Generation Of Zinc And Copper Incorporated Oxide Layers On Titanium Based Biomaterials

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Canlı dokular, yaşlanma, kazalar, yaralanmalar ve başka bir çok sebepten ötürü kısmen zarar görebilir ya da tamamen kullanılamaz hale gelebilir. Canlı yapısında işlevsel aksaklıklar oluşturacak bu tür kayıpların telafi edilebilmesi için biyolojik açıdan uyumlu malzemeler geliştirilmektedir. Biyomalzeme olarak adlandırılan, vücudun işleyişine yardımcı olmak üzere tasarlanmış, vücut ile sürekli temas halde olabilecek, canlı dokuyla uyumlu malzemeler, temelde metalik biyomalzemeler, seramikler, polimerler ve kompozitler olarak sınıflandırılmaktadırlar. Yumuşak dokular için polimer bazlı malzemeler kullanılırken, kemik gibi sert dokularda metalik malzemeler tercih edilmektedir. Genellikle metalik biyomalzemeler, sert doku olarak tanımlanan kemik dokularında yaşanan kayıpları telafi etmek için kullanılırlar. Örneğin, titanyum alaşımları (örn. Ti6Al4V), kalça ve diz kemiklerinde oluşan kayıpları gidermek için geliştirilirken, diş implant uygulamalarında ise saf titanyum (Cp-Ti) kullanılmaktadır. Malzemelerin seçimi, kullanılacakları alanda beklenilen özelliklere göre belirlenir. Örneğin saf titanyum, düşük mekanik özelliklere sahip olmasından dolayı diş implant uygulamalarında tercih edilebilirken diz ve kalça protezleri gibi uzun süreli yük taşıyıcı olarak kullanılacak malzemelerde titanyum alaşımları tercih edilmelidir. Titanyum ve alaşımları, canlı doku üzerinde toksik etki yaratmadığı için biyouyumlu malzeme olarak gösterilir. Ancak yüzeyinde bulunan oldukça inert titanyum oksit tabakası, implantın uygulanmasıyla birlikte beklenen yüzey etkileşimleri ve hücre tutunmasına olanak vermeyecek şekildedir. Karşılaşılan bu problemin çözümü olarak, biyouyumluluğu yüksek olan fakat biyoinert bir tabakaya sahip titanyum metalik malzemelerinin, bir takım yüzey işlemlerinden geçirilip, yüzeylerinin biyolojik olarak aktif bir hale getirilmesi düşünülebilir. Fakat biyoaktif bir yüzeyin elde edilmesi de malzemenin canlı dokuda kullanılmasına olanak sağlamaz. Kullanım bölgesine göre farklı türde bakterilere maruz kalacağı düşünülürse, biyomalzemelerin aynı zamanda da oluşabilecek bir biyofilm tehlikesine karşı içeriğinde antibakteriyel ajanları barındırmış olması beklenir. Tüm bu problemlerin belirlenmesiyle birlikte, tez çalışmamda da biyolojik olarak uyumluluğuyla bilinen saf titanyum (CpTi) ve titanyum alaşımının (Ti6Al4V) yüzeylerini mikro ark oksidasyonu olarak adlandırılan yüzey kaplama yöntemiyle biyoaktif bir tabakayla kaplayarak, elde edilen seramik temelli biyoaktif tabakayı çeşitli karakterizasyon teknikleri ile inceleyip, antibakteriyel etki görebilme amacıyla da, yüzeyde ve iç katmanlarda metalik ajan birikimi sağlayabilmek için, yine aynı yöntem kullanarak, prosesin gerçekleştiği elektrolit sıvısı içerisine metal ajan kaynağı ekleyip ve böylece farklı yüzey morfolojisine sahip numuneler elde ettik. Böylece hem doku-implant etkileşimini arttırdığımızı hem de olası enfeksiyonları engellebileceğimiz hipotezini ortaya koyduk. İlk olarak hidroksiapatit gibi dişlerin mine ve dentin tabasında ve kemikte bulunan biyoaktif kalsiyum tuzunun, mikro ark oksidasyonu ile titanyum temelli malzemelerin üzerine kaplayabilmeyi amaçladık. Mikro ark oksidasyon işlemi, metallerin yüzey modifikasyonu için kullanılan, elektrokimyasal esaslı bir yüzey modifikasyonu tekniğidir. Bu teknikte, genellikle bazik esaslı bir elektrolit çözeltisi