Nghiên cứu chế tạo và đặc tính của hợp kim titan dùng làm các chi tiết gia cố,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA HỢP KIM Ti
DÙNG LÀM CÁC CHI TIẾT GIA CỐ, THAY THẾ XƯƠNG NGƯỜI

Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM MAI KHÁNH

Hà Nội – 2014

i


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, các
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một
công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 05 tháng 9 năm 2013
Tác giả

ii


LỜI CẢM ƠN
Trải qua gần 2 năm được giao nhiệm vụ, cho đến nay, các nghiên cứu của
tôi đã cơ bản hoàn thành và đạt được một số thành quả nhất định.
Để có thể hoàn thành được nhiệm vụ được giao cho, tôi đã nhận được sự
giúp đỡ tận tình của rất nhiều thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp cũng như sự động
viên quý báu của gia đình cùng người thân.
Cho phép tôi được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô tại Bộ môn Vật
liệu và Công nghệ đúc, các thày cô ở học viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
cùng Viện đào tạo sau đại học – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ
và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận án.
Đồng thời, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ban lãnh đạo
Viện Công nghệ – Bộ Công thương và phòng Thí nghiệm Công nghệ và các
Hợp kim đúc, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để giúp tôi hoàn thành nhiệm
vụ. Đặc biệt, cho tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS.
Phạm Mai Khánh, là người hướng dẫn trực tiếp, đã tận tình hướng dẫn, và giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thời gian thực hiện luận án.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã ở bên tôi trong suốt thời gian qua!
Hà Nội, ngày 05 tháng 09 năm 2014
Tác giả

Hoàng Anh Tuấn

iii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
PHẦN I. TỔNG QUAN ..................................................................................... 3
1.1 Giới thiệu về vật liệu y sinh ................................................................... 3
1.1.1

Định nghĩa .................................................................................... 3

1.1.2

Các loại vật liệu y sinh .................................................................. 4

1.1.3

Một số đặc tính chung của xương người [4] .................................. 6

2.2.

Hợp kim y sinh nền Titan [12] .......................................................... 17

2.3.

Tình hình nghiên cứu về vật liệu y sinh trong nước........................... 20

PHẦN II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 22
2.1 Đặc điểm nấu luyện hợp kim titan........................................................ 22
2.2 Phương pháp đúc (nấu luyện) [43] ....................................................... 26

2.2.1

Tinh luyện hồ quang chân không (VAR) .................................... 27

2.2.2

Nấu luyện bằng lò cảm ứng chân không (VIM) .......................... 28

2.2.3

Nấu luyện bằng lò hồ quang plasma (PAM)................................ 29

2.2.4

Nấu chảy bằng chùm tia điện tử (EB) ......................................... 29

2.2.5

Nấu luyện bằng nồi cảm ứng (ISM) ............................................ 30

2.3 Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện .................................................................. 31
iv


PHẦN III. THỰC NGHIỆM ............................................................................ 36
3.1.

Phương pháp nghiên cứu................................................................... 36

3.2.

Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu nấu luyện..................................... 37

3.2.1 Lò cảm ứng chân không VIM02 ....................................................... 37
3.2.2 Máy phân tích thành phần khí tạp ..................................................... 38
3.2.3 Máy mài bóng ................................................................................... 38
3.2.4 Thiết bị hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................... 39
3.2.5 Máy kiểm tra độ cứng thô đại ........................................................... 40
3.2.6 Thiết bị soi kim tương, chụp ảnh tổ chức tế vi .................................. 40
3.2.7 Máy kéo nén vạn năng ...................................................................... 41
3.2.8 Thiết bị cân tỷ trọng .......................................................................... 42
3.2.9 Cân điện tử........................................................................................ 42
3.3.

Lưu trình thí nghiệm nấu luyện hợp kim Ti-6Al-7Nb bằng lò cảm ứng

chân không VIM02....................................................................................... 44
3.4.

Quy trình nhiệt luyện ........................................................................ 48

PHẦN IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 50
4.1.

Kết quả phân tích thành phần ............................................................ 50

4.1.1

Kết quả phân tích thành phần hóa học......................................... 50

4.1.2

Ảnh hưởng độ chân không đến quá trình nấu luyện .................... 50

4.1.3

Kết quả phân tích thành phần tạp chất khí ................................... 52

4.2.

Ảnh hưởng áp suất cân bằng đến sự cháy hao ................................... 53

4.3.

Kết quả phân tích kim tương ............................................................. 55

4.3.1

Kết quả phân tích kim tương sau đúc .......................................... 56

4.3.2

Kết quả phân tích kim tương sau nhiệt luyện .............................. 56
v


4.4.

Kết quả phân tích EDX và Mapping ................................................. 59

4.5.

Kết quả kiểm tra độ cứng .................................................................. 61

4.6.

Kết quả kiểm tra cơ tính .................................................................... 62

4.7.

Kết quả phân tích XRD ..................................................................... 64

4.8.

