Bakır ve stronsiyum katkılı biyoaktif cam numunelerinin kristalizasyon kinetiğinin incelenmesi
Inspection of copper and stronsium added bioactive glass samples' crystallization kinetic
Yazar: VAHİDE HOCAOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Tıbbi uygulamalarda belirli özellik ve fonksiyonlar gerektiren malzemelere ihtiyaç duyulur ve bu malzemeler "biyomalzemeler" olarak adlandırılırlar. Biyomalzemelerin etkili bir şekilde kullanılabilmeleri için, kullanıldığı yere göre uyumlu mekanik özelliklere sahip olmaları, zehirli veya kanserojen etki veya tepkime meydana getirmemeleri (biyouygunluk), vücut sıvısı içerisinde korozyona dayanıklı (biyoinert) olmaları gerekmektedir. Biyomalzemeler; metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler olarak gruplandırılmaktadır. Vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması amacıyla kullanılan seramikler, "biyoseramikler" olarak adlandırılmaktadır. Biyoseramikler, polikristalin yapılı seramik (alümina ve hidroksiapatit), biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler veya biyoaktif kompozitler (polietilenhidroksiapatit) şeklinde hazırlanabilmektedir. Biyoaktif camlar, bileşiminde sodyum, kalsiyum ve fosfat bulunan silikat camlarıdır. Biyoaktif cam-seramikler ise, tıbbi amaçlarla kullanılmak üzere tasarlanan ve doku ve/veya kemiklerle tepkimeye girerek kuvvetli bağlar oluşturan, kullanım alanı özelleşmiş, kristallenmeye uygun camların kontrollü kristalizasyonu ile üretilen çok kristalli biyomalzemelerdir. Kontrollü kristalizasyon ile camın yapısındaki gerilimlerin ortadan kalkması, kristal yapının meydana gelmesi ile kristal bir hal olması malzemenin mekanik özelliklerini iyileştiren önemli bir etmendir. Böylece biyoaktif camların başlıca dezavantajlarından olan amorf yapıya sahip olmaları, iki yönlü cam ağından kaynaklanan mekanik zayıflıkları ve kırılma toklukları gibi özellikler geliştirilebilmektedir.
Cam-seramik üretiminde amaçlanan, uygun bir kompozisyon ve proses seçmek, ardından da kararlı bir cam oluşturmak ve bu işlemi takiben camı, orijinal cam özelliklerinden çok daha iyi özelliklere sahip mikrokristalin seramiğe dönüştürmektir. En önemli amaç, mekanik dayanımı daha yüksek değerlere çıkarmak ki bu amaca ulaşmak, ince taneli mikroyapının oluşturulması ile gerçekleşir. İstenen özellikte cam-seramik elde etmek için en önemli parametreler, ısıl işlem prosesinde seçilecek olan değişkenlerdir. Isıtma hızı, zaman ve sıcaklık, ortalama kristal boyutunu, kristalin hacim fraksiyonunu, camsı fazı ve kristal çeşidini etkilemektedir. Bu nedenle, ısıl işlem programının belirlenmesi, cam-seramik malzemelerin üretilmesinde en önemli aşamadır. Diferansiyel termal analiz (DTA), camın kristalizasyonunun incelenmesinde yaygın olarak kullanılan, hızlı ve uygun bir yoldur. Diferansiyel termal analiz yönteminin temeli, ısıl açıdan inert bir madde ile analizi yapılacak numunenin kontrollü olarak ısıtılan ya da soğutulan bir ortamda aynı sıcaklık değişimine maruz bırakıldıklarında aralarında oluşan sıcaklık farkının kaydedilmesine dayanmaktadır
Biyoaktif camların, kemik uyarıcı özelliklerini geliştirmek için kimyasal bileşimlerine çeşitli iyonların katıldığı bilinmektedir. Hem kemik hücrelerinin oluşumunu artırıcı özelliklerinin bulunması hem de kalsiyuma benzer yük ve iyonik çapa sahip olduğundan cam bileşimine kolaylıkla dahil edilebilmesi nedeniyle, bu çalışmada stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif camların kristalizasyon kinetiği incelenmiş ve biyoaktif cam ile üretilen biyoaktif cam-seramik numunelerin biyoaktiflik özellikleri belirlenmiştir.
