Coating of silver doped titanium by biodegradable pcl to delay antibacterial silver release in dental implants
Diş implantlarındaki antibakteriyel gümüş salınımını geciktirmek için gümüş katkılı titanyumun biyoçözünür pcl ile kaplanması
- Tez No: 664572
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Biyobozunur polimerlerin doğal kaynaklardan elde edilmesi ve sürdürebilir olması nedeniyle kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Biyopolimerler bozunduğunda zararlı veya toksik olmayan ürünlere dönüşürler ki bu özellikleri birçok alanda özellikle de biyomedikal kullanımında yaygınlaşmasını sağlamaktadır. Polikaprolakton (PCL), ɛ-kaprolakton monomerinin halka açılması polimerizasyonu yoluyla elde edilen biyo-uyumlu ve biyobozunur alifatik lineer bir polyesterdir. Polikaprolakton yarı kristalin bir polimerdir. Buna ilave olarak, PCL düşük camsı geçiş sıcaklığı (-60 °C) ve kayda değer tokluk değeri sayesindeki işlenebilirliği ile diğer biyopolimerlerle kıyaslandığında üstün özelliklere sahiptir. Ayrıca, amaca yönelik düşük bozunma hızı, birçok çözücü içinde çözünebilme özelliği ve ilaç salınımındaki geçirgenliği polikaprolaktonun diğer avantajları arasında yer alır. Bu tez kapsamındaki amaç, diş implantı olarak saf titanyum altlığı üzerine yapılan mikro ark yöntemiyle gümüş ihtiva eden titanyum oksit tabakasının üzerine biyobozunur PCL kaplanması ile gümüş salınımının geciktirilmesidir. Antibakteriyel bir özellik istenmesinin sebebi, bakterilerin sebep olduğu biofilm oluşumunu engellemektir. Biofilm oluşumu sonucunda enfeksiyon ve iltihaplanma gibi istenmeyen durumlarla karşılaşılır ve bu da implant malzemesinin etkinliğini azaltır. Dahası, iyileşme süreci de uzar. Bütün bu negatif etkileri minimize etmek amacıyla antibakteriyel ajan katkılandırılması gerekir. Daha etkili bir implant elde edebilmek için antibakteriyel etki süresinin uzatılması istendi. Bu amaçla, antibakteriyel ajan ile katkılandırılan implant üzerine bir kaplama yapıldı. Etkili bir implant için önemli bir diğer parametre ise ideal bir altlık malzemesi seçilmesidir. İmplant malzemesi olarak CrCo alaşımları, paslanmaz çelik ve titanyum yaygın olarak kullanılmaktadır. Altlık olarak seçilecek metalin biyo-uyumlu olmasına, kemik ile arasındaki Young's Modulünün birbirlerine yakın olmasına ve korozyon direncinin yüksek olmasına dikkat edilmiştir. Kemik ile implant malzemesinin Young's modulü değerlerinin birbirlerine yakın olması, aşınma, kırılma ve implant malzemesinin gevşemesine neden olan gerilme kalkanı (shield stress) etkisini minimuma indirger. Ayrıca, implant olarak seçilecek altlık malzemesinin düşük yoğunluğa sahip bir metal olması istenir. Bunun sebebi, implant olarak kullanıldığı zaman vücutta ilave bir ağırlık oluşturmaktan kaçınılmasıdır. Bu parametreler göz önüne alındığında titanyum en uygun altlık malzemesi olarak belirlenmiştir. Sonraki aşama, titanyum metali üzerine mikro-ark oksidasyon (MAO) yöntemi ile porlu bir yapıya sahip titanyumoksit tabakası elde edilmesidir. Mikro ark oksidasyon tekniği, elektrolit çözelti içerisine daldırılmış altlık olarak kullanılan anot numuneye negatif voltaj, katoda ise pozitif voltaj uygulanmasıyla anot üzerinde ark oluşturulması ve altlık malzemesinin yüzeyinin oksit kaplanması olarak tanımlanabilir. SEM sonuçlarına bakıldığında, mikro ark oksidasyon yöntemi ile kontrollü ilaç salınımı için önemli olan porlu bir yapı elde edildiği görüldü. Ayrıca bu yöntemin etkisini incelemek amacıyla MAO uygulanmış ve uygulanmamış saf Ti üzerine polikaprolakton kaplaması yapıldı. Bu numuneler yapay vücut sıvısı içerisinde 1 hafta bekletildi. Bir hafta sonunda optik mikroskop ile yapılan karakterizasyon sonucunda, MAO uygulanmayan saf titanyumun yüzeyine PCL kaplamasının yapışmadığı ve yüzeyden ayrıldığı görüldü. Mikro ark oksidasyon yöntemi, altlığın korozyon direncinin ve kaplama ile altlık arasındaki yapışmanın artmasıyla sonuçlandı. Mikro ark oksidasyon yöntemi