So sánh kết quả với một số vật liệu y sinh khác và xương người ....... 65

PHẦN V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 69

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EVA - Etylen vinyl axetat
PTFE - Polytetrafluoroethylene
BMD - Bone mineral density
HIP

- Hot isostatic pressing

VAR - Vaccum arc remelting
VIM - Vaccum induction melting
PAM - Plasma arc melting
EB

- Electron beam

ISM

- Induction skull melting

SEM - Scanning electron microscope
XRD - X-Ray Diffraction
EDX - Energy Dispersive X-ray
BCC - Body centre cubic
HCP - Hexagonal close packed

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Mô đun đàn hồi một số loại xương trong cơ thể ............................... 15
Bảng 1.2. Độ bền kéo và nén của xương dài theo chiều dọc và chiều vuông góc
xương ............................................................................................................... 16
Bảng 2.1. So sánh đặc điểm các phương pháp nấu luyện titan ......................... 26
Bảng 3.1. Thành phần hóa học hợp kim trung gian Ti-Al ................................. 46
Bảng 3.2. Thành phần hóa học hợp kim trung gian Ti-Nb ................................ 47
Bảng 3.3. Tính toán phối liệu mác hợp kim Ti-6Al-7Nb ................................... 47

Bảng 4.1. Thành phần hóa học hợp kim titan Ti-6Al-7Nb................................. 50
Bảng 4.2. Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện ở các mức
áp suất cân bằng .............................................................................................. 53
Bảng 4.3. Kiểm tra khối lượng phôi đúc ........................................................... 54
Bảng 4.4. Kết quả đo độ cứng mẫu hợp kim Ti-6Al-7Nb trước và sau ủ ........... 61
Bảng 4.5. Kết quả kiểm tra cơ tính hợp kim Ti-6Al-7Nb ................................... 62
Bảng 4.6. Thông số kết quả X-ray .................................................................... 64
Bảng 4.7. Cơ tính của xương người tại các độ tuổi và một số vật liệu y sinh khác
......................................................................................................................... 65

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đường cong tải trọng-biến dạng của mô xương.................................. 7
Hinh 1.2. Đường cong tải trọng-biến dạng của các dạng xương khác nhau. ...... 7
Hình 1.3. Đường cong ứng suất-biến dạng của xương. .................................... 10
Hình 1.4. Cơ tính sinh học của mô khoáng hóa (Currey 1990). ........................ 11
Hình 1.5. Các dạng phá hủy của xương............................................................ 11
Hình 1.6. Xương dài có hình dạng tương tự như ống rỗng. .............................. 12
Hình 1.7. Giá trị mô đun đàn hồi của vỏ xương theo tính toán và thí nghiệm ... 14
Hình 2.1. Giản đồ pha hai cấu tử Ti-Al [46] .................................................... 24
Hình 2.2. Giản đồ pha hai cấu tử Nb-Al [48] ................................................... 25
Hình 2.3. Giản đồ pha hai cấu tử Ti-Nb [48]. .................................................. 26
Hình 2.4. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-Nb ở 600oC [51] .................................. 32
Hình 2.5. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-Nb ở 800oC [51] .................................. 33
Hình 2.6. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-Nb ở 1000oC [51] ................................ 33
Hình 2.7. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-Nb ở trạng thái lỏng [51] .................... 34
Hình 3.1. Chế tạo và khảo sát hợp kim titan y sinh Ti-6Al-7Nb ........................ 36
Hình 3.2. Hệ thống lò nấu luyện cảm ứng chân không ..................................... 37

Hình 3.3. Máy kiểm tra thành phần khí tạp LECO TC-300............................... 38
Hình 3.4. Máy đánh bóng Buehler Alpha ......................................................... 39
Hình 3.5. Kính hiển vi điện tử quét Jeol 7500f.................................................. 39
Hình 3.6. Thiết bị đo độ cứng thô đại Wilson Wolpert ...................................... 40
Hình 3.7. Kính hiển vi chụp kim tương ............................................................. 41
Hình 3.8. Máy thử kéo vạn năng Olsen Super-L2000 ....................................... 41
ix


Hình 3.9. Cân tỷ trọng AD -1653/ GR-202 Nhật Bản ....................................... 42
Hình 3.10. Cân điện tử XT 220A ...................................................................... 43
Hình 3.11. Sơ đồ lưu trình thí nghiệm nấu luyện hợp kim Ti-6Al-7Nb bằng lò
cảm ứng chân không VIM02............................................................................. 44
Hình 3.12. Quy trình ủ mẫu hợp kim titan Ti-6Al-7Nb đúc ............................... 49
Hình 4.1. Vật liệu và nồi nấu sau khi nấu luyện ở các mức chân không: .......... 51
Hình 4.2. Mẫu hợp kim titan Ti-6Al-7Nb .......................................................... 52
Hình 4.3. Đồ thị hàm lượng O theo độ chân không .......................................... 52
Hình 4.4. Tỷ lệ cháy hao nhôm phụ thuộc vào áp suất khí trơ .......................... 54
Hình 4.6. Tổ chức tế vi hợp kim titan Ti-6Al-7Nb ............................................ 56
Hình 4.7. Tổ chức tế vi mẫu hợp kim Ti-6Al-7Nb sau đúc và ủ 2h ở 700, 800,
900 và 1000oC – nguội không khí: a1, b1, c1, d1, e1 X100 và a2, b2, c2, d2, e2
X500 ................................................................................................................. 58
Hình 4.8. Phổ EDX hợp kim titan Ti-6Al-7Nb (mức chân không 5.10-2 mBar ). 59
Hình 4.9. Ảnh mapping hợp kim Ti-6Al-7Nb (chân không 5.10-2mbar)............ 60
Hình 4.10. Biểu đồ độ cứng hợp kim Ti-6Al-7Nb phụ thuộc vào nhiệt độ ủ ...... 62
Hình 4.11. Biểu đồ sự phụ thuộc độ bền kéo và độ giãn dài theo nhiệt độ tôi hợp
kim Ti-6Al-7Nb................................................................................................. 63
Hình 4.12. Kết quả phân tích XRD mẫu Ti-6Al-7Nb trước và sau khi ủ 700oC . 64
Hình 4.13. Biểu đồ giá trị mô đun đàn hồi của một số vật liệu và xương người 66

