Surface modification of titanium hard tissue implants by magnesium doping
Titanyum sert doku implant yüzeylerinin magnezyum katkılama ile modifikasyonu
- Tez No: 421114
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK, DOÇ. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Metalurji Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
GeniĢ kapsamlı bir tanımlama ile biyomalzemeler çoğunlukla tıbbi veya tıbbi olmayan amaçlarla kullanılan, yaĢama ve büyüme yeteneğinde olmayan ve biyolojik sistemler ile etkileĢime girmeye yatkın tüm malzemeleri içermektedir. Biyomalzemeler genel olarak metalik, seramik, polimerik ve kompozit materyallerden oluĢmaktadırlar. Bu materyal tiplerinin beraber kullanıldığı sistemler de literatürde mevcuttur. Sert doku biyomalzemeleri, tüm dünyada ihtiyaç duyulan sert doku yaralanmaları, hastalıklar veya yaĢlılık kaynaklı sağlık sorunlarının tedavisinde sert doku implantlarının fabrikasyonunda kullanılan malzemelerdir. Özellikle yük mukavemeti gibi üstün mekanik özelliklerinden dolayı metalik biyomalzemeler bu alanda yaygınlıkla uygulanmaktadırlar. Paslanmaz çelik, kobalt-krom ve titanyum alaĢımları sert doku biyomalzemelerinin yapımında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Metalik biyomalzemeler üzerine yapılan bilimsel çalıĢmalar genellikle toksisitenin düĢürülmesi, korozyon direncinin arttırılması, aĢınma direncinin arttırılması, biyouyumluluğun geliĢtirilmesi , elastik modül değerinin doğal kemik yapısıyla karĢılaĢtırıldığında uygunluğunun arttırılması , biyoaktivitesinin arttırılması, yüksek dayanıklılık, düĢük kalıntı oluĢturma ve iyi osteoentegrasyonun sağlanması üzerinde durmuĢtur. Titanyum (Ti) ve alaĢımları tam eklem protezleri veya diĢ implantları gibi alanlarda en sık kullanılan metallerdendir. Ancak metalik biyomalzemelerin karĢılaĢtığı temel sorunlar Ti için de geçerlidir. Bu sorunlar genellikle korozyon dirençliliğin düĢük olması veya uygulanan biyomalzemenin uygulama bölgesindeki çeĢitli aĢınma ve sürtünme kaynaklı problemlerden etkilenmesi ile oluĢur. Bu sorunların çoğu uygulanan biyomalzemenin, özellikle uzun dönem kullanım gerektiren uygulamalarda baĢarısızlığa uğramasına neden olur. Ġmplantın görevini yapamaz hale gelmesi, ikinci bir operasyonu gerekli kılar ve bu operasyonlar uygulama yapılan kiĢilere acı vermesinin yanında daha düĢük baĢarı oranlarına ve yüksek maliyete sahiptirler. Magnezyum (Mg) çeĢitli medikal uygulamalarda uzun bir kullanım tarihi olan ve bahsi geçen Ti yüzey özellik yetersizliklerinin bir çaresi olarak son yıllarda popülaritesi artan biybozunur ve biyouyumlu bir metalik elementtir. Mg vücutta en fazla bulunan katyon olmasının yanında kemik dokusunun doğal yapısında da bulunmaktadır. Bu özelliği Mg tabanlı biyomalzemelerin aynı zamanda yüksek biyouyumluluğa ve yüksek doku etkileĢimi yeteneğine sahip olmasını da sağlamıĢ olur. Mg doğal kemik dokusu ile karĢılaĢtırıldığında diğer geleneksel metalik biyomalzemelerden yaklaĢık 3 kat daha iyi elastik modül değerlerine sahiptir. Bu özellikleri bakımından avantajlı olan Mg, saf olarak kullanıldığı uygulamalarında yüksek korozyona ve bunun sonucu olarak belirli stokiyometrik denklemlere bağlı olarak fizyolojik ortamda hidrojen