Geri Dön

Fonksiyonel derecelendirilmiş seramik katkılı titanyum implant üretimi ve karakterizasyonu

Production and characterization of functionally graded ceramic doped titanium implants

PDF İndir

  1. Tez No: 1015497
  2. Yazar: ZELİHA COŞKUN TAŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. İBRAHİM MUTLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Biyomalzemeler, Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, Radyal konsolidasyon, Biomaterials, Functionally graded materials, Radial consolidation
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Ti ve alaşımları diğer metalik biyomalzemelere göre (paslanmaz çelik, kobalt-krom alaşımlar) düşük elastisite modülü, yüksek mukavemet, düşük yoğunluk, toksik olmama ve yüksek korozyon direnci gibi üstün özelliklere sahiptir. Ancak, kortikal kemiğin elastisite modülüne göre yüksek elastisite modülüne sahip olması ve bunun yaygın sonucu olan zayıf kemik entegrasyonu nedeniyle ortopedik implant uygulamaları sınırlıdır. Elastisite modülleri arasındaki bu farklılık, implantın gevşemesine ve implant ile implantı çevreleyen doku arasında gerilme kalkanı başta olmak üzere çeşitli problemlere sebep olmaktadır. Bu çalışma gerilme kalkanı problemini azaltmak adına, biyoaktivitesi yüksek, canlı dokuyla mekanik uyumsuzluğu azaltılmış ve radyal dereceli üretilen bir biyomalzemenin tasarım, üretim ve karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Dereceli yapıdaki üretim ile elde edilen biyomalzemenin geleneksel yöntemler ile üretilen biyomalzeme örneklerine nazaran fonksiyonalitesi daha yüksektir. Malzeme özelliklerinin mikro ölçekte kademe kademe değiştiği bu tür malzemeler, hedef bölgedeki özellikleri karşılayabilmek üzere değişen oran ve şekillerde üretilmektedir. Bu kapsamda, merkezden dış yüzeye (doku-implant arayüzü) doğru malzeme özelliklerinin değişimine olanak sağlayan, özel olarak tasarlanmış bir aparat kullanılarak, basınç destekli sinterleme yoluyla TiMoHA biyomalzeme üretilmiştir. Canlı doku ile olan mekanik uyumsuzluğu gidermek üzere Ti6Al4V, ağırlıkça %5 oranında Mo ile alaşımlandırılarak faz stabilizasyonu hedeflenmiş ve biyoaktifliği artırmak üzere orta ve dış katmana sırasıyla %5 ve %10 oranında HA ilavesi yapılmıştır. XRD, TOPAS, optik mikroskop, SEM/EDX ve atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak detaylı mikroyapı ve topoğrafya karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen malzemenin mekanik karakterizasyonu Brazilian çekme testi, üç nokta eğme testi, sertlik testi, kuru ve korozif aşınma testleri ile tamamlanırken, yapısal ıslanabilirlik ve hücresel aktivitenin değerlendirilmesi amacıyla temas açısı ölçümleri ve sitotoksisite analizi gerçekleştirilmiştir. TOPAS analizi sonuçlarına göre derecelendirilmiş yapının stabil  faz oranı %17,3 olarak bulunmuştur. %7,4  faz oranına sahip Ti6Al4V ile kıyaslandığında daha yüksek oranda stabil  faz elde edildiği görülmektedir. Optik mikroskop ve SEM-EDX analiz sonuçlarına göre katmanlar arası geçişin keskin bir düzlem boyunca oluşmayıp, birbiri içerisine girintili bir yapı sergilediği malzemenin, topografik analiz ve sertlik testi sonuçlarına göre merkezden yüzeye doğru pürüzlülük ve sertliğinde kademeli bir artış gözlemlenmiştir. Derecelendirilmiş malzemeye üç nokta eğme testi uygulanmış ve eğme elastisite modülü 22,4±2,5 GPa olarak belirlenmiştir. Kortikal kemik eğme elastisite modülünün 15,5 GPa olduğu düşünüldüğünde, elde edilen bu sonuç implant malzemesi-kortikal kemik mekanik uyumunu artırmaya yönelik önemli bir bulgudur. Fare fibroblast hücreleri ile gerçekleştirilen sitotoksisite analiz sonuçları ise malzemenin yüksek hücre canlılığı sergilediğini doğrulamıştır. Yapısal derecelendirme, faz stabilizasyonu ve artan biyoaktivite hedeflenerek geliştirilen radyal dereceli TiMoHA malzemeye ait planlanan gelecek araştırma konuları arasında in-vitro ve hayvan deneyleri mevcuttur.