x


LỜI MỞ ĐẦU

Titan và hợp kim của nó là một trong những nhóm hợp kim khó nóng
chảy và là nguyên tố có hoạt tính khá mạnh khi ở trạng thái lỏng. Ở nhiệt độ
cao, titan hòa tan hầu hết với các chất khí trong đó có oxy, nitơ và hydro, nó
cũng tác dụng với tất cả các loại oxit, trừ oxit thori. Cacbon hòa tan nhiều trong
titan nhưng khi hạ nhiệt độ sẽ sinh TiC là pha rắn. Bởi vậy, titan và hợp kim của
nó rất khó nấu đúc nên cần phải nấu luyện trong điều kiện đặc biệt như nấu
trong lò chân không. Vật liệu làm nồi lò phải chịu được nhiệt độ cao và không
tác dụng với titan. Vật liệu làm khuôn cũng cần phải có đặc tính tương tự như
vật liệu nồi hoặc là với trường hợp là khuôn kim loại thì cần được xử lý tốt.
Với những nghiên cứu gần đây, hợp kim titan đã có được những đặc tính
tốt hơn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cho các bộ phận cấy ghép trong cơ thể
người. Ví dụ như: có khả năng tương thích trong môi trường dịch thể của con
người, có độ bền và mô đun đàn hồi tương đương với xương, không bị ăn mòn,
không gây tác dụng phụ lên cơ thể… Do vậy, hướng nghiên cứu phát triển hợp
kim titan thay thế các bộ phận xương trong cơ thể con người cho thấy rất nhiều
điều khả quan.
Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn của vật liệu, với mong muốn làm sáng tỏ
một số cơ sở lý thuyết của công nghệ, vấn đề “Nghiên cứu chế tạo và đặc tính
của hợp kim Titan dùng làm các chi tiết gia cố, thay thế cho xương người” là
đề tài được lựa chọn giải quyết trong luận án này.
Mục đích của bản luận văn là xác định được quy trình công nghệ chế tạo
vật liệu y sinh nền Titan, sau đó tiến hành kiểm tra cơ, lý tính vật liệu và so sánh
với xương người. Để đạt được mục đích đó, tác giả tiến hành nghiên cứu như
sau:
 Tổng quan về vật liệu y sinh

1


 Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất chân không đến quá trình chế tạo và
chất lượng hợp kim y sinh nền titan
 Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất khí cân bằng đến quá trình nấu luyện
hợp kim y sinh nền titan
 Khảo sát tính chất cơ - lý của vật liệu y sinh nền titan
 So sánh các kết quả với xương người và một số vật liệu y sinh khác
Trong quá trình nghiên cứu đề tài còn những vấn đề cần tiếp tục nghiên
cứu chuyên sâu hơn, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến trao đổi
của các thầy cô giáo cũng như của các đồng nghiệp và các nhà nghiên cứu để tác
giả rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn.

2


PHẦN I. TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về vật liệu y sinh
1.1.1

Định nghĩa

Vật liệu y sinh là bất cứ vật liệu nhân tạo được sử dụng để thay thế hoặc
phục hồi chức năng cho một bộ phận của cơ thể và nó có thể tương tác liên tục
hoặc không liên tục với dịch thể [1].
Vật liệu y sinh là dòng vật liệu được phát triển trong khoảng 50 năm trở
lại đây và việc nghiên cứu về vật liệu y sinh này được gọi là khoa học vật liệu y