ile doplanan gümüşün yüzeyde dentritik yapılar oluşmasına sebep olduğu görüldü. Ardından, gümüş salınımının geciktirilmesi amacıyla altlığın üzerine kaplamak üzere polikaprolakton çözeltisi hazırlandı. Ancak, PCL'nin bozunma hızının düşük olması gümüş salınımının istenilen sürede gerçekleşmesine engeldir. Bu kapsamda, PCL'nin yavaş bozunumunu hızlandırmak amacıyla katalizör görevi gören %5, 20, 40, 60 ve 80 oranlarında SnCl2 eklendi. Kalay klorürün PCL üzerindeki katalizör etkinliğinin ölçülmesi için PCL pelletleri üzerinde ön bir çalışma yapıldı. PCL pelletleri üzerinde yapılan ön çalışmada kalay klorürün etkili olduğu görüldü. Ancak, kalayın insan vücudu üzerinde olumsuz etkileri olduğu bilinmektedir. Önemli parametrelerden olan minimum toksisite ve yüksek bozunum hızının en uygun değer olduğu oran %5 olarak belirlendi ve gümüş katkılı mikro ark uygulanmış altlık, hazırlanan çözelti ile daldırma yoluyla kaplandı. Kaplanan numuneler çözücünün uzaklaştırılması amacıyla 40 °C' de 12 saat boyunca etüvde tutuldu. Ardından, hazırlanan numuneler SBF (yapay vücut sıvısı) içerisinde vücut sıcaklığı olan 37 °C'de 1-4 hafta bekletildi ve her hafta karakterizasyon yapıldı. Optik mikroskop analizi sonucunda, birinci haftadan başlayarak dördüncü haftaya kadar incelenen yüzeylerde oluşan amorf biyomimetik hidroksi apatitin (HA) belirgin bir şekilde arttığı görüldü. Dördüncü haftaya gelindiğinde, biyomimetik HA'nın miktarının maksimum olduğu ve bunun kemik ile implant arasındaki kemik oluşu için pozitif bir etken olduğu görülmüştür. Yapılan bu çalışma aynı zamanda biyouyumluluğu gösteren bir in vitro karakterizasyon yöntemidir. EDS ve XRD analizleri ile yüzeyde oluşan yapılar belirlendi. PCL kaplanmamış numunelerin XRD ve EDS sonuçlarına bakıldığında, gümüş doplanan ve doplanmayan MAO uygulanmış Ti numunelerinin ortak özellikleri bulundu. Her ikisinde de titanium, anataz, rutil ve kalsiyum titanat pikleri görüldü. Buna ek olarak, gümüş doplanan numunede ekstra pikler görüldü ve yapılan literatür sonucunda bu piklerin Ag2O' ya ait olduğu belirlendi. Ön çalışma sırasında PCL'nin bozunumunu gözlemlemek için GPC analizleri yapıldı ve bu analizler sonucunda SBF içerisindeki PCL pelletlerinin 7. günde %1,5 olan bozunum yüzdesinin 28. günde %22,5 olduğu saptandı. Bu tespitten sonra, PCL' nin %5'i kadar SnCl2 içeren PCL çözeltisi kloroform içerisinde hazırlandı ve ardından bu çözelti Ti-altlığı üzerine ince film olarak daldırma yöntemiyle kaplandı. Kaplanan numunelerin, SBF' in içerisine daldırıldıktan 1-3 hafta sonra XRD analizleri yapıldı. Bu karakterizasyon sonucunda, hidroksi apatit piklerine rastlandı ve gümüş salınımına bağlı olarak Ag2O piklerinde azalma görüldü. Literatürde Ag2O'nun sadece (111) pikinin kararlı olmasının sebebi, gümüş ile oksijenin bağ uzunluğunun kısa olmasına bağlı olarak kovalent bağ etkileşiminin fazla olmasına bağlanmıştır. Kovalent bağ o düzlemin hidrofob olması ile sonuçlanır ve bu da SBF içerisinde kararlı olmasını sağlar. Bu deney çıktılarını destekler nitelikte alınan GPC ve FTIR sonuçlarına göre, 4. haftanın SBF sıvısının içerisindeki PCL ve ε-kaprolakton 1. haftaya göre daha belirgindir. Buna ek olarak, GPC analizi yapılan kaplamanın pellete oranla daha ince olması nedeniyle daha fazla bozunmaya uğradığı tespit edildi. Kalay klorür içeren PCL filminin ilk hafta sonunda % 42.63, 4 hafta sonunda ise % 57.27 bozunduğu görüldü. Optik sonuçlarını destekler nitelikte olan FTIR ile yapılan SBF çözeltisinin analizinde karbonat apatit piklerine rastlandı ki bu BS ISO 23317:2014 standardına göre implantın biyouyumlu olduğunu gösterir. Yapılan bir diğer analiz olan pH değerlerinin değişimleri incelendiğinde ilk gün 7.4 olan SBF solüsyonunun pH değerinin, PCL kaplanmamış numunede 28 gün sonunda 7.99 değerine yükseldiği belirlendi. Bu yükselişin sebebi, kuvvetli bir baz olan hidroksi apatit oluşumuna bağlandı. PCL kaplanmış numunelerin 28 gün sonundaki pH değeri 7.89 olarak