gazı oluĢumuna neden olmaya eğilimli olduğundan, istenilen özellikleri sağlayabilmesi için diğer malzemelerle birlikte kullanılması daha uygun olabilmektedir. Bu tezde yukarıda bahsedilen sorunlara bir çözüm olarak, Ti yüzeylerin Mg ile kontrol edilebilir biçimde modifiye edilerek in vivo performansı iyileĢtirilmiĢ sert doku implantları elde edilmesini amaçlanmıĢtır. Bu amaçla bilinen bir kaplama tekniği olan katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi (katodik ark FBB) ile Ti yüzeylerinin modifikasyonu ve aynı zamanda Mg'un Ti yüzeylerinde, yüzey altında veya alt-ara yüzeylerinde depolanarak korozyon miktarının fizyolojik ortamlarda kontrol edilmesi amaçlanmıĢtır. Bu amaca yönelik olarak 1cm2 Ti altlıklar kimyasal olarak temizlenmiĢ ve katodik ark FBB yöntemi için tasarlanan Mg ve Ti katodları arasında bulunan, bir perde sistemi üzerinde sabitlenmiĢtir. Kaplama denemeleri toplam kaplama süreleri sabit tutularak, farklı katod akım değerleri ve iyon bombardımanı zamanlarında gerçekleĢtirilmiĢtir. Ġlk olarak katod akım değerleri sabit tutulmuĢ ve iyon bombardımanı zamanları kademeli olarak değiĢtirilmiĢtir. Bu sayede iyon bombardıman zamanının kaplamaların ihtiva ettiği Mg miktarı üzerindeki etkisi araĢtırılmıĢtır. Daha sonra iyon bombardıman zamanı ve Ti katod akım değeri sabit tutularak, Mg katod akım değerleri düĢürülerek seri denemeler ile üretilen yeni kaplamalardaki Mg oranlarının düĢürülmesi sağlanmıĢtır. Ġlk adım, kaplama sonrası yapılan elementel analizler ıĢığında atomik Mg oranlarının % 10 ve altına indirilmesinin baĢarılmasıyla tamamlanmıĢtır. Bu oranın üstündeki Mg miktarlarının korozyonu hızlandırdığı bilindiğinden % 10 ve altı hedefinin gerçekleĢtirilmesi önemlidir. Bu adımdan sonra Mg un Ti yüzey altında gerçekten depolanıp depolanmadığı ve depolandıysa kaplama kalınlığı ile karĢılaĢtırıldığında ne kadar kalınlıkta Mg içeren ara yüzey oluĢturulduğunun tayini yapılmıĢtır. Bu yapılan ölçümler ıĢığında Mg'un en fazla oranda bulunuduğu 27.1 ± 1.2 at. % Mg içeren kaplama da ~0,50 µm derinliğe kadar ve en düĢük oranda bulunduğu 3.8 ± 0.7 at. % Mg içeren kaplamalarda ~0,75 µm derinliğine kadar tespit edilebildiği GDOES ve 3D optik profilometre analizlerinin sonuçları doğrultusunda ortaya çıkarılmıĢtır. Ayrıca yapılan XRD analizlerinden kaplama sonrası birçok titanyum ve titanyum-magnezyum oksit zengini bir yüzey yapısına kavuĢulduğu düĢünülmektedir. Elde edilen kaplamaların hücre canlılığı ve hücre proliferasyonu açısından performanslarının ölçülmesi amacaıyla yapılan MTS deneyleri sonucunda, düĢük Mg içerikli kaplamalarının hücre proliferasyonu açısından daha iyi olduğu ve en az Mg içeriğine sahip olan 3.8 ± 0.7 at. % Mg içeren kaplamada en yüksek hücre proliferasyonun olduğu görülmüĢtür.Ayrıca bu sonuç saf titanyumdan (0 at. % Mg) daha iyi performans göstermiĢtir. MTS deneyi sonucunda elde edilen veriler, kaplama üzerine fikse edilen hücrelerin SEM vasıtasıyla görüntülenmesi ile de desteklenmiĢtir. Elde edilen bu olumlu sonuçlar Ti yüzeyler içerisine ve üstüne ayarlanabilir oranlarda biyobozunur ve biyouyumlu özellikteki Mg'un yerleĢtirilebildiği ve bu yöntemin biyomalzeme özelliklerinin modifikasyonunda kullanılabileceği ortaya konmuĢtur.