sinh. Với sự đầu tư quy mô lớn của nhiều công ty vào việc phát triển các sản
phẩm mới ngày càng khẳng định sự phát triển vững vàng của ngành khoa học
này. Khoa học vật liệu y tế bao gồm các yếu tố sau: y tế, sinh học, hóa học, kỹ
thuật tế bào, và khoa học vật liệu.
Hiệu năng làm việc của bất cứ vật liệu y sinh nào đều được đánh giá dựa
trên hai tính chất sau: chức năng sinh học và tính tương thích sinh học. Với sự
đa dạng của vật liệu trong các lĩnh vực ở thế kỷ 21 khiến cho việc thỏa mãn
những nhu cầu về cơ lý tính cho dụng cụ chức năng thay thế trở nên dễ dàng. Vì
thế, việc lựa chọn vật liệu y tế thường dựa trên vấn đề tương thích sinh học. Với
khả năng chống nứt và phá hủy mỏi, kim loại được lựa chọn là vật liệu sử dụng
làm khớp truyền tải. Khi kim loại và hợp kim được lưu tâm đến, thì tính nhạy
cảm về ăn mòn và ảnh hưởng của ăn mòn tác dụng lên các mô là vấn đề chủ yếu
cần quan tâm đến đối với khả năng tương thích sinh học. Hiện nay, để chống lại
sự ăn mòn, ta sử dụng thép không gỉ 316L, hợp kim Co-Cr, và hợp kim nền
titan. Những vật liệu này đều có lớp màng oxit mỏng và thụ động hóa học trong
môi trường dịch thể. Thép không gỉ chịu ăn mòn kém nhất và chỉ được dùng làm
bộ phận thay thế tạm thời. Hợp kim Titan và Co-Cr thì không bị ăn mòn trong
cơ thể sống, mặc dù vậy các ion kim loại vẫn bị khuếch tán từ từ qua lớp màng
oxit và tích lũy dần trong mô cơ thể. Khi các bộ phận kim loại thay thế trong cơ
3


thể, thông thường sẽ bị bao bọc bởi lớp thớ mô với chiều dày phụ thuộc số
lượng và độc tính của sản phẩm hòa tan và lượng chất đào thải giữa phần thay
thế và mô liền kề. Titan nguyên chất là tác nhân tạo ra lớp thớ bao bọc ít nhất
trong cùng một điều kiện nào đó. Trái lại, sự phát triển của lớp thớ này lại dày
hơn 2mm đối với vật liệu thép không gỉ.[2]
1.1.2 Các loại vật liệu y sinh
Những loại vật liệu phổ biến nhất dùng cho y học thường là polymer,
kim loại và gốm. Cho đến nay, đó là ba dạng vật liệu được sử dụng đơn lẻ và

cũng có thể là tổ hợp tạo thành các bộ phận cấy ghép thay thế.
 Polyme
Có một lượng lớn vật liệu cao phân tử được sử dụng làm bộ phận thay
thế hoặc một phần trong hệ thống cần được cấy ghép. Hệ thống vật liệu này bao
gồm acrylic, poly-amit, poly-este, poly-etylen, polysiloxane, polyurethane và
một lượng lớn những vật liệu y tế tái chế.
Một số những ứng dụng trong đó bao gồm sử dụng màng đồng trùng hợp
etylen-vinyl- axetat (EVA) để kiểm soát quá trình đào thải và dùng axit polyglycolic chỉ tự tiêu. Một số dạng vật liệu y tế polymer khác được sử dụng làm bộ
phận nhân tạo trong tim, thận, gan, tụy, ruột, chất kết dính xương, ống đường
tiểu, kính áp tròng, thay thế giác mạc, chữa tai trong và tai ngoài, van tim, bộ
phận trợ tim, thay thế khớp, mạch máu nhân tạo, da nhân tạo và chỉ y tế.
 Kim loại
Hệ vật liệu kim loại được sử dụng trong cơ thể người thường là:
- Hợp kim thép không gỉ trên cơ sở SUS 316L
- Titan và hợp kim nền titan như: Ti-6Al-4V và titan nguyên chất
thương mại 98,9%; Ti-Ni (55%Ni và 45% Ti)

4


- Hợp kim nền coban gồm 4 loại: (i) Cr (27-30%), Mo (5-7%), Ni
(2-5%); (ii) Cr (19-21%), Ni (9-11%), W (14-16%); (iii) Cr (18-22%), Fe (46%), Ni (15-25%), W (3-4%); (iv)Cr (19-20%), Mo (9-10%), Ni (33-37%).
Vật liệu được sử dụng vào mục đích cấy ghép thường là thép không gỉ
SUS316L, Ti-6Al-4V và hợp kim nền coban loại “i” và “ii”. Hệ vật liệu khác
hiện nay đang được lưu ý và đầu tư nghiên cứu nhiều nhất gồm có hợp kim nền
coban loại “iii” và “iv”, và Niobi và hợp kim nhớ hình (Ti 45% - 55%Ni).
 Vật liệu tổ hợp
Hiện nay những vật liệu tổ hợp dùng trong lĩnh vực nha khoa và bộ phận
thay thế đều được sử dụng kết hợp chặt chẽ với nhau để phục vụ cho những mục
đích khác. Điển hình như vật liệu nền poly-etylen cao phân tử siêu khối lượng

