The effect of soaking and electrical poling on domain structure and chemical surface properties of ferroelectric implant materials

Abstract

Målet med denne masteravhandlingen er å produsere bariumtitanat (BT, BaTiO3 ), påføre elektrisk ladning til (polarisere) materialet og bløtlegge det i ulike væskemedier. Dette gjøres for å studere hvordan væskene og den elektrisk ladde overflaten påvirker domenestrukturen og de kjemiske overflateegenskapene til materialet.

Bariumtitanat er et lovende piesoelektrisk biokeram og spesielt til bruken av beinimplantater. Bein produserer elektrisk ladning naturlig gjennom den piesoelektriske effekten, og det overordnede målet er å lage et implantatmateriale som kan etterligne kroppens naturlige regenerasjon og legning av beinet. Dette er viktig for over 2.5 millioner mennesker hvert år som gjennomgår et inngrep. Imidlertid, kan oppløsningen av Ba2+ fra overflaten av BaTiO3 redusere den kjemiske stabiliteten og true levetiden til implantatet. For å håndtere dette, ble bariumtitanat syntetisert gjennom en faststoffsyntese, før materialet ble polarisert med en koronadischarge. Etterpå ble materialet lagt i ultrarent vann for å studere forandringen i domenestruktur og oppløsningen av Ba2+. Studien ga betydelig innsikt i hvordan barium titanat oppfører seg i et elektrisk felt. Økende polarisering resulterte i en økning i den piesoelektriske koeffisienten, men det ble derimot ikke observert en effekt av polariseringen på domenestrukturen. Studien viste en sterk indikasjon på at det meste av oppløsningen av Ba2+ skjer i startfasen når materialet legges i væsken. En annen parallell av BT ble lagt i simulert kroppsvæske for å studere den kjemiske utfellingen på overflaten av prøven, som kan gi en indikasjon på biokompatibliteten til BaTiO3 . Denne parallellen avslørte at å la materialet ligge lengre i væsken og tilføre et større elektrisk felt til materialet, førte til en økende kjemisk utfelling på overflaten av BT, som stammer fra den simulerte kroppsvæsken. Disse resultatene indikerer at barium titanat kan bli mer biokompatibelt av å introdusere en elektrisk ladning til overflaten av materialet. Etter 5 dager med gjennombløting var de piesoelektriske egenskapene fortsatt intakt. Videre forskning burde fokusere på å gjennomføre en grundigere domenestruktur analyse og også studere effekten av å legge materialet i væske over en lengre tidsperiode.

This thesis aims to produce bulk barium titanate (BT, BaTiO3 ), electrically charge (pole) the material, and soak it in different soaking media, for the purpose of studying the effect of soaking and electrical poling on the domain structure and chemical surface properties.

Barium titanate is a promising piezoelectric bioceramic in the use of bone implants. Natural bone possesses piezoelectricity, and the broader aim is to create an implant material that can mimic the natural regeneration and healing of bone. This is important for the over 2.5 million people yearly undergoing replacement surgeries. However, leaching of Ba2+ from the surface of BaTiO3 can reduce the chemical stability, and threaten the lifetime of the implant. To address this, barium titanate was synthesized through a solid-state synthesis, before the material was poled using corona discharge. Afterward, the material was soaked in ultrapure water to study the change in domain structure, and the leaching of Ba2+. The study gave great insight into the behavior of barium titanate in an electrical field. An increased poling resulted in an increasing piezoelectric coefficient, however, an effect of the poling on the domain structure was not observed. The study showed a strong indication that the Ba2+ leaching occurs mostly at the early stage of soaking. A second parallel of BT was soaked in simulated body fluid to study the precipitation on the surface, which can indicate the biocompatibility of BaTiO3. This parallel revealed that an increase in soaking time and a larger electrical poling resulted in an increased amount of precipitation, stemming from the simulated body fluid. These results indicate that by creating an electrically charged surface of barium titanate, the material can become more biocompatible. After 5 days of soaking the piezoelectric properties were still upheld. Future research should focus on conducting a more thorough domain structure analysis and also study the effect of soaking over a larger time scale.