Bu çalışmada; DTA (Diferansiyel Termal Analiz) yöntemi kullanılarak %45 SiO2, %24.5 Na2O, %6 P2O5, %2 SrO ve %22.5 CaO ile %45 SiO2, %24.5 Na2O, %6 P2O5, %0.5 CuO ve %24 CaO  ağırlık yüzdelerindeki biyoaktif cam numunelerinin  kinetik davranışları  izotermal ve izotermal olmayan yöntemlere göre incelenmiştir.
İzotermal yöntemde, cam numuneleri hızlıca ısıtılır ve camsı geçiş sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta tutulur. Kristalizasyon sabit sıcaklıkta gerçekleşir. İzotermal olmayan yöntemde ise, cam numuneleri sabit ısıtma hızında ısıtılır ve termal analiz boyunca çekirdeklenme ve kristallizasyon gerçekleşir. Biyoaktif cam numunelerine izotermal ve izotermal olmayan yöntemler uygulanarak, stronsiyum ve bakır iyonlarının aktivasyon enerjisi ve kristalizasyon mekanizması üzerine etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır. DTA yöntemi kullanılarak biyoaktif cam numunelerinin optimum çekirdeklenme sıcaklık ve süreleri belirlenmiştir. Optimum çekirdeklenme sıcaklık ve sürelerinde gerçekleştirilen ısıl işlemler ile biyoaktif cam-seramik üretimi gerçekleştirilmiştir.
İzotermal olmayan yöntemde Kissinger, Matusita-Sakka ve Ozawa yöntemleri kullanılmıştır. Bu amaçla, stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif cam numuneler agat havanda öğütüldükten sonra eleme işlemi ile 1-1.4 mm boyutları arasındaki tanecikler elde edilmiştir. Yaklaşık 4 mg'lık numuneler tartılarak stronsiyum katkılı biyoaktif cam için 10, 15, 20, 25, 30 K/dakika; bakır katkılı biyoaktif cam için 10, 15, 20, 25, 30 K/dakika'lık ısıtma hızlarında DTA analizi gerçekleştirilmiştir. 
İzotermal yöntemde, Johnson-Mehl-Avrami (JMA) yöntemi kullanılarak cam numunelerinin, kristalizasyon aktivasyon enerjisi ve kristalizasyon mekamizması belirlenmiştir. Bu yöntemde cam numuneleri, optimum çekirdeklenme sıcaklığına kadar 20 K/dakikalık ısıtma hızıyla ısıtılmış ve bu sıcaklıkta optimum çekirdeklenme süresi boyunca bekletilmişlerdir. Çekirdeklenme işlemi DTA içerisinde tamamlanan numuneler, çekirdeklenme ve krsitalizasyon pik sıcaklıkları arasında kalan sıcaklıklara 20 K/dakikalık ısıtma hızı ile ısıtılmış ve bu sıcaklıklarda numunelere 15, 30 ve 60 dakika süre ile ısıl işlem uygulamıştır. Daha sonra sıcaklık kristalizasyon sıcaklığına yükseltilmiş ve numuneler DTA içerisinden çıkarılmıştır. 