cường lực bằng sợi cacbon. Sợi cacbon này được làm từ sợi pyrolyzingacrylic
định hướng theo tổ chức grafit có độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao. Sợi cacbon
có kích thước 6-15 µm, và phân bố tự do có định hướng trong pha nền. Để có
được tính đàn hồi cao của sợi gia cường cho pha nền, cần có tính toán thiết kế
đủ sự liên kết bề mặt giữa pha nền và sợi gia cường trong quá trình chế tạo. Vật
liệu tổ hợp có sợi gia cường sau đó được sử dụng làm các bộ phận thay thế khác
nhau như thanh nẹp xương và khớp nhân tạo. Kể từ khi vật liệu tổ hợp có cơ tính
tương đương với sợi cacbon gia cố, thì việc thiết kế điều chỉnh cho bộ phận thay
thế phù hợp với mục đích sử dụng là hoàn toàn khả thi.
Vật liệu tổ hợp có được những đặc tính hiếm có và thường là bền hơn so
với bất kỳ đơn vật liệu gốc đã tạo nên chúng. Những vật liệu thuộc lĩnh vực này
có được những ưu điểm cần có khi làm việc và nếu sử dụng nó thì sự phát triển
của các mô trên nó là một số vấn đề cần lưu tâm.
Ví dụ: Al2O3 kết tủa trên cacbon; Cacbon/PTFE; Al2O3/PTFE; lớp vỏ
PLA trên sợi cacbon.
 Gốm

5


Vật liệu gốm thường được dùng làm bộ phận cấy ghép gồm có oxit
nhôm, canxi photphat, apatit và grafit. Thủy tinh cũng được sử dụng để chế tạo
các sản phẩm y tế. Vật liệu gốm được sử dụng nhờ có những ưu điểm sau:
i)

Trơ với môi trường của cơ thể

ii)

Dễ dàng tạo hình và nhiều độ xốp khác nhau

iii)

Chịu nén tốt

iv)

Trong một số trường hợp có khả năng chống mài mòn cực tốt

Gốm được lựa chọn sử dụng làm các bộ phận như:
a) Thay thế hông
b) Gối nhân tạo
c) Xương ghép
d) Hàng loạt những ứng dụng liên quan được phát triển như: phẫu thuật
chỉnh hình, nha khoa và van tim.
Ứng dụng của vật liệu gốm bị hạn chế trong một số trường hợp do cơ
tính kém như: trong kéo nén, chịu tải trọng, các bộ phận thay thế thường phải
chịu ứng suất nén quan trọng cần phải được thiết kế và chế tạo tỉ mỉ nếu muốn
sử dụng vật liệu gốm một cách an toàn.
 Vật liệu tự phân hủy
Một dòng vật liệu khác được chấp nhận và ngày càng được lưu tâm đến
là vật liệu tự phân hủy. Thông thường, khi vật liệu phân hủy trong cơ thể thì tính
chất của nó bị thay đổi và làm giảm hiệu quả mong muốn. Mặc dù vậy, hoàn
toàn có thể tính toán được hiệu năng của bộ phận thay thế và điều chỉnh sự phân
rã của vật liệu và chức năng của nó tương tự như mô tự nhiên bị thay thế.[3]
1.1.3 Một số đặc tính chung của xương người [4]
a) Cơ bản về cơ tính sinh học
Có rất nhiều thông số cơ tính sinh học được sử dụng để mô tả tính chất
của một chiếc xương nguyên vẹn. Vấn đề then chốt ở đây chính là mối quan hệ
giữa tải cho phép tác động lên cấu trúc với chuyển vị cho ta được đường cong tải

6


trọng-biến dạng (hình 1.1). Vùng dẻo của đường cong tải trọng-biến dạng thể
hiện độ bền ngoại lai hoặc độ cứng vững của cấu trúc (S). Ngoài độ bền ra, có
một vài cơ tính sinh học khác cũng được đưa ra, bao gồm lực tới hạn (Fu), giới
hạn làm việc (vùng nằm dưới đường cong tải trọng-biến dạng, U), và biến dạng
tới hạn (du). Mỗi một thông số đó phản ánh một tính chất khác của xương: lực
tới hạn thể hiện sự nguyên vẹn của cấu trúc xương; độ cứng thì quan hệ mật
thiết với sự khoáng hóa của xương; giới hạn làm việc chính là giá trị năng lượng
cần thiết để phá hủy xương; và biến dạng tới hạn tỷ lệ nghịch với tính giòn của
xương. Cơ tính của xương có thể bị ảnh hưởng nếu chỉ một trong những tính
chất trên kém đi. Ví dụ, xương của người bị bệnh vôi hóa (osteopetrotic) sẽ có
xu hướng cứng hơn đồng thời cũng rất giòn và kết quả là vùng làm việc giảm đi
và tăng khả năng bị gãy xương (hình 1.2). Hay với trường hợp khác, xương của
trẻ em lại có xu hướng khoáng hóa thấp nên yếu nhưng lại rất dẻo (giới hạn biến
dạng cao) và kết quả là vùng giới hạn làm việc được nâng cao. Do những tính
chất trên, gãy xương cành tươi (là hiện tượng xương bị tác động bởi lực biến
dạng lớn mà không bị phá hủy hoàn toàn ), thường xảy ra đối với trẻ em.

Hình 1.1. Đường cong tải trọng-

Hinh 1.2. Đường cong tải trọng-biến

biến dạng của mô xương.

dạng của các dạng xương khác nhau.

