Tribocorrosion Performance of TiAlN and AlTiN Coatings on Ti6Al4V in Artificial Saliva: Influence of Mechanical and Electrochemical Responses
यद्यपि AlTiN कोटिंग्स ने बेहतर यांत्रिक गुण प्रदर्शित किए, फिर भी TiAlN कोटिंग्स ने कम इलेक्ट्रोकेमिकल सक्रियण और अधिक स्थिर घर्षण व्यवहार के कारण कृत्रिम लार में बेहतर समग्र ट्राइबोकोरोशन प्रतिरोध प्रदर्शित किया, जिसके परिणामस्वरूप घिसाव दर सबसे कम रही।
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मानव मुख के भीतर, हर बार जब हम बोलते हैं, चबाते हैं या निगलते हैं, तो एक जटिल रासायनिक और यांत्रिक नाटक चलता है। क्षतिग्रस्त दांतों को बदलने या जबड़े की हड्डियों की मरम्मत के लिए उपयोग की जाने जाने वाली सामग्रियों को एक कठोर वातावरण में जीवित रहना चाहिए: एक गर्म, गीली जगह जो नमक, एसिड और निरंतर घर्षण से भरी होती है। इन चिकित्सा प्रत्यारोपणों (इम्प्लांट्स) के लिए सबसे आम सामग्रियों में से एक एक विशिष्ट टाइटेनियम मिश्र धातु है जिसे Ti6Al4V के रूप में जाना जाता है। यह मजबूत, हल्का और आम तौर पर मानव शरीर के अनुकूल है, लेकिन इसमें एक कमजोरी है। कई धातुओं की तरह, अन्य सतहों के विरुद्ध रगड़ने पर यह घिस सकता है, और लार की उपस्थिति में, यह घिसाव तेज हो जाता है। लार एक इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करती है, एक ऐसा तरल जो बिजली का संचालन करता है, जिसका अर्थ है कि जैसे-जैसे धातु की सतह खरोंच जाती है और क्षतिग्रस्त होती है, यह संक्षारित (कोरोड) भी होने लगती है। यह दोहरा हमला, जहाँ यांत्रिक घिसाव और रासायनिक संक्षारण एक-दूसरे को बढ़ावा देते हैं, ट्राइबोकोरोज़न (tribocorrosion) कहलाता है। यह प्रत्यारोपणों को उम्मीद से अधिक तेजी से खराब कर सकता है, जिससे शरीर में कण मुक्त हो सकते हैं और संभावित रूप से विफलता का कारण बन सकते हैं। इसे रोकने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर इन धातु के हिस्सों को पतली, कठोर परतों से ढंकते हैं जिन्हें एक ढाल के रूप में डिज़ाइन किया गया है। लेकिन एक नया अध्ययन बताता है कि सबसे कठोर ढाल हमेशा सबसे अच्छी नहीं होती जब वातावरण गीला और नमकीन हो।
शोधकर्ताओं ने टाइटेनियम मिश्र धातु पर दो लोकप्रिय प्रकार के सुरक्षात्मक कोटिंग्स का परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया: एक जो टाइटेनियम और एल्युमीनियम से समृद्ध है, और दूसरी जिसमें एल्युमीनियम का अनुपात अधिक है। वे यह देखना चाहते थे कि मानव लार की नकल करने वाले तरल में कौन सी कोटिंग बेहतर प्रदर्शन करेगी। टीम ने टाइटेनियम मिश्र धातु के चिकने, पॉलिश किए हुए डिस्क तैयार किए और एक उच्च-ऊर्जा प्रक्रिया का उपयोग करके इन पतली फिल्मों से उन्हें ढंक दिया जो सामग्री को वाष्पित करती है और उसे सतह पर जमा करती है। फिर उन्होंने इन नमूनों को एक मशीन में रखा जो कृत्रिम लार में डूबे रहने के दौरान एक छोटी सिरेमिक गेंद को कोटिंग के ऊपर आगे-पीछे रगड़ती थी। पूरे परीक्षण के दौरान, उन्होंने मापा कि गेंद को फिसलाने के लिए कितने बल की आवश्यकता थी, सतह का विद्युत विभव कैसे बदला, और अंततः कितनी सामग्री घिस गई। उन्होंने सतह पर रगड़ के बाद छोड़े गए निशानों को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का भी उपयोग किया।
