Zr을 첨가한 설계된 합금들은 기존의 생체재료 합금들에 필적할 만한 낮은 부식인자의 값들로 인해 부식저항성이 우수한 부식거동을 보였다.
5. Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS) 실험에서 부식거동은 Potentiodynamic Polarization(PP) 실험에서의 결과들과 일치하는 부식저항성의 값들을 나타내었다. 이러한 실험에서, Rp(부동태막 저항성)값은 부식속도와 반비례한다. Sn을 첨가한 설계된 합금은 낮은 Rp값 때문에 부식저항성이 저하되었고, Zr을 첨가한 설계된 합금들에서는 높은 Rp값 때문에 부식저항성이 우수한 부식거동을 나타내었다.
결론적으로, 본 연구에서 설계된 합금들은 기존의 생체재료에 필적하는 우수한 기계적 특성을 가지고, Sn을 첨가한 합금을 제외하고 부식저항성이 우수한 부식 거동을 나타내었다. 따라서 Zr을 첨가한 설계된 합금들은 기존의 대표적인 생체재료인 Ti-6Al-4V 합금을 대신하여, 무독성이고 낮은 탄성계수의 타이타늄 신합금으로써, 더 많은 연구가 진행된다면 생의학 분야에 충분히 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
Al and V elements in Ti-6Al-4V alloy have been reported to cause the cell toxic and bone loss by stress shielding effect due to large difference of elastic modulus value between low elastic modulus of bone(10~30GPa) and high elastic modulus of Ti-6Al-4V alloy(110GPa). Therefore, alloying elements of...
Al and V elements in Ti-6Al-4V alloy have been reported to cause the cell toxic and bone loss by stress shielding effect due to large difference of elastic modulus value between low elastic modulus of bone(10~30GPa) and high elastic modulus of Ti-6Al-4V alloy(110GPa). Therefore, alloying elements of Ta, Nb, Zr or Sn replacing Al and V in conventional biomaterial alloys were devised to lower elastic modulus. Alloys with compositions of Ti-40Ta-10Nb-4Sn, Ti-40Ta-10Nb-10Zr, Ti-30Ta-10Nb-10Zr were prepared respectively. The micro structures, mechanical properties and electrochemical corrosion behavior for these designed alloys were compared with that of conventional biomaterials, CP-Ti(Gr.2) and Ti-6Al-4V alloys, and its results are described below.
1. In contrast to the conventional biomaterials possessing α or mixed α and β phase, the single β phase was identified in all the designed alloys, and it was confirmed by XRD(X-ray diffraction) analysis.
2. In mechanical properties, all designed alloys, except for alloy with 30wt% Ta, showed excellent strength comparable to conventional Ti-6Al-4V alloy. On the other hand, alloy with 30wt% Ta exhibited the maximum elongation among the designed alloys. The results obtained from hardness test suggested that all the designed alloys, except for alloy with Sn, have a higher hardness than the conventional Ti-6Al-4V alloy.
3. In open circuit potential(OCP) test, the measured corrosion potentials for all of the alloys were shifted toward positive direction, and then reached a stable constant potential value in a short time. These results arises from formation of a protective passive film, which is generated immediately after immersion.
4. According to potentiodynamic polarization(PP) test, which can provide information regarding corrosion behavior of alloys, corrosion resistance of the designed alloy with Sn decreased significantly based on high values of corrosion parameters (corrosion current density, passive current density, corrosion rate). On the other side, designed alloys with Zr have shown excellent corrosion resistance owing to low values of corrosion parameters similar to conventional biomaterials alloys.
5. The corrosion behavior of designed alloys measured by electrochemical impedance spectroscopy(EIS) test has revealed that corrosion resistance values is in good accord with the results of potentiodynamic polarization test. In this test, Rp(passive film resistance) value is inversely proportional to corrosion rate. Based on measured Rp values, the designed alloys with Sn possessing low Rp value resulted in decreased corrosion resistance, on the other hand alloy with Zr exhibited excellent corrosion resistance with high Rp value.
In conclusion, designed alloys in this study have excellent mechanical properties similar to conventional biomaterials, and also corrosion resistance was superior exclusive of alloy with Sn. Therefore, designed alloys with Zr were considered to have high possibility substituting the conventional representative biomaterials, Ti-6Al-4V alloy, for a biomedical field as non-toxic and low elastic modulus of titanium alloy.
Al and V elements in Ti-6Al-4V alloy have been reported to cause the cell toxic and bone loss by stress shielding effect due to large difference of elastic modulus value between low elastic modulus of bone(10~30GPa) and high elastic modulus of Ti-6Al-4V alloy(110GPa). Therefore, alloying elements of Ta, Nb, Zr or Sn replacing Al and V in conventional biomaterial alloys were devised to lower elastic modulus. Alloys with compositions of Ti-40Ta-10Nb-4Sn, Ti-40Ta-10Nb-10Zr, Ti-30Ta-10Nb-10Zr were prepared respectively. The micro structures, mechanical properties and electrochemical corrosion behavior for these designed alloys were compared with that of conventional biomaterials, CP-Ti(Gr.2) and Ti-6Al-4V alloys, and its results are described below.
1. In contrast to the conventional biomaterials possessing α or mixed α and β phase, the single β phase was identified in all the designed alloys, and it was confirmed by XRD(X-ray diffraction) analysis.
2. In mechanical properties, all designed alloys, except for alloy with 30wt% Ta, showed excellent strength comparable to conventional Ti-6Al-4V alloy. On the other hand, alloy with 30wt% Ta exhibited the maximum elongation among the designed alloys. The results obtained from hardness test suggested that all the designed alloys, except for alloy with Sn, have a higher hardness than the conventional Ti-6Al-4V alloy.
3. In open circuit potential(OCP) test, the measured corrosion potentials for all of the alloys were shifted toward positive direction, and then reached a stable constant potential value in a short time. These results arises from formation of a protective passive film, which is generated immediately after immersion.
4. According to potentiodynamic polarization(PP) test, which can provide information regarding corrosion behavior of alloys, corrosion resistance of the designed alloy with Sn decreased significantly based on high values of corrosion parameters (corrosion current density, passive current density, corrosion rate). On the other side, designed alloys with Zr have shown excellent corrosion resistance owing to low values of corrosion parameters similar to conventional biomaterials alloys.
5. The corrosion behavior of designed alloys measured by electrochemical impedance spectroscopy(EIS) test has revealed that corrosion resistance values is in good accord with the results of potentiodynamic polarization test. In this test, Rp(passive film resistance) value is inversely proportional to corrosion rate. Based on measured Rp values, the designed alloys with Sn possessing low Rp value resulted in decreased corrosion resistance, on the other hand alloy with Zr exhibited excellent corrosion resistance with high Rp value.
In conclusion, designed alloys in this study have excellent mechanical properties similar to conventional biomaterials, and also corrosion resistance was superior exclusive of alloy with Sn. Therefore, designed alloys with Zr were considered to have high possibility substituting the conventional representative biomaterials, Ti-6Al-4V alloy, for a biomedical field as non-toxic and low elastic modulus of titanium alloy.
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