Özet (Çeviri)
Hard tissue biomaterials have a great demand from all over the world according to increasing health care issues including hard tissue injuries, diseases or ageing. The most common materials for hard tissue biomaterial applications are metals due to their superior mechanical properties especially for load bearing applications. Titanium (Ti) and its alloys are commonly used as hard tissue biomaterials, such as implants for total joint replacements or dental applications, since the discovery of their potential as biomaterials. However they encounter problems such as lack of corrosion and wear resistance in long term applications. The waste majority of these problems end up with implant failures and consequent revision surgeries, which are painful for the patients and also expensive. In this thesis, magnesium (Mg) was used to address the potential issues of titanium based hard tissue biomaterials. Mg is a biocompatible and biodegradable metallic element so that it is considered as a good candidate for improving titanium surface properties. On the other hand, pure Mg cannot be used because of its rapid corrosion behavior in physiological media. Cathodic arc physical vapor deposition technique which is the one of the main techniques for coating technology was used to modify Ti surfaces by Mg. The aim was to adjust Mg amounts on and within the layers of the new structured surfaces to be able to control corrosion behavior and the biocompatibility of the modified surface. Fine control of atomic Mg percentages below 10 at % was aimed to achieve this goal. Second step was to determine the structural layer components of created modified surfaces and determine the depth of Mg deposited layers on the surface. The analysis of the surfaces was mainly made optical profilometer, GDOES and XRD. Both duration and current values were changed to determine their effect on doping and Mg amounts ranging from 27.1 ± 1.2 at. % in ~0.50 µm depth to 3.8 ± 0.7 at. % in ~0.75 µm depth were found using optical profilometer and GDOES analysis. XRD profiles also showed a metal oxide rich structure formation including titanium and titanium oxides. MTS assay of the coatings showed that lower Mg contents in the coatings were better for cell poliferation and viability. 3.8 ± 0.7 at. % Mg containing coating showed the best performance for cell proliferation even than pure Ti (0% at. Mg). Results are promising for improving present Ti based hard tissue biomaterials by this relatively practical approach including Mg.
Benzer Tezler
- Magnezyum alaşımlarının farklı yöntemlerle hidroksiapatit kaplanarak korozyon hızının belirlenmesi
Corrosion behaviour of ha coatings on AZ31 and AZ91 magnesium alloys
SERKAN BAŞLAYICI
Doktora
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA
- Biyomedikal uygulamalar için ASTM F75 kobalt-krom alaşımının yüzey modifikasyonu
Surface modification of ASTM F75 cobalt-chromium alloy for biomedical applications
DOĞUKAN ÇETİNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
DOÇ. DR. ERDEM ATAR
- Investigation of surface properties of plasma nitrided and PVD coated Ti-6Al-4V alloy for biomedical applications
Biyomedıkal uygulamalarda kullanılan plasma nitrürlenmiş ve PVD kaplanmış Ti-6Al-4V alaşımının yüzey özelliklerinin incelenmesi
TUĞÇE AKYAZI
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Manyetik sıçratma (CFUBMS) ve mikro ark oksidasyon (MAO) teknikleri ile Ti6Al4V alaşımının dubleks yüzey modifikasyonu
Duplex surface modification of Ti6Al4V alloy by closed-field unbalanced magnetron sputtering (CFUBMS) and micro arc oxidation (MAO) techniques
EBRU EMİNE DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2014
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR TOTİK
- ESD ile sert faz kaplanmış titanyum alaşımlarının ve çeliklerin lazer ile işlenmesi ve karakterizasyonu
The laser processing of titanium alloys and steels which are hard phase coated by ESD method and their characterization
AKIN BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mühendislik BilimleriAfyon Kocatepe ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRÜ TALAŞ