Özet (Çeviri)

When compared to other metallic biomaterials (stainless steel, cobalt-chromium alloys), titanium and its alloys have superior features such as low modulus of elasticity, high strength, low density, non-toxicity, and strong corrosion resistance. However, the elasticity modulus of titanium alloys is still considerably higher than the cortical bone elasticity modulus. However, orthopedic implant applications are limited due to the high difference between elasticity modulus of the cortical bone and implant material, as well as the related poor bone integration. This difference causes the loosening of the implant and various problems, especially the stress shielding effect between the implant and the surrounding tissue. This study examines the design, production, and characterisation of a radially graded biomaterial exhibiting high bioactivity, reduced mechanical incompatibility with cortical bone to eliminate the strain shielding issue. The functionality of the obtained graded biomaterial is higher than biomaterial samples produced using conventional methods. Properties of functional graded materials change gradually on a micro scale and they are based on the principle of production of more than one material in varying proportions and shapes in order to meet the properties in the target region. Based on this, pressure-assisted sintering was used to produce TiMoHA biomaterial using an uniquely designed apparatus that allows the changing of material properties from the center to the outer surface (bone-implant interface). Ti6Al4V was alloyed with 5% Mo (wt.%) for phase stability to overcome mechanical incompatibility with the cortical bone, and 5% and 10% HA (wt.%) were added to the middle and outer layers, respectively, to increase bioactivity. Detailed microstructure and topographical characterization was conducted out through XRD, TOPAS, optical microscopy, SEM/EDX, and atomic force microscopy. The mechanical characteristics were evaluated using Brazilian splitting, three-point bending, microhardness, and tribological testing under dry and corrosive environments. Contact angle measurements and cytotoxicity analysis were performed to assess structural wettability and cellular activity. The stable β phase ratio of the graded structure was determined to be 17.3% based on the TOPAS analysis results. Compared to Ti6Al4V, which has a 7.4% β phase ratio, a higher percentage of stable β phase is observed. According to optical microscopy and SEM-EDX analysis results, the material has an intricate (zigzag-like) structure with no sharp transition between layers, and topographic analysis and hardness test results show a gradual increase in roughness and hardness from the center to the surface. A three-point bending test was performed on the graded material, and the bending modulus of elasticity was determined as 22.4 GPa. Considering the cortical bone bending elasticity modulus is 15.5 GPa, this result is important sign for enhancing the mechanical compatibility between implant material and cortical bone. Cytotoxicity analysis results, performed using mouse fibroblast cells, confirmed that the material exhibited high cell viability. In vitro and animal experiments are planned future study topics for radially graded TiMoHA material, which was developed with the aim of structural grading, phase stabilization, and enhanced bioactivity.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    953885

    Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerde sonlu elemanlar yöntemiyle uçak kanatlarında bulunan kirişlerin analizi

    Finite element analysis of aircraft wing spars made of functionally graded materials

    MUHAMMED YUNUS ÇİYDEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Savunma ve Savunma TeknolojileriSelçuk Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SÜLEYMAN NEŞELİ

  2. Tez No

    381867

    Çok katmanlı CYSZ / Al2O3 AND CYSZ / Al2O3+YSZ termal bariyer kaplamaların üretimi ve ısıl-mekanik özelliklerinin belirlenmesi

    Production of multilayer CYSZ / Al2O3 AND CYSZ / Al2O3+YSZ thermal barrier coatings and determination of thermal-mechanical properties

    MEHMET MÜMTAZ DOKUR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER

  3. Tez No

    1004421

    WE43 Mg matrisli B4C katkılı fonsiyonel derecelendirilmiş malzemelerin toz metalurjisi yöntemiyle üretimi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

    Producti̇on of B4C rei̇nforced functi̇onally graded materi̇als wi̇th we43 mg matri̇x by powder metallurgy method and investi̇gati̇on of thei̇r mechani̇cal properti̇es

    MUHARREM KOÇAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Metalurji MühendisliğiKırıkkale Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP ÇALIN

  4. Tez No

    496211

    Fonksiyonel derecelendirilmiş seramik partikül takviyeli AL2124 kompozitlerinin üretimi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

    Production of functional rated ceramic particle-reinforced AL2124 composites and investigation of mechanical properties

    SEMİH CÖMERT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriSakarya Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH ÇALIŞKAN

  5. Tez No

    675979

    AA7xxx ve seramik parçacıklardan oluşan fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerin üretimi ve işlenebilirlik özelliklerinin araştırılması

    Production of functional graded materials consisting of AA7xxx and ceramic particles and investigation of machinability characteristics

    TUĞÇE YILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SUR

Geri Dön