Investigating the microstructural and mechanical properties of the novel metallic materials used in interdisciplinary fields and constructing a relationship with the biocompatibility in biomedical applications
Disiplinlerarası uygulamalarda kullanılan üstün özellikli metalik malzemelerin mikro yapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi ve biyomedikal uygulamalarda kullanılanlar ile biyouyumluluk ilişkisinin kurulması
- Tez No: 473055
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Bu tezde disiplinler arası uygulamalarda kullanılan üstün özellikli metal malzemeler mikroyapı ve mekanik özellikleri ilişkilendirilerek derinlemesine incelenmiştir. Bu amaçla yapısal ve biyomedikal alanlarda kullanılan malzemeler mekanik testler ile deforme edilmiş ve mikro yapı evrimleri farklı mikroskopi teknikleri ile incelenmiştir. Ayrıca incelenen bu özellikler implant malzemelerin biyouyumluluklarının değerlendirilmesine de dahil edilmiştir. Öncelikle, farklı gerinimlere deforme edilmiş potansiyel implant malzemelerde mikro yapı evriminin hücre davranışına olan etkisi incelenmiştir. Yapılan mikroskopi analizleri beyin tümörü hücrelerinin en iyi yapışma ve canlılığı en yüksek gerinime deforme edilmiş, kayma ve ikiz mekanizmalarının etkileşiminin fazlaca görüldüğü örnek üzerinde sergilediğini göstermiştir. Özellikle bu etkileşimin sağladığı yüksek enerji sayesinde hücre yapışmasında görev alan proteinlerin implant yüzeyine yapışması kolaylaşmıştır. Bu çalışma implant malzemelerin mikro yapılarının değiştirilmesiyle daha iyileşmiş hücre davranışı ve buna bağlı olarak daha başarılı bir tedavi elde edilebileceğini göstermiştir. Bu çalışma farklı hücre tiplerinin de aynı sonucu verip veremeyeceğini incelemek amacıyla başka bir hücre tipiyle devam ettirilmiştir. Beyin tümörünün aksine fibroblast hücreleri plastik deformasyonla paralel olarak gelişmiş bir hücre davranışı göstermemiştir. Bunun nedenleri arasında ECM proteinlerinin yapışmasındaki başarısızlık veya hücre boyu veya yüzey pürüzlülüğünün uyumsuzluğu gösterilebilir. Bu çalışma implant malzeme seçiminin metal malzemenin temas edeceği dokuya özel olarak seçilmesi gerekliliğini göstermiştir. Metal malzemelerin biyouyumluluklarını etkileyen tüm parametrelerin anlaşılması amacıyla daha detaylıca incelemeler yapılmıştır. Özellikle Nikel-Titanyum (NiTi) diş tellerindeki gerçek yükleme koşullarının ex situ deneylere dahil edilmesiyle oluşan gerilimli korozyon çatlakları nedeniyle Ni iyon salınımındaki artış gösterilmiştir. Diş teli ve braket temas noktalarında biriken gerilim asidik ortamın aşındırıcı etkisiyle birlikte tel yüzeyinde çatlaklara neden olmuştur. Bu çalışmanın devamında diş tellerinin yüzeyindeki koruyucu oksit tabakasının çözünme-yeniden oluşma döngüsü incelenmiştir. Sonuçlar Ni iyon salımının oksit tabakasının çözünmesiyle arttığını ve yeniden oluşmasıyla azaldığını göstermiştir. Bu çalışmalar malzemelerin biyouyumluluklarının değerlendirilmesinde gerçek kimyasal ve yükleme koşullarının ex situ deneylere katılmasının ve koruyucu oksit tabakasının detaylıca incelenmesinin gerekliliğini göstermiştir. Metalik implant malzemelerin biyouyumluluklarının detaylıca değerlendirilesinin ardından yük altında karmaşık kayma ve ikiz mekanizması aktivitesi gösteren malzemelerin mikro yapı ve mekanik özelliklerini anlamak için ilave deneyler yapılmıştır. Bu amaçla çok taneli ve tek taneli metal örnekler tane sınırı etkileşimleri etkisi altında ve tane sınırı olmayacak şekilde test edilmiştir. Bu çalışmalar kayma mekanizmasının ikiz mekanizması ile engellendiğini, birincil ikizlerin içinde oluşan nano ikizler sayesinde malzemelerin güçlendiğini ve bunların sayesinde malzemelerin daha yüksek miktardaki deformasyona dayanabildiğini göstermiştir Bu tezde yapılan çalışmaların sonuçları malzemelerin mekanik özelliklerinin iyi bir şekilde anlaşılabilmesi için mikro yapılarının detaylıca incelenmesi gerektiğini göstermiştir. Ayrıca metalik implantların biyouyumluluk değerlendirilmelerinde mikro yapı ve mekanik özelliklerin dahil edilmesinin büyük önem taşıdığı belirtilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this dissertation novel metallic materials utilized in interdisciplinary applications have been analyzed by constructing a relationship between their microstructural and mechanical properties. For this aim the materials used for structural and biomedical applications were subjected to mechanical tests and the microstructural evolutions were investigated via various characterization techniques. These properties were also incorporated in the biocompatibility evaluations of the implant materials. The initial tests were carried out to understand the effect of microstructural evolution on the cell response on the potential implant materials which were deformed up to different