Biocompatibility – mechanical property – microstructure relationship in conventional and potential biomedical alloys
Geleneksel ve yeni nesil biyomedikal alaşımlarda biyouyumluluk-mikroyapı-mekanik özellik ilişkisi
- Tez No: 367654
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Bioengineering, Mechanical Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Burada sunulan çalışmanın amacı, geleneksel ve potansiyel biyomedikal alaşımlarda, biyouyumluluk-mekanik özellik-mikroyapı ilişkisini incelemektir. Bu amaçla, bilinen ve potensiyel biyomedikal alaşımlarda bu özellikler, aralarında bağlantı kurularak incelendi ve elde edilen bilgiler yapısal metalik malzemelerin davranışlarının anlaşılmasında da faydalı oldu. Öncelikle, şekil bellekli Nikel-Titanyum (NiTi) alaşımlarının biyouyumlulukları, geometri ve vücut bölgesine olan bağlantısı açısından incelendi. Bu analizde, farklı geometrilerin, o geometriyi elde etmek için uygulanan işleme yöntemine bağlı olarak farklı yüzey özellikleri gösterdikleri ve bunun alaşımın biyouyumluluğunu etkilediği gözlendi. Ayrıca, her geometrinin farklı bir vücut bölgesi için daha uygun olduğu, bu bulgunun da NiTi şekil bellekli alaşımlarının biyouyumluluk davranışının, alaşımın geometrisi, yüzey özellikleri ve vücut bölgesine bağlı olarak değiştiğini gösterdiği tespit edildi. Bunun ardından, farklı bir uygulama için kullanılan NiTi şekil bellekli alaşımlar olan, NiTi ortodontik tellerin biyouyumlulukları, NiTi ortodontik tellerin biyouyumluluk test yönteminin değerlendirmesi üzerinde durularak, ex situ test edilen tellerle hasta ağzından çıkan tellerin kıyaslanması ile incelendi. Bu analizin sonuçları, gerçek yükleme koşullarının ex situ deneylere katılmasının, daha gerçekçi biyouyumluluk testi uygulamaları açısından önemini ortaya koydu. Gerçekçi mekanik koşulların NiTi ortodontik tellerin ex situ test edildiği ortamda simüle edilebilmesi için, bir ortodontik tel bir diş modeli üzerinde braketlere bağlanarak ayrıca ex situ olarak test edildi ve ex situ test edilen deforme edilmemiş bir tel ile kıyaslandı. Bu deneylerin sonuçları, ortodontik tellerin normalde maruz kalacağı gerçek yükleme koşullarının, ex situ deneylerde tel-braket teması sağlanarak başarılı biçimde simüle edilebileceğini ve tel-braket temas noktalarının, bu bölgede oluşan gerilim yoğunluğu ve gerilime bağlı korozyon sebebiyle, korozyon ürünlerinin birikmesi için kritik noktalar oluşturduğunu gösterdi. NiTi şekil bellekli alaşımlar üzerinde yapılan biyouyumluluk analizlerinin gösterdiği üzere, yüzey özellikleri, mikroyapı ve mekanik yükleme koşulları, metalik biyomalzemelerin biyouyumluluklarının belirlenmesi açısından önemli değişkenlerdir. Mikroyapı-mekanik özellik ilişkisinin daha ileri düzeyde incelenmesi ve biyouyumlulukla aralarında bağlantı kurulması için, devam eden incelemelerde, potensiyel bir biyomedikal alaşım olan Niobyum-Zirkonyum (NbZr) alaşımının darbe yükleri altındaki mekanik davranışı, farklı derecede anizotropi derecelerine sahip mikroyapısal durumlar için incelendi. Bu analiz, implant malzemeleri için kritik bir mekanik davranış durumu olan metalik malzemelerin darbe yükü altındaki davranışının mikroyapısal özelliklere son derece bağlı olduğunu gösterdi. Mikroyapının metalik malzemelerin darbe davranışı üzerindeki rolünün daha ayrıntılı açıklanabilmesi için, yapısal bir metalik malzeme olan bir yüksek manganezli östenitik çelik türünün darbe davranışı incelendi. Bu alaşım türünün seçilmesinin sebebi, içindeki yoğun kayma ve ikizleme mekanizmaları etkileşimleri nedeniyle sahip olduğu karmaşık mikroyapı idi. Bu incelemenin bulguları, geleneksel yükleme modları altındaki davranışı domine eden kayma-ikizleme etkileşimlerinden farklı olarak, darbe yüklemesi altında kayma veya ikizleme mekanizmalarından yalnız birinin aktive olduğunu gösterdi. Bu davranış, bu yük tipi altında oluşan olağandışı deformasyon hızına bağlandı ve her bir mikroyapısal mekanizmanın metalik malzemelerin deformasyon davranışında olan rolünün anlaşılması açısından önemli bilgiler sağladı. Sonuç olarak bu tezde sunulan sonuçlar, biyouyumluluk-mikroyapı-mekanik özellik ilişkisinin incelenmesinin biyomalzemelerde başarılı bir biyouyumluluk analizi yapmak açısından önemli olduğunu göstermektedir. Ayrıca, söz konusu bilgi birikiminin biyomedikal uygulamaların tasarım aşamasında kullanılmasının, hasta güvenliğini arttıracağı açıkça görülmektedir.
