نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

بررسی میکروساختار و خواص سطحی پوشش نانولوله اکسید تیتانیوم آندایز شده روی Ti-3Cu

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مواد ، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران.
2 گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، کرج، ایران.
چکیده
در این پژوهش نانولوله‌های اکسید تیتانیوم روی زیرلایه Ti-3Cu با استفاده از روش آندایز در دو ولتاژ 20 و40 ولت ایجاد شد. ریزساختار پوشش نانولوله‌های اکسید تیتانیوم و تأثیر آن بر آب‌دوستی سطح، همچنین حضور مس در پوشش و تأثیر آن بر خواص ضدباکتریایی سطح پوشش در اثر افزایش ولتاژ آندایز مورد بررسی قرار گرفت. بررسی ریز ساختار، آنالیز عنصری، آنالیز فازی به ترتیب با میکروسکوپ الکترونی(FESEM)، طیف سنجی توزیع انرژی (EDS) و پراش اشعه ایکس(XRD) انجام شد. نتایج نشان دادند نانولوله های اکسید تیتانیوم منظم، به هم فشرده و بصورت عمودی روی زیرلایه تشکیل شده اند. با افزایش ولتاژ آندایز قطر داخلی نانولوله ها افزایش محسوسی داشت که باعث کاهش محسوس زاویه ترشوندگی و افزایش آب دوستی سطح نانولوله های اکسید تیتانیوم شد. همچنین مس از زیرلایه به نانولوله های اکسید تیتانیوم مهاجرت کرد و با افزایش ولتاژ آندایز میزان مس در پوشش اکسید تیتانیوم بیشتر شد. در نتیجه خواص ضدباکتریایی پوشش افزایش یافت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] S. Minagar, C.C. Berndt, J. Wang, E. Ivanova, C. Wen, A review of the application of anodization for the fabrication of nanotubes on metal implant surfaces, Acta Biomater. 8 (2012) 2875–2888. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.04.005.
[2] C. Pan, T. Liu, Y. Yang, T. Liu, Z. Gong, Y. Wei, L. Quan, Z. Yang, S. Liu, Incorporation of Sr2+ and Ag nanoparticles into TiO2 nanotubes to synergistically enhance osteogenic and antibacterial activities for bone repair, Mater. Des. 196 (2020) 109086. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109086.
[3] P. Osak, S. Skwarek, D. Łukowiec, G. Przeliorz, B. Łosiewicz, Preparation and characterization of oxide nanotubes on titanium surface for use in controlled drug release systems, Materials 17 (2024) 3753. https://doi.org/10.3390/ma17153753.
[4] A.K. Baranwal, G. Keerthiga, L. Mohan, S.D. Dutta, P. Gupta, K.-T. Lim, T.S. Santra, Controlled and localized drug delivery using Titania nanotubes, Mater. Today Commun. 32 (2022) 103843. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103843.
[5] D. Regonini, C.R. Bowen, A. Jaroenworaluck, R. Stevens, A review of growth mechanism, structure and crystallinity of anodized TiO2 nanotubes, Mater. Sci. Eng. R Rep. 74 (2013) 377–406. https://doi.org/10.1016/j.mser.2013.10.001.
[6]K. Indira, U.K. Mudali, T. Nishimura, N. Rajendran, A review on TiO2 nanotubes: Influence of anodization parameters, formation mechanism, properties, corrosion behavior, and biomedical applications, J. Bio- Tribo-Corros. 1 (2015). https://doi.org/10.1007/s40735-015-0024-x.
[7] I.P. Torres-Avila, R.M. Souza, A. Chino-Ulloa, P.A. Ruiz-Trabolsi, R. Tadeo-Rosas, R. Carrera-Espinoza, E. Hernández-Sánchez, Effect of anodization time on the adhesion strength of titanium nanotubes obtained on the surface of the Ti–6Al–4V alloy by anodic oxidation, Crystals 13 (2023) 1059. https://doi.org/10.3390/cryst13071059.
[8] T. Dikova, D.P. Hashim, N. Mintcheva, Morphology and structure of TiO2 nanotube/carbon nanostructure coatings on titanium surfaces for potential biomedical application, Materials 17 (2024) 1290. https://doi.org/10.3390/ma17061290.
[9] L. Fanton, A. Cremasco, M.G. Mello, R. Caram, Anodization growth of TiO2 nanotubes on Ti–35Nb–7Zr–5Ta alloy: effects of anodization time, strain hardening, and crystallographic texture, J. Mater. Sci. 54 (2019) 13724–13739. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03870-5.
[10] E.-S. Kim, Y.-H. Jeong, H.-C. Choe, W.A. Brantley, Formation of titanium dioxide nanotubes on Ti–30Nb–xTa alloys by anodizing, Thin Solid Films 549 (2013) 141–146. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.058.
[11] H. Tsuchiya, T. Akaki, J. Nakata, D. Terada, N. Tsuji, Y. Koizumi, Y. Minamino, P. Schmuki, S. Fujimoto, Anodic oxide nanotube layers on Ti–Ta alloys: Substrate composition, microstructure and self-organization on two-size scales, Corros. Sci. 51 (2009) 1528–1533. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.11.011.