içinde, anot (numune) ve katot (paslanmaz çelik bir konteyner kullanıldı) arasında yüksek bir voltaj uygulanır ve bu yüksek voltaj belirli bir kritik voltaj değerini aştığından malzeme üzerinde mikro ve nano boyutta kıvılcımlar oluşmaya başlar ve bir dizi karmaşık reaksiyon sonucunda numune yüzeyinde poroz bir oksit tabaka oluşur. Proses sırasında anot görevi görecek ve üzerinde kaplama oluşmasını istediğimiz numunemilerimizin bir grubu ticari saflıktaki titanyum iken diğeri titanyum alaşımı (Ti6Al4V) idi. Bu numuneler, uzun titanyum çubuklarından, 4 milimetre kalınlığında kesilmiş ve yüzeyde pürüzlülük gözle görülemeyecek seviyede azalana kadar zımpara işlemi yapılmıştır. Zımpara işlemi sonucunda hazır olan numuneler, 15’er dakika sırasıyla alkol, aseton ve son olarak saf su ile yıkanıp, kurulanarak temizlenmiştir. Ardından da mikro ark prosesi için elektrolit çözeltileri, istenilen kaplama doğrultusunda hazırlanmıştır. Bir numaralı elektrolit çözeltisi, kalsiyum ve fosfor kaynağı olacak kimyasallar ile hazırlanırken, iki numaralı elektolit çözeltisi, kalsiyum ve fosfor kaynaklarının dışında çinko kaynağı da içermektedir. Üç numaralı elektrolit çözeltisi ise proses sonunda kalsiyum, fosfor ve bakır birikimini sağlayacak kimyasallarla oluşturulmuştur. Tüm bu bilgiler ışığında, titanyum malzemelerin, seramik bir kaplama ile belirli bir kalınlıkta kaplanması amacıyla hazırladığımız oksidasyon işlemi için gerekli elektrolit çözeltisine daldırılmasının ardından, daha önceden optimize edilmiş oksidasyon parametreleriyle (voltaj, zaman parametreleri gibi) titanyum malzemenin üzerinde kalsiyum ve fosforca zengin poroz ve oksit bir tabaka oluşturulmuştur. Anodun saf titanyum olduğu proses sonucunda oluşmuş numuneler, CpTi-MAO olarak kodlanmış, anodun titanyum alaşımı olduğu proses sonucunda seramik kaplama ile kaplanmış numuneler ise 64-MAO (bazı yerlerde Ti6Al4V+MAO olarak da geçmektedir.) olarak kodlanmıştır. Kalsiyum ve fosforca zengin oksit ve porozlu yapının yeterli olmaması durumdan ötürü, bir diğer işlemle metalik ajan içermesi amaçlanan yeni numuneler hazırlanmıştır. Elektrolit çözeltisine kalsiyum, fosfat tuzlarının yanında, çinko asetat da eklenmiştir, CpTi-MAO ve 64-MAO numunelerinin hazırlandığı aynı mikro ark oksidasyon parametreleri ile anodun CpTi olduğu prosesin sonucunda, CpTi-MAO-Zn olarak kodlanan numuneler hazırlanmış, anodun Ti6Al4V olduğu prosesin sonucunda da 64-MAO-Zn numuneleri hazırlanmıştır. Aynı zamanda, metalik ajan olarak çinko dışında bir başka antibakteriyel özellik gösteren ajanın kullanılması düşünülmüş, birkaç adet bakır ajan içeren numuneler de hazırlanmıştır. Bunlar da CpTi-MAO-Cu olarak kodlanmış, diğer hazırlanmış numunelerle birlikte yüzey analizlerine tabii tutulmuşlardır. Antibakteriyel ajanın seçimi konusunda literatür araştırılmasına gidilmiş, literatürde sıklıkla görülen gümüş ajan katkılanması çalışmaları incelenmiş, uzun vadede canlı dokuda toksik etki yaratmasıyla bilinen gümüşün yerine canlı dokuda toksik etki yarattığıyla ilgili kanıtlanmış bir sonucun bulunmadığı, literatürde de oldukça yeni olan çinko ajan üzerinden gidilmesine karar verilmiştir. Çinkonun yapı üzerindeki etkisinin daha rahat kıyaslanabilir olması ve aynı zamanda da alternatif yaratabilmek amaçlı yukarıda da belirtildiği gibi bakır ajan içerikli numuneler de hazıralanmıştır. Numunelerin hazırlık işlemlerinin tamamlanmasıyla birlikte, saf su ile yıkanmış ve oda sıcaklığında kurumaya bırakılmışlardır. Kuruma işleminin ardından da mikroskobik