Bilgisayar destekli optimizasyon kullanılarak biyomimetik yaklaşımla elektroforetik depolanan hidroksiapatit/kitosan/kollajen/h-BN biyokompozit kaplamaların mekanik, tribolojik ve korozyon özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the mechanical, tribological and corrosion characteristics of hydroxyapatite/chitosan/collagen/h-BN biocomposite coatings electrophoretically deposited with biomimetic approach using computer-assisted optimization
Yazar: ALİ TOZAR
Danışman: PROF. DR. İSMAİL HAKKİ KARAHAN
Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Ortopedik cerrahide kullanılan biyomalzemeler genelde karmaşık servis ortamlarıyla karşılaşırlar ve bu nedenle çok yönlü performans özelliklerine sahip olmaları istenir. Ti6Al4V alaşımları da son yıllarda ortopedik cerrahide en çok kullanılan metalik biyomalzemedir.  Ancak üstün mekanik mukavemeti nedeniyle birçok biyomedikal uygulamada tercih edilen Ti6Al4V alaşımları vücut sıvısıyla etkileşime girerek korozyona uğrayabilmektedir. Ayrıca kemik implant ara yüzeyinde stresin homojen olarak dağılmamasından kaynaklanan gerilme yığılması ve hareketli bölgelerde kullanılan implantlarda meydana gelen aşınma nedeniyle uygulanan implant tamamen başarısız olabilmektedir. Bu gibi sorunların üstesinden gelebilmek için en uygun girişim, implantın kemiğin mineral yapısını oluşturan Hidroksiapatit ile kaplanması olarak görülmektedir. Ancak hidroksiapatit kaplamada endüstriyel olarak kullanılan plazma sprey yöntemi yüksek sıcaklık koşulları nedeniyle hidroksiapatitin çözünmesine sebep olabilmektedir. Yüksek sıcaklık gerektirmeyen kaplama yöntemlerinde ise hidroksiapatit kaplamaları yeterli mekanik dayanıma sahip olarak üretilememektedir. Bu çalışmada hidroksiapatit kaplamaların mekanik, korozyon ve aşınma (wear) mukavemetlerini geliştirmek ve biyouyumluluklarını arttırmak için doğanın mükemmel konseptlerini kopyalanmaya çalışmak ve doğa model alınarak tersine mühendislik olarak nitelendirilebilecek biyomimetik yaklaşım kullanılmıştır. Hidroksiapatit/kitosan/kollajen/hegzagonal bor nitrür biyokompozit kaplamalar, elektroforetik depolama yöntemiyle Ti6Al4V alaşımları üzerine kaplanmıştır. Üretilen biyokompozit kaplamaların kristalografik yapı, yüzey morfolojisi, kimyasal bağ yapısı, mekanik ve tribolojik özellikleri, korozyon koruma özellikleri, termal davranışları ve in-vitro biyouyum özellikleri açısından incelenmiştir. Ayrıca elektroforetik depolama parametreleri bilgisayar destekli optimizasyon çalışmaları yanıt yüzey metodolojisi yardımıyla gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Biomaterials used in orthopaedic surgery are often encountered with complex service environments and therefore they are required to have versatile performance characteristics. Ti6Al4V alloys are the most commonly used metallic biomaterials in orthopaedic surgery in recent years. However, Ti6Al4V alloys, which are preferred for many biomedical applications due to their superior mechanical endurance, can undergo corrosion when subjected to body fluid. In addition, implant can completely fail, due to stress shielding effect originate from non-uniform distribution of load at the bone implant interface and abrasive wear in implants used in moving areas. The most appropriate intervention to overcome these problems seems to be the coating of the implant surface with hydroxyapatite, which forms the mineral structure of the bone. However, the industrial plasma spray method for hydroxyapatite coating can cause the dissolution of hydroxyapatite due to high temperature conditions. However, in low temperature coating methods hydroxyapatite coatings cannot be produced with sufficient mechanical strength. In this study, to improve the mechanical, corrosion and wear resistance of hydroxyapatite coatings and to increase their biocompatibility, biomimetic approach which could be described as reverse engineering by trying to copy the excellent concepts of nature and taking the nature as a model, was used. Hydroxyapatite/chitosan/collagen/hexagonal boron nitride coatings were produced on Ti6Al4V alloys by electrophoretic deposition method. The crystallographic structures, surface morphologies, chemical bond structures, mechanical and tribological properties, corrosion protection properties, thermal behaviour and in-vitro biocompatibility analysis has been performed to the deposited coatings. In addition, computer-assisted optimization studies of electrophoretic deposition parameters were performed by means of response surface methodology.