Freeze casting of piezoelectric BCZT for biomedical applications

Abstract

Bruken av piezoelektriske keramer som beinimplantat gir muligheten til å forsterke heling av skadet bein gjennom elektrisk stimulering in vivo. På denne måten kan rekonvalesenstiden og sannsynligheten for revisjonsutskiftninger senkes. I de siste årene har frysestøping kommet frem som en mulig prosseseringsmetode til dannelsen av slike implantater, da det kan produsere porøse nettverksstrukturer som er lik strukturen til bein.

I denne masteroppgaven har porøst ferroelectrisk kalsium og zirkonium dopet barium titanat (BCZT) blitt fremstilt ved frysestøping. En slikker til frysestøping, bestående primært av BCZT pulver og vann, ble fryst ved å kjøle ned med flytende nitrogen. Avstøting av pulverpartiklene fra isen førte til segregering av keramen og isen i den fryste strukturen. De faste iskrystallene ble fjernet ved sublimasjon, slik at det gjensto en struktur med rettede, koblede og lamellære porer, som gjensto i strukturen etter sintring.

Tillegg av et bindemiddel i slikkeren var nødvendig for å oppnå en mekanisk stabil grønnkropp etter sublimering av isen. Det var også behov for å tilsette et dispergeringsmiddel, for å sikre at pulverpartiklene ikke sedimenterte i løpet av fryseprosessen. Frysetøping produserte porøse strukturer med en porøsitet på opp til 45%, og en maksimum porebredde på 50 µm. Partikkelstørrelsen på BCZT pulveret påvirket i stor grad dannelsen av den lamellære strukturen. I følget dette arbeidet kreves en partikkelstørrelse på 100 nm for å unngå at partiklene blir fanget av isen.

Den piezoelektriske koeffisienten til de porøse prøvene nådde opptil 77% av verdien til den tette referanseverdien, noe som viser at den frysestøpede strukturen kunne poles.

Arbeidet gjennomført i denne masteroppgaven viser at frysestøping kan være en mulig metode til å produsere BCZT til biomedisinske applikasjoner.

The use of piezoelectric ceramics as bone replacement materials presents an opportunity to promote healing of damaged bone by electrical stimulation to bone cells in vivo. In this way, patient recuperation could be improved and the likelihood of revision surgeries reduced. In recent years, freeze casting has emerged as a potential processing method for the preparation of such implant materials, as it can produce porous network structures that resemble the structure of bone.

In this study, porous ferroelectric calcium and zirconium doped barium titanate (BCZT) samples were processed by the freeze casting method. A freeze casting slurry consisting of primarily BCZT powder and water was unidirectionally frozen by cooling with liquid nitrogen. Rejection of the powder particles by the solidification front resulted in segregation of the ceramic and the ice in the frozen structure. The solidified ice crystals were removed by sublimation, leaving behind aligned, interconnected and lamellar pores, which remained in the structure after sintering.

The addition of a binder to the slurry was necessary to achieve a stable green body after sublimation of the ice. A dispersant was also required to ensure that sedimentation of the powder particles did not occur during slurry preparation and freezing. The freeze casting process produced porous structures with up to 45% porosity, and a maximum pore width of 50 µm. The particle size of the BCZT powder exhibited a large influence on the formation of the lamellar structure. From this study, it appears that a particle size of 100 nm is required to avoid encapsulation of the particles by the ice during freezing.

The piezoelectric coefficient of the lamellar porous samples reached up to 77% of the dense reference value, demonstrating that the freeze cast structures could be successfully poled.

The work conducted in this thesis demonstrates the feasability of freeze casting as a method to producing porous BCZT for biomedical applications.