incelemeler, X-ışınları analizi, pürüzlülük ölçümleri, temas açısı ölçümleri yapılmıştır. Metalik ajanların, yapay vücut sıvısı (SBF) ve saf su içerisindeki salınım davranışları da incelenmiştir. Mikroskobik incelemeler, EDS donanımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Kesit numuneleri hazırlanarak, numunelerin kimyasal kompozisyonlarının haritalandırma yöntemi ile belirlenebilmesi için de elektron-probe mikro analizi (EPMA) olarak bilinen yöntem kullanılmıştır. Oksit tabakasının kalitatif faz analizi için CuKα radyasyonu kullanan bir X-ışını difraktometresi (XRD, GBC-MMA) ile gerçekleştirilmiştir. Numune yüzeylerinde oluşan kaplamaya ait yüzey pürüzlülüğü profilometre ile incelenemiştir. Yapay vücut sıvısında ve saf suda bekletilen numunelerin yüzey salınımlarına endüktif kuplajlı plazma optik emisyon spektral analizi (ICP-OES) yöntemi ile bakılmıştır. Islatma açısı ölçümü yapmak amacı ile KSV CAM200 cihazında malzeme yüzeyine 5µl saf su damlatılıp ölçüm yapılarak ortalama yüzey ıslanma miktarları açısal olarak belirtilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen bulgular ışığında yapı-özellik ilişkisi kurulacak ve optimum özelliklerin elde edildiği MAO yöntemi ile elde edilen porozlu yüzeye antibakteriyel test uygulaması yapılacaktır.Metal implants are designed to remain in the body as a prothesis for solving bone damage problem. Bone tissue is damaged by the reason of osteoporosis, aging, accidents or similar reasons. The process of interaction between implant surface and bone tissue is obviously the key to the implant success. Surface morphology, composition, hydrophilicity and roughness are main factors of implant–bone tissue interaction and osseointegration. The aim of this study was to evaluate the bone-tissue response to a hydroxyapatite (HA) and calcium titanium oxide (CaTiO3) containing biocompatible compound layer modified commerically pure titanium (composed of rutile and anatase) samples and Ti6Al4V samples by micro-arc oxidation method (MAO). During the oxidation process, an electrolyte is including calcium and phosphorus ions and samples act as anode material, also stainless steel container as catode material. In this study, CpTi-MAO, CpTi-MAO-Zn and CpTi-MAO-Cu have been developed on Grade 4 quality commercially pure titanium (CpTi), 64-MAO and 64-MAO-Zn have been developed on titanium alloy (Ti6Al4V) with a single step micro-arc oxidation process. Properties of surface, i.e. surface thickness, morphology/pore size, crystal structure, chemical composition, roughness and hydrophilicity, were characterized with various analytical techniques. Introduction of zinc acetate and copper acetate into the electrolyte of the MAO process led to incorporation of 4-5 wt.% Zn or 7 wt.% Cu into the multi-layer coating on the CpTi-based samples were measured by EPMA. 4.82wt.% Zn, 2.43 wt.% Cu was specified by EDS. The Zn-doped Ti6Al4V-based samples has been showed 5.38 wt.% Zn by EDS. Osteoconductive calcium phosphate coatings enhanced the bioactivity, zinc and copper incorporated oxide layers showed non-cytotoxic properties during the releasing test into simulated body fluids. According to the XRD examination of the CpTi-MAO, the coatings are primarily composed of anatase and rutile TiO2 phases, α-titanium, hydroxylapatatite, CaTiO3. Additionally, effect of zinc and copper into the multi-layer coating during micro-arc oxidation process may expose excellent antibacterial efficiency without decreasing the bioactivity.Yüksek LisansM.Sc