Kissinger, Matusita-Sakka ve Ozawa denklemlerinden, DTA sonuçları yardımı ile aktivasyon enerjisi ve n değeri hesaplanmıştır.  Stronsiyum katkılı biyoaktif cam numunesi için n değeri ~2, bakır katkılı biyoaktif cam numunesi için n değeri ~3 olarak bulunmuştur. Elde edilen n değerlerine göre, her iki biyoaktif camda hacim kristalizasyonunun gerçekleştiği ancak, stronsiyum katkılı biyoaktif camda iki boyutlu kristal büyümesi oluşurken, bakır katkılı biyoaktif camda ise üç boyutlu kristal büyümesi meydana gelmiştir. Stronsiyum katkılı biyoaktif camın aktivasyon enerjisi değerleri Matusita-Sakka denkleminden 327.7 kJ/mol; Kissinger denkleminden ise 304.1 kJ/mol olarak hesaplanmıştır.  Bakır katkılı biyoaktif cam için aktivasyon enerjisi, Matusita-Sakka metodu uygulandığında 236.3kJ/mol; Kissinger metodu uygulandığında 263.2 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Matusita-Sakka ve Kissinger yöntemlerinden elde edilen sonuçlar birbirini desteklemektedir.  Bakır katkılı biyoaktif camın aktivasyon enerjisinin, stronsiyum katkılı biyoaktif cama göre daha düşük olması bakır katkısının çekirdeklendirici özellikte olduğunu, dolayısıyla kristalizasyonun daha düşük enerji ile meydana geldiğini göstermektedir. İzotermal ve izotermal olmayan yöntemler ile bulunan aktivasyon enerjisi ve Avrami sabiti değerleri her iki biyokaktif cam numunesi için de deneysel hata sınırları içerisinde birbirlerine oldukça yakın çıkmıştır. Bu sonuç, her iki yöntemin de doğruluğunu göstermektedir.
DTA çalışmaları sonucunda, stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif cam numunelerinin optimum çekirdeklenme sıcaklığı, optimum çekirdeklenme süresi ve kristalizasyon sıcaklığı değerleri belirlenmiştir. Camın tavlanması, çekirdeklenme ve kristal büyüme sağlanması amacıyla uygulanan ısıl işlemlerde, cama uygulanan DTA sonucunda elde edilen optimum çekirdeklenme sıcaklığı (Tç) ve süresi ile kristalizasyon (Tp) sıcaklıkları esas alınmıştır. Isıl işlemler sırasında biyoaktif cam numunelerine tavlama işlemi uygulanmıştır. Camda oluşan iç gerilmeleri gidermek amacıyla gerçekleştirilen tavlama işlemi, numunelerin yaklaşık 673 K sıcaklıkta 2 saat süreyle fırında bekletilmesi şeklinde gerçekleştirilmiştir. Kristal büyüme işlemi sırasında, kristallenmenin tam olarak gerçekleşebilmesi için, kristalizasyon sıcaklığı DTA ile tespit edilen sıcaklığın yaklaşık 10 K üzerinde alınmıştır. Stronsiyum katkılı biyoaktif cam numuneleri muffle tipi fırın içerisinde, çekirdeklenme işlemi için 833 K'de 120 dakika, kristal büyüme işlemi için ise 1059 K'de 30 dakika bekletilmiştir. Bu koşullarda gerçekleştirilen ısıl işlemler sonucunda üretilen biyoaktif cam-seramikler, fırın içerisinde tutularak soğumaya bırakılmıştır. Aynı işlem; bakır katkılı biyoaktif cam numuneleri için, çekirdeklenme işleminde 808 K ve 150 dakika, kristal büyüme işleminde ise 991 K ve 30 dakika olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. 
Ayrıca, belirlenen optimum ısıl işlem sonuçları ışığında üretilen stronsiyum ve bakır katkılı cam-seramik numunelerinin yapay vücut sıvısı içinde bekletilerek, vücut içindeki davranımları belirlenmiştir. Biyoaktif cam seramiğin; kristal yapısı XRD (X-Işınları Difraksiyonu), mikro yapısı ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Aynı zamanda biyoaktif cam seramiğin yapay vücut sıvısı içindeki davranışının incelenmesi ile biyoaktiflik özellikleri belirlenmiştir. 
Stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif cam-seramik numunesinin SBF öncesi ve SBF içerisinde 1, 7, 14, ve 28 gün süreyle bekletilen numunelerin XRD sonuçları  incelenmiştir. Stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif cam-seramik numunesinin kristalin yapısının combeite fazlarını içerdiği belirlenmiştir. Biyoaktif camların ısıl işlem görmesi sonucunda elde edilen cam-seramikte combeite fazı oluşmuştur. Bu sonuç, stronsiyum ve bakır katkısının biyokatif cam-seramiğin kristalin yapısını değiştirmediğini göstermektedir. HA kristalin yapısı bakır ve stronsiyum katkılı biyoaktif camın XRD difraktogramlarınde tespit edilememiştir, HA tabakasının varlığını gösterecek pikin, combeite pikininin içinde kaybolduğu sonucuna varılmıştır.