bulundu. Numunelerin kaplanmasıyla pH değerinin 7.99 iken 7.89 değerine düşmesi, polikaprolaktonun bozuması sonucu oluşan 6- hidroksi kaproik asit oluşumu olarak belirtildi. Son olarak, atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) analizi ile gümüş salınım miktarı ölçüldü. PCL'nin etkinliğini ölçmek için aynı standartlarda hem polimer kaplanmış hem de kaplanmamış numunelerin atomik absorpsiyon spektroskopisi analizi yapıldı. Yapılan ölçümler sonucunda, kaplanmamış olan numunelerin 1. gün maksimum olmak koşuluyla gün geçtikçe salınım miktarının azaldığı ve 6. gün itibariyle cihazın ölçüm limitinin dışına çıktığı gözlendi. Kaplanan numunelere bakıldığında ise 1. haftadan 4. haftaya gümüş salınımında düzenli bir artış gözlendi. Bunun nedeni, polikaprolakton filminin bozunmasıyla gümüşün salınımının gerçekleşmesidir. PCL kaplanmayan numunelerin 6 günde salınımını yaptığı gümüş miktarı %100 alındığında, PCL kaplanan numunelerin 28 gün sonundaki gümüş salınımı %85 olarak bulundu. Sonuç olarak bu tez kapsamında yapılan bütün karakterizasyon sonuçları SnCl2 içeren PCL'nin hedeflenmiş süre içerisinde gümüş salınımını gerçekleştirdiğini gösterdi.
Özet (Çeviri)
Since biodegradable polymers are obtained from natural sources and are sustainable, their use is increasing day by day. When biopolymers degrade, they turn into harmless and non-toxic products, which makes them widespread in many areas, especially in biomedical use. Polycaprolacton (PCL) is a biocompatible and biodegradable aliphatic linear polyester obtained by ring-opening polymerization of ɛ-caprolactone monomer. Thanks to its low glass transition temperature (-60 ° C) and its remarkable toughness value, PCL has superior properties compared to other biopolymers with its processability. In addition, its low rate of degradation depending on field of usage, its ability to dissolve in many solvents and its permeability to drug release are among the other advantages of PCL. The aim of this thesis is to delay the release of silver by coating biodegradable PCL on the titanium oxide layer containing silver in dental implants. Cr-Co alloys, stainless steel and titanium are widely used as implant materials. Special consideration was paid to chose a base metal which is biocompatible, has a close Young module value with the bone and has a high corrosion resistance. The proximity of the Young's modulus values of the bone and implant material to each other minimizes the shielding effect that causes abrasion and loosening of the implant material. Considering these parameters, titanium has been determined as the most suitable base material. The next step is to obtain a porous titanium oxide layer on titanium metal by micro-arc oxidation (MAO) method. Micro-arc oxidation technique can be defined as creating an arc on the anode by applying negative voltage to the anode sample used as the base immersed in the electrolyte solution and positive voltage to the cathode, and then oxide coating of the surface of the base material. A porous structure, which is important for controlled drug release, was obtained by MAO. In addition, with this method, the corrosion resistance of the base and the adhesion between the coating and the base were increased. After that, in order to delay the silver release, the PCL solution was prepared to coat the base. Due to the slow degradation of PCL, SnCl2, which acts as a catalyst, was added at the rates of 5, 20, 40, 60 and 80% of PCL. The optimum rate for minimum toxicity and high degradation, two the most important parameters, was determined as 5 % and the base was coated with the prepared solution by using dipping method. The prepared samples were kept in SBF (simulated body fluid) at 37 °C, normal body temperature, for 1-4 weeks and characterization was performed every week. As a result of the characterization performed by optical microscope, it was observed that MAO significantly increased adhesion. Another