7

Khi tải trọng chuyển đổi thành ứng suất và lực biến dạng chuyển thành
ứng suất biến dạng bằng công thức kỹ thuật ta có được mối quan hệ ứng suất và
biến dạng đối với xương theo đường cong mà được gọi là đường cong biến dạng
- ứng suất. Đoạn dốc trên đường cong chính là vùng đàn hồi và được gọi là mô
đun đàn hồi hoặc mô đun Young (E). Mô đun Young bản chất là giá trị độ cứng
của vật liệu. Vùng nằm dưới đường cong ứng suất-biến dạng là tổng năng lượng
cần thiết để phá hủy vật liệu. Tính chất này của vật liệu còn được gọi là sự hấp
thụ năng lượng hoặc mô đun độ bền hoặc đơn giản chỉ là độ dai của vật liệu.
Ứng suất và độ biến dạng tối đa mà xương có thể chịu được tương ứng được gọi
là độ bền tới hạn và biến dạng tới hạn. Cần lưu ý rằng độ bền, xác định theo
đường cong ứng suất-biến dạng, chính là tính chất cơ bản của xương. Cũng có
nghĩa rằng giá trị độ bền phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của xương. Lực
cần thiết để phá hủy xương khác với độ bền nội tại do tải trọng tới hạn sẽ biến
đổi với từng kích thước và hình dạng xương khác nhau. Điều quan trọng là phân
biệt rõ ràng được hai khái niệm này vì độ bền nội tại và tải trọng tới hạn có xu
hướng thể hiện khác nhau trong dược phẩm hoặc nghiên cứu về di truyền, đặc
biệt với trường hợp dược phẩm và gien có ảnh hưởng đến kích thước của xương.
Đánh giá độ bền mà không có trong đơn vị đo ứng suất không thể hiện được độ
bền nội tại của vật liệu nhưng lại thể hiện được sự ảnh hưởng của các nhân tố
bên ngoài như kích thước và hình dạng tác động lên mẫu. Vùng biến dạng đàn
hồi và vùng biến dạng dẻo trên đường cong ứng suất-biến dạng được phân chia
bởi điểm chảy (hình 1.3). Điểm chảy đại diện cho sự biến đổi dần dần, mà trên
đó ứng suất bắt đầu gây tổn thương vĩnh viễn lên cấu trúc xương. Biến dạng sau
điểm chảy (post-yield strain) miêu tả biến dạng thường xuyên của cấu trúc
xương do trượt khớp (slip at cement lines), phá hủy tế vi dạng thớ, phát triển nứt
hoặc bao gồm tất cả yếu tố trên. Điểm chảy hiếm khi được xác định bằng thử
nghiệm trên mẫu xương. Có một vài phương pháp được đưa ra để xác định điểm
chảy. Ví dụ như, điểm chảy thường được xác định là điểm mà tại đó đường ứng
8

suất-biến dạng không còn là đường thẳng [5]. Một phương pháp khác xây dựng
để xác định điểm chảy là tịnh tiến phần đường thẳng của đường cong ứng suấtbiến dạng từ 0,03% đến 0,2% biến dạng [6]. Và quy định điểm giao nhau của
đường thẳng với đường cong chính là điểm chảy.
b) Nguyên nhân gãy xương
Độ bền và độ cứng là tính chất tiêu biểu để đánh giá "sức khỏe" của
xương, nhưng nó không thực sự liên quan đến những rủi ro về gãy xương giống
như là giá trị năng lượng cần thiết để phá hủy xương. Năng lượng gây tổn
thương được chuyển tải đến xương và nếu năng lượng này trội hơn năng lượng
xương có thể hấp thụ được khi đó xương sẽ bị phá hủy. Xương có độ khoáng
hóa cao cũng đồng nghĩa với xương đó bị cứng và giòn, khi đó cũng cần ít năng
lượng để phá hủy hơn so với một chiếc xương bình thường. Mật độ khoáng chất
của xương (bone mineral density-BMD) liên quan mật thiết đến độ bền và độ
cứng nhưng quan hệ giữa độ cứng của xương (hoặc mô đun đàn hồi) với độ biến
dạng tới hạn là tỷ lệ nghịch (hình 1.4). Ví dụ như nhung hươu có lượng khoáng
chất không cao nên độ bền tới hạn của nó lớn (có tính dẻo) nhưng mô đun đàn
hồi lại thấp. Tổng hợp những tính chất đó nên nhung hươu rất khó bị vỡ [7]. Mặt
khác, màng nhĩ của cá voi vây có hàm lượng khoáng chất cao thì có độ đàn hồi
tốt và rất giòn. Do vậy tính giòn nên màng nhĩ không bền bằng nhung hoặc
xương. Tuy nhiên, do đặc tính làm việc nó không cần độ bền mà tính chất đó để
phục vụ cho chức năng thuộc về thính giác. Cũng giống như xương nhỏ của tai
giữa, màng nhĩ có độ khoáng hóa cao để nâng cao âm trở riêng. Xương có chiều
dài lớn thì có cơ tính trung bình.