Biyoaktif cam-seramiklerin mikroyapısı SEM yardımıyla incelenmiştir. Stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif cam-seramik numuneleri yapay vücut sıvısında bekletilmeden önce kristalin bir yapıya sahiptir. Stronsiyum ve bakır katkılı biyoaktif cam-seramik numunelerinin 28 gün süreyle SBF içerisinde bekletilmesiyle, yüzeylerinin beyaz halde görülen homojen bir hidroksiapatit tabakası ile kaplandığı tespit edilmiştir.
Yapılan çalışmalar sonucunda; biyoaktif camların kristallenmeye uygun malzemeler oldukları ve ICP analizi uygulanarak bu camlardan üretilen biyokatif cam-seramiklerin biyokatiflik özellikleri ve optimum oranda Sr2+ ve Cu2+ iyon salımları nedeniyle, doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabilecek özelliğe sahip malzemeler oldukları belirlenmiştir.

Abstract:
In medical applications, materials which require specific property and functions are needed and these materials are named as biomaterials. In order to use biomaterials in an effective way they should have consistent mechanical properties depending on where they are used and should prevent any toxic/cancer effects or reactions to occur (bioavailability), apart from these they should resist against corrosion in body fluid (bioinert).  Biomaterials are grouped as metals, ceramics, polymers and composite materials. Ceramics which used for the repair, restructuring and replacing of damaged or lost functioned parts are called "bioceramics". Bioceramics may be prepared as polycrystalline ceramics (alumina and hydroxyapatite), bioactive glass, bioactive glass ceramics and bioactive composites (polietilenhidroksiapatit) form. The bioactive glasses are silicate glasses made of sodium, calcium and phosphate. The bioactive glass ceramics as multi crystallized biomaterials, designed to be used for medical purposes which react with tissues and / or bones for forming strong bonds with  privatized end usages, are produced with controlled crystallization of appropriate glasses. Strength in the glass structure is removed by controlled crystallization. One of the disadvantages of bioactive glass is amorphous structure. Crystal structure is the most important feature for improving mechanical properties. Mechanical weakness originating from two way web and broken toughness can be developed by this way.
Aim of glass-ceramic production is to determine the suitable composition and process, afterwards to perform stable glass and converting this glass to microcrystalline ceramic which has better properties than original form. Improving mechanical strength is the most important purpose. Micro structure with fine particle generates for developing the mechanical strength. Most important parameters of constituting of glass ceramic are thermal process variables. Heating rate, time, temperature effect to average crystal size, crystal volume fraction, glass phase and type of crystal. Because of this reason determining the thermal operation process is the most important stage for production of glass-ceramic. DTA is very common and fast way for examining the crystallization of glass. The base of DTA is  recording the differences of temperature with thermal inert material and sample during the controlly heating and colding process.
Various ions are added to bioactive glass for improving bone-activated features. At this study strontium and copper ions' crystallization kinetic was examined and bioactivity was determined because of increasing bone-cell constituting and having similar weight and ion radius like calcium in order to involve in glass composition.
In this study, by using DTA (Differential Thermal Analysis) method bioactive glass samples in weight percentages of 45% SiO2, 24.5% Na2O, 6% P2O5, 2% SrO ve 22.5% CaO ile 45% SiO2, 24.5% Na2O, 6% P2O5, 0.5% CuO were examined by isothermal and non-isothermal methods.
At isothermal method, glass samples are heated fast and waited above the glass transition temperature. Crystallization occurs at stable temperature. At non-isothermal method glass samples are heated at stable heating rate, nucleation and crystallization occur during the thermal analyse. Strontium and copper ions effect to activation energy and crystallization mechanism were determined with isothermal and non-isothermal method. Optimum nucleation temperature and time of bioactive glass samples were determined with DTA method. Biaoctive glass production happened with thermal process that occured at optimum nucleation time and temperature. 