Özet (Çeviri)
The aim of the work presented herein is to investigate the biocompatibility – mechanical property – microstructure relationship in conventional and potential biomedical alloys. For this purpose, well known and potential biomedical alloys were analyzed in terms of the aforementioned parameters by constructing a relationship between them, and the gained knowledge was also partially extended to structural materials. Initially, biocompatibility of NiTi shape memory alloys (SMAs) was investigated in relation to alloy geometry and body location dependency. In this analysis, it was observed that different alloy geometries yield different surface properties due to the particular processing route applied to obtain a certain geometry, which affects biocompatibility response of the alloy. Moreover, each geometry appeared to be safer for a different body location, showing that biocompatibility response of NiTi SMAs vary depending on alloy geometry, surface properties and body location. Next, biocompatibility of a NiTi SMAs used for a different application, NiTi orthodontic archwires was analyzed, with a focus on the evaluation of the biocompatibility testing method of NiTi orthodontic archwires, by comparing ex situ tested archwires with the ones retrieved from patients. The outcomes of this analysis evidence the importance of incorporation of actual loading conditions into ex situ experiments for a more realistic biocompatibility testing procedure. In order to incorporate actual mechanical conditions into the ex situ testing of NiTi orthodontic archwires, an archwire bound to brackets on a dental mold was also tested ex situ and compared to an ex situ tested undeformed wire. The results of this set of experiments indicated that actual loading conditions that orthodontic archwires are normally subjected to can be successfully simulated by providing wire-bracket contact in ex situ experiments and the wire-bracket contact sites constitute critical points for the nucleation of corrosion products due to the stress concentration and stress assisted corrosion created at these locations. As the biocompatibility analysis on NiTi SMAs demonstrated, surface properties, microstructure and mechanical loading conditions constitute important parameters for determining the biocompatibility response of metallic biomaterials. For further investigating the microstructure – mechanical property relationship and its correlation to biocompatibility, mechanical deformation response of a potential biomedical alloy, namely the NbZr alloy, was examined under impact loading for various microstructures, specifically for various degrees of anisotropy. This analysis demonstrated that impact response of metallic materials, which constitutes a critical type of mechanical loading condition for implants, strongly depend on microstructural properties. In order to further clarify the role of microstructure on the impact response of metallic materials, the impact behavior of a structural metallic material, namely a high-manganese austenitic steel was investigated. The reason for the preference of this type of alloy was its complex microstructure with intense slip-twin interactions. The outcomes of this investigation indicated that under impact loading, either slip or twin mechanism gets activated, unlike the slip-twin interactions that normally dominates deformation under conventional modes of loading. This behavior is attributed to the unusually high deformation rate of this type of loading and presented guidelines for the understanding of the role of each microstructural mechanism on the deformation response of metallic materials. Overall, the findings of the current thesis emphasize the importance of analyzing the biocompatibility-microstructure-mechanical property relationship for a successful assessment of biocompatibility of biomaterials. Moreover, the work presented herein clearly demonstrates that adopting the corresponding knowledge to the design procedure of new biomedical applications is of utmost importance for the safety of patients.
Benzer Tezler
- Microstructure of titanium alloys produced by investment casting method
Hassas döküm yöntemiyle üretilen titanyum alaşımlarının mikroyapısı
VOLKAN BARIŞ SARICIOĞLU
- Biyomedikal titanyum alaşımlarının bilyalı dövme sonrası değişen yüzey ve yüzey altı mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of surface and subsurface mechanical properties of shot peened biomedical titanium alloys
EMİRHAN ÇALIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EGEMEN AVCU
- Çeşitli implantlarda kaplama malzemesi olarak biyoaktif camların araştırılması
Investigation of bioactive glasses as a coating material in various implants
LALE CİVAN
Doktora
Türkçe
2021
BiyoteknolojiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiBiyoteknoloji ve Biyogüvenlik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MACİD NURBAŞ
- Ticari hidroksiapatit esaslı üç bileşenli kompozit biyomalzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of commercial synthetic hydroxyapatite composites
EZGİ AKYILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
- Molibden katkılı elmas-benzeri karbon filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve tribolojik özellikleri
Production, characterization and tribological properties of molybdenum doped diamond-like carbon films
EMRE ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KÜRŞAT KAZMANLI