strain levels. Microscopy analyses showed that the brain tumor cells exhibited the best attachment and viability on the sample with the greatest plastic deformation where a significant slip activity was prevalent, accompanied by considerable slip-twin interactions. Specifically the deposition of proteins necessary for the focal contact formation on the implant surface was promoted on this sample owing to the greater energy provided by the interactions of the slip and twinning. This study showed that by manipulating the microstructure of the implant material improved cell response and consequently a more successful treatment can be obtained. This study was continued with another cell type in order to understand whether different cells would all react in the same way or not. Conversely, fibroblast cells did not exhibit enhanced cell response with the increased plastic deformation, which might stem from the failure of the adhesion of ECM proteins, or incompatibility with cell size or surface roughness. This study pointed out the importance of selecting a unique implant material specific for the body location and the tissue that the metal will be in contact with. Biocompatibility of the metallic materials was further analyzed in order to thoroughly understand the parameters affecting it. Specifically the immersion experiments of Nickel Titanium (NiTi) orthodontic archwires through the incorporation of the realistic mechanical conditions into ex situ experiments showed that toxic Ni ion release increased due to stress corrosion cracking (SCC). The stress accumulated in the archwire-bracket contact sites leads to surface cracks in concomitant with the corrosive environment of the artificial saliva. This study was followed by investigating the dissolution-reformation cycle of the protective oxide layer on the archwires. The results showed that Ni ion release enhanced owing to the dissolution of the oxide layer and with the reformation the net ion contribution has decreased significantly. These findings showed the need for incorporating the actual chemical and mechanical condition into the ex situ experiments and thorough analysis of the protective oxide layer in order to correctly evaluate the biocompatibility of the materials. After thoroughly evaluating the biocompatibility of the metallic implants further experiments were carried out to better understand the microstructure and mechanical properties of the materials which exhibit complex slip and twinning activity upon loading. With this aim both polycrystalline and single crystal metals were tested in order to better understand the activation of the plastic deformation mechanisms with and without the influence of the grain boundary interactions. These studies showed the enhanced mechanical properties owing to the impediment of slip by the twins and formation of nanotwins within the primary twins. The mutual interaction of these mechanisms has strengthened the material, thus materials were able to accommodate the great amount of deformation. Overall the findings of this dissertation show that a thorough analysis of microstructural analysis is needed to better understand the mechanical properties of the metallic materials. Moreover, for the biocompatibility evaluation of the metallic implants the incorporation of microstructural and mechanical properties was pointed out to be utmost importance.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of high entropy metal carbide and boride ceramics
Yüksek entropi metal karbür ve borür seramiklerinin üretimi ve karakterizasyonu
SİNA KAVAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Gaz enjeksiyon ve elementel karbon ilavesi yöntemleri ile tic takviyeli alüminyum matrisli kompozit üretimi
Başlık çevirisi yok
IŞIL ÇEVİKER KERTİ
Doktora
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. ERMAN TULGAR
- Yüksek entropi alaşımlarının (HEAs) geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterisation of high-entropy alloys (HEAs)
ARMIN ASGHARI ALAMDARI
Doktora
İngilizce
2024
KimyaKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- Assessment of properties and mechanical behavior of novel Al/Mg cast alloys
Yeni nesil Al/Mg dökme alaşımlarının özelliklerinin ve mekanik davranışının değerlendirilmesi
KAMİL ARMAĞAN GÜL
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ÖZGÜR ASLAN
- Multifaceted characterization and optimization of aerospace grade thermoplastic composites joints: Advances in surface treatments, mechanical performance, and environmental resilience
Havacilik ve uzay sinifi termoplastik kompozit bağlantilarin çok yönlü karakterizasyonu ve optimizasyonu: Yüzey işlemleri, mekanik performans ve çevresel koşullarda dayaniklilik alanindaki gelişmeler
CEREN YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YILDIZ