Kissinger, Matusita-Sakka and Ozawa methods are used at non-isothermal method. For this reason stronsitum and copper added bioactive glass samples were grinded and eliminated. End of this process 1-1.4 mm sized particles are obtained. Almost 4 mg glass samples were weighed and DTA analysis is done with 10, 15, 20, 25, 30 K/min heating rate for strontium added bioactive glass and 10, 15, 20, 25, 30 K/min heating rate for copper added bioactive glass. 
Glass sample's crystallization activation energy and crystallization mechanism are determined with JMA at isothermal method. At this method, glass samples were heated to optimum nucleation temperature with 20 K/min heating rate and were waited at this temperature as nucleation time. The glass sample that nucleation process is completed, was heated with 20 k/min heating rate to between nucleation and crystallization peak temperature. Also thermal process was applied as 15, 30, 60 min. After that, temperaure was increased to crystallization temperature and the samples were removed from DTA.
From Kissinger Matusita-Sakka and the Ozawa equations, the activation energy of bioactive glass samples and value of n were calculated with the aid of DTA results.  For Strontium-added bioactive glass sample n value was around 2, whereas value for the copper-added bioactive glass sample was found around 3. According to the obtained values of n, volume crystallization was occurred for both of bioactive glasses, but two-dimensional crystal growth  was performed in strontium-added bioactive glass whereas three-dimensional crystal growth occurred in copper-added bioactive glass. The activation energy of bioactive glass that strontium-added is calculated as 327.7 kJ/mol from Matusita-Sakka equaiton and 304. 1 kJ/mol from Kissenger equation. . The activation energy of bioactive glass that copper-added is calculated as 236.3.7 kJ/mol from Matusita-Sakka equation and 263.2 kJ/mol from Kissenger equation. The results that evaluated from the Matusita-Sakka ve Kissinger equations support each other. Nucleated feature of strontium-added bioactive glass is more than copper-added one. This situation shows that crystallization occur with lower energy so activation energy of bioactive glass that copper-added is lower than strontium-added bioactive glass. Avrami constant values that evaluated with isothermal and non-isothermal methods are close to each other and in the limits of experimental errors. This result shows that accuracy both of the methods. 
Optimum nucleation temperature, time and crystallization temperature were determined with result of these operations for strontium and copper added glasses. Base on optimum nucleation time, temperature and crystallization temperature at all the thermal processes for providing nucleation, crystal growing and heat-treat of glass. Heat-treatment is applied during the process for removing internal strength. At this study samples were waited at 673 K and 2 hours in the oven. Crystallization temperature is determined as over 10 K than the temperature that is defined from DTA for completing the crystallization. Strontium added bioactive glass samples were waited in muffle type oven at 833 K and 120 min for crystallization, at 1059 K and 30 min for growing the crystal. After that bioactive glass samples were allowed to cool. Same process is occured for copper added bioactive glass at 808 K and 150 min for crystallization, 991 K and 30 min for growing crystal.
Also bioactive glass ceramic is produced with optimum thermal operations and its crystal structure is examined with XRD (X-Ray Diffraction) whereas micro structure is examined with scanning electron microscope (SEM). At the same time bioactivitiy properties are determined with examining of bioactive glass behaviour in the simulated body fluid.
Strontium doped and copper doped bioactive glass-ceramic samples' XRD results that belong to before simulated body fluid. and after simulated body fluid as 1, 7, 14, 28 days were examined. Both of samples' crystalline structure included combeite phase. Combeite phase occured at bioactive ceramic because thermal process of bioactive glass. This result shows that addition of strontium and addition of copper don't change the crystalline structure of bioactive glass ceramic. Hydroxyapatite crystalline structure weren't determined at XRD  results of strontium doped and copper doped bioactive glasses. It was concluded that peak to show the presence of hydroxyapatite layer, dissappeared in combeite peak.
Bioactive glass ceramics microstructures were examined with SEM. Strontium doped and copper doped bioactive glass ceramic samples had crystalline structure  before waiting simulated body fluid. After waiting 28 days in simulated body fluid, identified that their surfaces were covered by white, homogenous hysroxyapatite layer.
 This study clearly shows that: Bioactive glasses produced during the experiment are suitable for crystallaziation. These bioactive glasses have convenient properties to be used in tissue engineering because of their biaoctivity features, optimum Sr2+ and Cu2+ ion emiting.