9


Hình 1.3. Đường cong ứng suất-biến dạng của xương.
Năng lượng được giải phóng bằng phương thức hình thành vết nứt trên

mô xương. Xương là phần hấp thụ năng lượng trong suốt quá trình tải trọng tăng
dần và năng lượng đó được giải phóng dưới hình thức những tổn thương tích tụ
trên xương hoặc là đến khi xương bị phá hủy. Xương phải chịu năng lượng gây
tổn hại lớn, chẳng hạn như vết thương do đạn bắn, sẽ hình thành nhiều vết nứt
vỡ do năng lượng phá hủy tích tụ nhanh chóng và cần được giải phóng. Năng
lượng phá hủy lớn chính là nguyên nhân làm cho xương vỡ thành nhiều mảnh
nhỏ. Với năng lượng phá hủy thấp, xương chỉ bị gãy thông thường và không bị
vỡ vụn (hình 1.5). Xương chịu lực kéo và lực cắt kém; chịu nén tốt nhất. Vì thế,
vết nứt có xu hướng lan truyền dọc theo xương hoặc theo phương mặt cắt của
mô xương. Mặt cắt chạy theo hướng 45o từ hướng của ứng suất nén và vì vậy
cho nên lực uốn tạo ra vết nứt dạng cánh bướm. Đường gãy theo mặt cắt tạo
thành các mảnh vỡ có hình dạng giống cánh bướm. Tương tự, mặt phẳng chịu
lực kéo lớn nhất nghiêng 1 góc 45o so với mặt cắt, vì thế lực xoắn (hay lực cắt)
thường là nguyên nhân của phá hủy xoắn và lan truyền theo mặt xoắn chôn ốc
của lực kéo lớn nhất.

10


Hình 1.4. Cơ tính sinh học của mô khoáng hóa (Currey 1990).
Với chiều tăng trục x là chiều tăng tỷ phần thể tích khoáng chất, mô đun
đàn hồi (đường cong úp) được cải thiện nhưng độ bền tới hạn (đường cong mở)
lại giảm đi. Nhung hươu độ cứng thấp (mô đun đàn hồi thấp) và kém giòn (độ
biến dạng tới hạn cao), trong khi đó màng nhĩ của cá voi vây lại cứng và giòn.
Xương của con bê (1 năm tuổi) kém cứng và giòn hơn xương bò trưởng thành (9
năm tuổi). [8]

Hình 1.5. Các dạng phá hủy của xương.
c) Hình dạng xương và xương khỏe mạnh
Xương dài là bộ phận có dạng ống và thành dày. Cấu tạo hình học như

11


vậy cho phép xương chịu được tải hiệu quả mà vẫn có trọng lượng tương đối
nhẹ. Để hiểu được bản chất của vấn đề này, đầu tiên cần lưu ý rằng xương dài
chủ yếu chịu tải uốn [9]. Độ uốn của tay đòn được tính bằng công thức ML2/8EI ,
trong đó M là moment uốn, L là chiều dài, E là mô đun đàn hồi và I là moment
thứ cấp. Với giá trị đã cho của M, độ võng của cánh tay đòn sẽ giảm dần khi
cánh tay đòn ngắn đi (giảm L), tăng độ cứng vật liệu (tăng E) hoặc tăng I. Với
những xương hình ống, moment thứ cấp I được tính bằng công thức π/4(rp4 –
re4), trong đó rp là bán kính màng ngoài xương và re là bán kính màng trong
xương. Với xương dài của động vật có vú, tỷ số rp/re vào khoảng 1,8 và I = 0,71rp4
[10]. Công thức này chứng minh tầm quan trọng của bán kính màng xương ngoài
với độ bền cấu trúc của xương. Khi bán kính màng xương ngoài tăng lên 8% thì độ
bền của xương tăng lên 36%. Nếu chúng ta kết hợp những ảnh hưởng của quá
trình lão hóa bằng cách tăng bán kính màng trong 35% để mô phỏng tiêu xương,
diện tích mặt cắt ngang của vỏ xương bị giảm 12% nhưng độ cứng xương vẫn tăng
17% nhờ bán kính màng xương ngoài chỉ tăng 8% (hình 1.6).

Hình 1.6. Xương dài có hình dạng tương tự như ống rỗng.
d) Tính chất cơ học của xương [11]
Mặc dù xương là một dạng vật liệu hữu cơ nhưng nó vẫn được xét cơ
tính như đối với vật liệu nhân tạo. Tuy nhiên, do được tổng hợp từ tự nhiên mà
dường như nó thể hiện rất nhiều tính chất mà vật liệu nhân tạo không có được.
Các nhân tố bao gồm:
- độ tuổi
- giới tính
12