result obtained from optical microscopy analysis is that starting from the first week to the fourth week, formation of amorphous biomimetic HA increased significantly on the examined surfaces. By the fourth week, the maximum amount of amorphous biomimetic HA was observed and this was a positive factor for the formation of bone between the bone and the implant. This study is also an in vitro characterization method. Moreover, a very bright image of the biomimetic HA caused the optical microscope figure to be unclear. In SEM analysis, it was seen that the Ti bases had a porous structure at the end of the silver-free MAO method, but the silver-doped sample formed dendritic structures. The structures formed on the surface were determined by EDS and XRD analysis. During the preliminary study, GPC analysis were performed to observe the degradation of PCL, and as a result of these analysis, it was found that the degradation percentage of PCL pellets in SBF was 1.5% on the 7th day and 22.5% on the 28th day. After this determination, PCL solution containing 5% SnCl2 of PCL was prepared in chloroform and then this solution was dipped as a thin film on the Ti-base. According to the GPC and FTIR results, which support the results of this experiment, the PCL and ε-caprolactone in the SBF fluid of the 4th week are more distinct than the 1st week. In addition, it was found from GPC analysis that the coating was thinner than the pellet, and therefore degraded more. Carbonate apatite peaks were found in the analysis of the SBF solution made with FTIR, which indicates that the implant is biocompatible according to the BS ISO 23317: 2014 standard. The amount of silver release was measured with the help of the last characterization, Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) analysis. In order to measure the effectiveness of PCL, AAS analysis of both polymers coated and uncoated samples were performed under the same conditions. At the end of the measurements, it was observed that the maximum amount the release of uncoated samples was on the first day and it decreased day by day and by the 6th day it reached the values below the reading limit of the device. Therefore, measurement could not be made after the 6th day. Looking at the coated samples, a steady increase in silver release was observed from the 1st week to the 4th week. As a result, all characterization results showed that PCL containing SnCl2 released silver within the targeted time.
Benzer Tezler
- Structural and optical properties of modified titanium dioxide based films prepared by sol-gel dip-coating
Sol-jel daldırma yöntemi ile hazırlanan modifiye titanyum dioksit tabanlı filmlerin yapısal ve optik özellikleri
HOUMAN BAHMANI JALALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Saf ve katkılı TiO2 filmlerin optik, yapısal ve fotoaktivite özellikleri
Optical, structural and photoactivity properties of TiO2 films
EBRU DEVRİM ŞAM
Doktora
Türkçe
2007
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN
PROF.DR. Z. FATMA TEPEHAN
- Titanyum dental implantlar için gümüş nanoparçacık katkılı hidroksiapatit kaplamaların (AgNP/HAP) üretimi, uygulanması ve karakterizasyonu
Production, application and characterization of silver nanoparticle doped hydroxyapatite coatings (AgNP/HAP) for titanium dental implants
ARDA ÜÇOK
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP TUTUMLU
- Soy olmayan dental alaşımlara uygulanan farklı yüzey kaplama materyallerinin yüzey özelliklerine ve mikrobiyal yapışmaya etkisi
The effect of different surface coating materials applied to non-noble dental alloys on surface characteristics and microbial adherence
ÖZLEM ÇÖLGEÇEN
Doktora
Türkçe
2011
Diş HekimliğiErciyes ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT KESİM
- Gümüş ile katkılanmış tio2 ince filmlerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabri̇cati̇on and characteri̇zati̇on of si̇lver dopi̇ng tio2 thi̇n_fi̇lms
BURÇİN TAÇ