परिणामों की शुरुआत एक ऐसे आश्चर्य के साथ हुई जो पदार्थ विज्ञान (मटेरियल्स साइंस) की एक सामान्य धारणा को चुनौती देता है। एल्युमीनियम-समृद्ध कोटिंग श्रेष्ठ यांत्रिक ढाल साबित हुई, जो दूसरी कोटिंग की तुलना में काफी कठोर थी और टूटने या छिलने से पहले अधिक दबाव सहने में सक्षम थी। हालाँकि, कहानी पूरी तरह से बदल गई जब नमूनों को नमकीन तरल में डुबो दिया गया। इन गीली, संक्षारक स्थितियों के तहत, कठोर एल्युमीनियम-समृद्ध कोटिंग वास्तव में थोड़ी नरम टाइटेनियम-समृद्ध कोटिंग की तुलना में तेजी से घिस गई। टाइटेनियम-समृद्ध कोटिंग, मानक परीक्षणों में यांत्रिक रूप से कमजोर होने के बावजूद, कुल मिलाकर सबसे कम सामग्री खोई।
इस अंतर की कुंजी इस बात में निहित थी कि कोटिंग्स ने रगड़ने और रासायनिक हमले के संयोजन के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी। जैसे ही सिरेमिक गेंद सतह पर फिसली, उसने सुरक्षात्मक परत को खुरच दिया, जिससे ताजी धातु लार के संपर्क में आ गई। इस एक्सपोजर के कारण सतह की विद्युत स्थिरता में अचानक गिरावट आई, जो इस बात का संकेत था कि संक्षारण शुरू हो गया है। एल्युमीनियम-समृद्ध कोटिंग ने स्थिरता में बड़ी गिरावट का सामना किया और फिसलने के दौरान एक सुरक्षात्मक फिल्म को बरकरार रखने के लिए संघर्ष किया। इसके विपरीत, टाइटेनियम-समृद्ध कोटिंग ने अधिक स्थिर विद्युत अवस्था बनाए रखी, जो यह सुझाव देती है कि वह रगड़ते समय भी एक सुरक्षात्मक परत को बनाए रखने में बेहतर थी। जब शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी के नीचे घिसे हुए निशानों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि टाइटेनियम-समृद्ध सतह ने एक निरंतर, रासायनिक रूप से संशोधित फिल्म को बनाए रखा था जो धातु के नीचे की रक्षा करती प्रतीत होती थी। हालाँकि, एल्युमीनियम-समृद्ध सतह ने संकेत दिए कि यह सुरक्षात्मक फिल्म असतत (discontinuous) थी और काफी हद तक हट गई थी, जिससे धातु लार के आक्रामक आयनों के प्रति असुरक्षित हो गई।
यह खोज चिकित्सा प्रत्यारोपणों को डिजाइन करने के लिए एक महत्वपूर्ण सबक उजागर करती है। अध्ययन दर्शाता है कि केवल कोटिंग को कठोर बनाने से यह गारंटी नहीं मिलती कि वह मानव शरीर में लंबे समय तक चलेगी। मुख के गीले, नमकीन वातावरण में, किसी सतह की क्षमता कि वह रगड़ते समय अपनी रासायनिक स्थिरता बनाए रखे और अपनी सुरक्षात्मक फिल्म की मरम्मत करे, वह कच्ची कठोरता से अधिक महत्वपूर्ण है। टाइटेनियम-समृद्ध कोटिंग इसलिए सफल रही क्योंकि वह एक लचीली बाधा बनाए रखने में सक्षम थी जो भौतिक खरोंच और लार के रासायनिक हमले दोनों का विरोध कर सके। एल्युमीनियम-समृद्ध कोटिंग, हालांकि शुष्क रूप में अधिक सख्त थी, एक बार संक्षारण प्रक्रिया शुरू होने के बाद इस बाधा को बनाए रखने में विफल रही। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि कृत्रिम लार के अनुप्रयोगों के लिए, टाइटेनियम-समृद्ध कोटिंग सामग्री के नुकसान के खिलाफ सबसे अच्छा संरक्षण प्रदान करती है, जो यह सिद्ध करता है कि मानव शरीर के लिए सबसे अच्छा कवच आवश्यक रूप से सबसे कठोर नहीं होता, बल्कि वह होता है जो गीले वातावरण के रासायनिक युद्ध में सबसे अच्छा जीवित रह सके।
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