- vị trí trên cơ thể
- nhiệt độ
- thành phần khoáng chất
- lượng nước tồn tại bên trong
- bệnh tật, ví dụ như bệnh loãng xương
Những nhân tố này có thể phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ, thành phần khoáng
chất sẽ phụ thuộc rất nhiều vào vị trí của xương trên cơ thể và độ tuổi của bệnh
nhân.
Với người có tuổi, mật độ xương giảm và độ bền kém đi, có nghĩa là họ
dễ bị gãy xương hơn. Bệnh loãng xương là bệnh liên quan đến sự suy giảm đáng
kể khối lượng của xương và nó thường thấy ở phụ nữ sau mãn kinh.
Những nhân tố này nói lên rằng cơ tính của xương có thể chia thành
nhiều cấp độ, và giá trị đưa ra trong các bảng đều là những giá trị trung bình và
khá gần với giá trị thực đo được.
Ngoài ra, cấu trúc dị hướng của xương cho thấy cơ tính của nó cần được
xét trên hệ tọa độ trực giao:
- trục tung, có hướng song song với hệ Havers. Thường theo hướng của
tải trọng.
- trục hoành, có hướng vuông góc và nằm về bên phải theo hướng chiều
dài xương.
* Mô đun
Xương chủ yếu cấu tạo bao gồm các sợi collagen và nền là chất vô cơ, vì
vậy xét ở mức độ nào đó xương có thể phân tích dưới dạng vật liệu sợi tổ hợp.
Vật liệu tổ hợp là dạng vật liệu mà trong đó bao gồm hai hoặc nhiểu các
thành phần khác nhau. Chúng thường được sử dụng trong kỹ thuật và công
nghiệp ở những lĩnh vực mà cần sự kết hợp của hai loại vật liệu để tạo nên vật
liệu tổ hợp với những tính chất vượt trội của từng vật liệu cấu thành.
Mô đun đàn hồi của vật liệu tổ hợp dạng sợi được tính bằng công thức
định luật hỗn hợp và định luật hỗn hợp đảo áp dụng cho trường hợp tải song
13

song và tải vuông góc với hướng sợi.
Định luật hỗn hợp:
Eax = f Es + (1 - f) En
Định luật hỗn hợp đảo:
Etrans = [fEs+ (1 - f)En] - 1
Trong đó
Es - mô đun đàn hồi của sợi
En - mô đun đàn hồi của nền
Ess, Ev - mô đun đàn hồi của composit theo phương song song và phương
vuông góc
f = tỷ phần thể tích của sợi trong composit
Công thức này dự đoán rằng vật liệu composit theo phương song song
với sợi sẽ cứng hơn so với phương vuông góc, do vậy vỏ xương sẽ cứng hơn
theo phương song song với hệ Havers (tức là hướng song song với trục chiều dài
xương).
Biểu đồ dưới đây thể hiện giá trị mô đun đàn hồi của xương được tính
toán theo cả hai phương dọc theo chiều dài xương và phương vuông góc, với
từng mức tỷ phần pha sợi, tương tự với giá trị đo thực tế.

Hình 1.7. Giá trị mô đun đàn hồi của vỏ xương theo tính toán và thí nghiệm
Ta có thể thấy rằng theo phương vuông góc với chiều dài xương, mẫu
14


composit có giá trị rất gần với thí nghiệm. Tuy nhiên, với trường hợp theo
phương dọc trục xương thì có sự khác biệt rất lớn, từ đó cho thấy rằng mẫu này
không thể đánh giá được chính xác đặc tính của xương.
Sự khác biệt này là do mẫu composit được chế tạo mô phỏng theo cấu

trúc xương một cách tối giản, có nghĩa là sợi collagen không được sắp xếp song
song theo trục của hệ Havers, và khoáng chất trong xương tồn tại dưới dạng tinh
thể riêng rẽ, chứ không được tạo thành dưới dạng pha nền liên tục.
Có một cách tính toán xấp xỉ đó là mẫu xương được coi như là hai loại
vật liệu composit. Một loại được quy định là hydroxyapatite gia cố bằng sợi
collagen trong hệ đơn Havers, và loại thứ hai bao gồm hệ Havers lục giác xếp
chặt nằm xen kẽ trong nền xương.
Giá trị thực tế mô đun đàn hồi của xương, so sánh với collagen và
hydroxyapatite, thể hiện ở bảng dưới. Giá trị mô đun đàn hồi đo được phụ thuộc
vào nhiệt độ, giảm dần theo chiều tăng nhiệt độ, và tốc độ biến dạng, tăng dần
theo chiều tăng nhiệt độ.
Bảng 1.1. Mô đun đàn hồi một số loại xương trong cơ thể
Vật liệu

Mô đun đàn hồi, E (GPa)

Collagen (khô)

6

Bone mineral (Hydroxyapatite)

80

Vỏ xương, theo chiều dài xương

11-21

Vỏ xương, theo chiều vuông góc

5-13

* Độ bền kéo nén
Như đã đề cập ở trên, xương (ví dụ như xương đùi) là đối tượng để kiểm
tra moment uốn trong suốt quá trình chịu tải thông thường. Moment này tạo nên
ứng suất kéo và ứng suất nén tại những vị trí khác nhau của xương.
Có rất nhiều giá trị đo được về cả ứng suất kéo và ứng suất nén của
xương. Các loại xương khác nhau trên cơ thể cần tác động bằng các lực khác
15