[12] D. Tang, Y. Wang, Y. Zhao, Y. Yang, L. Zhang, X. Mao, Effect of the composition of Ti alloy on the photocatalytic activities of Ti-based oxide nanotube arrays prepared by anodic oxidation, Appl. Surf. Sci. 319 (2014) 181–188. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.07.149.
[13] M.G. Mello, M.O. Taipina, G. Rabelo, A. Cremasco, R. Caram, Production and characterization of TiO2 nanotubes on Ti-Nb-Mo-Sn system for biomedical applications, Surf. Coat. Technol. 326 (2017) 126–133. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.07.027.
[14] P. Mahmoudi, M.R. Akbarpour, H.B. Lakeh, F. Jing, M.R. Hadidi, B. Akhavan, Antibacterial Ti-Cu implants: A critical review on mechanisms of action, Mater. Today Bio 17 (2022) 100447. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100447.
[15] Z. Liu, Y. Liu, S. Liu, D. Wang, J. Jin, L. Sun, Q. Wang, Z. Yi, The effects of TiO2 nanotubes on the biocompatibility of 3D printed Cu-bearing TC4 alloy, Mater. Des. 207 (2021) 109831. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109831.
[16] S. Cao, Z.-M. Zhang, J.-Q. Zhang, R.-X. Wang, X.-Y. Wang, L. Yang, D.-F. Chen, G.-W. Qin, E.-L. Zhang, Improvement in antibacterial ability and cell cytotoxicity of Ti–Cu alloy by anodic oxidation, Rare Metals 41 (2022) 594–609. https://doi.org/10.1007/s12598-021-01806-0.
[17] S. Liu, Z. Zhang, J. Zhang, G. Qin, E. Zhang, Construction of a TiO2/Cu2O multifunctional coating on Ti-Cu alloy and its influence on the cell compatibility and antibacterial properties, Surf. Coat. Technol. 421 (2021) 127438. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127438.
[18] Y. Xie, M. Lu, X. Mao, H. Yu, E. Zhang, Enhancing the antibacterial properties and biocompatibility of Ti-Cu alloy by roughening and anodic oxidation, Metals 12 (2022) 1726. https://doi.org/10.3390/met12101726.
[19] W. Zhang, S. Zhang, H. Liu, L. Ren, Q. Wang, Y. Zhang, Effects of surface roughening on antibacterial and osteogenic properties of Ti-Cu alloys with different Cu contents, J. Mater. Sci. Technol. 88 (2021) 158–167. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.067.
[20] S. Durdu, S. Tosun, E. Yalcin, K. Cavusoglu, A. Altinkok, H. Sagcan, İ. Yurtsever, M. Usta, Characterization and investigation of properties of copper nanoparticle coated TiO2 nanotube surfaces on Ti6Al4V alloy, Mater. Chem. Phys. 292 (2022) 126741. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126741.
[21] T.M. David, P.R. Dev, P. Wilson, P. Sagayaraj, T. Mathews, A critical review on the variations in anodization parameters toward microstructural formation of TiO2 nanotubes, Electrochem. Sci. Adv. 2 (2022). https://doi.org/10.1002/elsa.202100083.
[22] A. Jędrzejewska, K. Arkusz, Mechanism and growth kinetics of hexagonal TiO2 nanotubes with an influence of anodizing parameters on morphology and physical properties, Sci. Rep. 14 (2024) 24721. https://doi.org/10.1038/s41598-024-76336-7.
[23] K. Arkusz, A. Jędrzejewska, P. Siwak, M. Jurczyk, Electrochemical and mechanical properties of hexagonal titanium dioxide nanotubes formed by sonoelectrochemical anodization, Materials 17 (2024) 2138. https://doi.org/10.3390/ma17092138.
[24] T. Hoseinzadeh, Z. Ghorannevis, M. Ghoranneviss, A.H. Sari, M.K. Salem, Effects of various applied voltages on physical properties of TiO2 nanotubes by anodization method, J Theor Appl Phys 11 (2017) 243–248. https://doi.org/10.1007/s40094-017-0257-9.
[25] E. Isik, L.B. Tasyurek, I. Isik, N. Kilinc, Synthesis and analysis of TiO2 nanotubes by electrochemical anodization and machine learning method for hydrogen sensors, Microelectron. Eng. 262 (2022) 111834. https://doi.org/10.1016/j.mee.2022.111834.
[26] Y.V. Yuferov, I.D. Popov, F.M. Zykov, A.Y. Suntsov, I.V. Baklanova, A.V. Chukin, A.I. Kukharenko, S.O. Cholakh, I.S. Zhidkov, Study of the influence of anodizing parameters on the photocatalytic activity of preferred oriented TiO2 nanotubes self-doped by carbon, Appl. Surf. Sci. 573 (2022) 151366. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151366.
[27] G. Liu, K. Du, K. Wang, Surface wettability of TiO2 nanotube arrays prepared by electrochemical anodization, Appl. Surf. Sci. 388 (2016) 313–320. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.010.
[28] M. Kulkarni, Y. Patil-Sen, I. Junkar, C.V. Kulkarni, M. Lorenzetti, A. Iglič, Wettability studies of topologically distinct titanium surfaces, Colloids Surf. B Biointerfaces 129 (2015) 47–53. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2015.03.024.