Potassium sodium niobate as sintered ceramics and aerosol deposited coating for biomedical applications

Abstract

Målet med denne masteroppgaven har vært å undersøke muligheten for å bruke kalium-natrium niobat (KNN) som et piezoelektrisk keramisk belegg for beinimplantater. Arbeidet har også satt søkelys på sekundærfasen K4Nb6O17 som ble funnet i sintret KNN keram. Hovedinnflytelsen for sekundærfasene var avvik fra reaktanten Na2CO3 som derav bidro til alkalimangel. Undersøkelser viste at sekundærfasen hadde lavere ledningsevne enn KNN-fasen. Funnene kan brukes til å få mer informasjon om hvordan man kan kontrollere sekundærfasene og eventuelt dra nytte av disse. Revisjonskirurgi er en vanlig prosedyre for beinimplantater, siden de har en tendens til å bli nedbrutt. Produksjon av beinimplantater med forbedret biokompatibilitet er derfor sterkt nødvendig. Studier har indikert forbedret bein bindingsevne for piezoelektriske materialer. Ved å kombinere et piezoelektrisk keramisk belegg på beinimplantatmateriale vil kombinasjonen av mekaniske og piezoelektriske egenskaper gi det ideelle benimplantatet. Derfor har KNN-belegg blitt aerosol avsatt på to forskjellige substrater SUS 304 og Ti6Al4V. Målet var å optimalisere belegget for å oppnå de ideelle piezoelektriske og mekaniske egenskapene. Resultatene viste at varmebehandling ved 600°C for SUS 304 og 550°C for Ti6Al4V forbedret de piezoelektriske egenskapene. Hovedmekanismen ble bevist å være frigjøring av den indre belastningen under varmebehandlingen. Biokompatibiliteten ble undersøkt ved å utføre en bløtleggingsstudie i simulert kroppsvæske. Varmebehandlet belegg var ikke stabilt i SBF-løsning siden de led av nedbrytning etter syv dagers gjennombløting. Belegg som ikke var varmebehandlet viste seg fortsatt å være intakt etter syv dager. Dette indikerte at varmebehandlingen kan ha påvirket beleggets porøsitet og som har forårsaket den forskjellige oppførselen på degraderingensevnen. Mineralisering av benmaterialer ble bare sett i områder med høy overflatenergi som kanter ved belegget. Det eksperimentelle arbeidet ble hovedsakelig utført på SUS 304-substrater, og derfor bør mer testing utføres med Ti6Al4V-substrater. Resultatene er interessante, men videre arbeid bør fokusere på å optimalisere egenskapene til KNN-belegget.

The aim of this Master’s thesis has been investigating the opportunity of using potassium sodium niobate (KNN) as a piezoelectric ceramic coating for bone implants. The work has also been focusing on the secondary phase K4Nb6O17 which was found in the sintered KNN ceramics. The main influence was deviation of the precursor Na2CO3 , which contributed to alkali deficiency. Investigation showed that the secondary phase had lower conductance then the KNN phase. The findings could be used to gain information on how to control the secondary phases and possibly taking advantage of this. Revision surgeries is a common procedure for bone implants since they tend to suffer from degradation. Fabrication of bone implants with enhanced biocompatibility is therefore much needed. Studies have indicated enhanced bond binding ability for piezoelectric materials. Having a piezoelectric ceramic coating on bone implant material, it will obtain the piezoelectric effect and being load bearing. By having these two combination of properties it would be the ideal bone implant. Hence, KNN coating haven been aerosol deposited on two different substrates SUS 304 and Ti6Al4V. The goal was to optimize the coating to obtain the ideal piezoelectric and mechanical properties. Results showed that heat treatments at 600°C for SUS 304 and 550°C for Ti6Al4V enhanced the piezoelectric properties. The main mechanism was proven to be the release of the intrinsic strain during the heat treatment. The biocompatibility was investigated by a soaking study in simulated body fluid. Heat treated coating were not stable in SBF solution, since they suffered from degradation after seven days of soaking. As-deposited coating did survive after seven days. This indicated that the heat treatment may have influenced the porosity of the coating causing the different behavior of degradation. Mineralization of bone materials was only seen at areas of high surface energy such as edges at the coating. The experimental work was mainly done at SUS 304 substrates, hence more testing should be done with Ti6Al4V substrates. The results are promising, but further work should focus on optimizing the properties of the KNN coating.