Metalik damar stentlerinde restenoz riskini azaltıcı ve doğal endotelizasyon hızlandırıcı yenilikçi kaplamalar
Innovative coatings for bare metallic vascular stents for reduction of restenosis and acceleration of natural endothelization
Yazar: ÇAĞATAY YELKARASI
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Anodik oksidasyon = Anodic oxidation ; Endotelinler = Endothelins ; Metal kaplama = Metal coating ; Metalik malzemeler = Metallic materials ; Yüzey kaplama yöntemleri = Surface coating methods

Özet:
Günümüzde, çıplak (kaplamasız) metalik stentlerin en büyük sorunlarından birisi stentleme yapılan bölgenin tekrardan tıkanmasıdır (restenoz). Bu çalışmada, nano boyutlarda desenlere sahip yüzeylerin canlı hücreler ile etkileşimleri üzerine yapılan son araştırmalara dayanarak, kardiyovasküler stent yüzeyleri üzerinde nanodesenler oluşturarak restenoz risklerinin azaltılabileceği fikri ortaya çıkmıştır. Buradan hareketle biyouyumluluğu kanıtlanmış titanyum ve zirkonyum metalleri, 316 LVM paslanmaz çelik altlıklar üzerine, elektron demeti ile buharlaştırma (EDB), katodik ark (KAFBB) ve manyetik alanda sıçratma (MAS) temelli fiziksel buhar biriktirme yöntemleri ile çeşitli morfolojilerde kaplanmış ve bu yüzeyler üzerinde nanodesenler oluşturulması amacı ile çeşitli ardıl işlemler yapılmıştır.
Öncelikle, EDB ile eğik ve şekilli titanyum ve zirkonyum filmleri, doğrudan nanoyapılı olarak 316 LVM paslanmaz çelik üzerine kaplanmıştır. Ancak, plastik deformasyona tabii tutulduklarında bu kaplamaların yüzeyden döküldüğü görülmüştür. Nano yapıların tabana yapışma özelliklerinin geliştirilmesi amacı ile yapılan ısıl işlemlerin de kaplama stabilitesinin yeterli düzeyde artıramadığını gösterilmiştir. Kaplamaların ısıl işlem öncesi ve sonrası kan uyumuna sahip olmadığı, ek olarak yapılan oksijen plazması işleminin de bu durumu değiştirmediği görülmüştür.
KAFBB yöntemi ile titanyum ve zirkonyum kaplanan 316 LVM numunelerinde ise yüzey homojenliğini bozan makro parçacık oluşumları görülmüştür. Yüzeyde nanoyapıların oluşması ve bu makro parçacıkların dökülmesi için kaplı numuneler farklı parametrelerle anodizasyon işlemlerine tabi tutulmuştur. Anodizasyon sonucunda nanoyapıların oluştuğu görülmüş, ancak makro parçacıkların dökülmediği gözlenmiştir. Takiben yapılan ultrasonikasyon işleminin de bu makro parçalıkların dökülmesinde başarısız olduğu görülmüştür.
Son olarak, MAS yöntemi ile kaplama denemeleri yapılmış ve sonuç olarak oldukça homojen titanyum kaplamalar elde edilmiştir. Titanyum kaplanmış 316 LVM paslanmaz çelikler üzerinde nanoyapıların elde edilmesi amacı ile anodizasyon işlemi yapılmış ve işlem sonucu elde edilen gevrek TiO2 nanotüp/nanopor yapısının plastik deformasyon altındaki mekanik dayanımlarının oldukça düşük olduğu görülmüştür.  Bu sebeple, nanotüplü bölgeler ultrasonikasyon işlemine tabi tutulmuş ve nanotüpler yüzeyden uzaklaştırılmıştır. Ultrasonikasyon işleminin ardından oksit katmanının yüzeyden uzaklaştırılmasıyla, altta kalan metalik yüzey üzerinde kesik küreler şeklinde, 100 nm çap ve 20 nm derinliğinde sahip desenlerin oluştuğu görülmüştür. 500 nm kalınlığındaki bu nanodesenli metalik kaplamanın en üst yüzeyinde 5 nm kalınlığında TiO2 ve florlanmış titanyum olduğu tespit edilmiştir. Eğme testi sonucunda, bu nanodesenli yapının mekanik dayanımlarının nanotüplü bölgeden çok daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Mekanik olarak stabil olduğu kanıtlanmasının ardından bu nanodesenli numunelere, proje ortağımız Josef Stefan enstitüsü ile ortak olarak, biyouyumluluk testleri (MTT ve kan uyumu deneyleri) uygulanmıştır. Ek olarak, bu numunelere oksijen plazma işlemi yapılarak florlanmış titanyum tabakasının üst yüzeyden uzaklaşması sağlanmış ve bu kimyasal değişimin biyouyumluluk üzerindeki etkisi de ek olarak araştırılmıştır. MTT testleri sonucunda; nanodesenli numuneler üzerinde endotel hücrelerinin çoğalma hızının arttığı, restenoza sebep olan düz kas hücrelerinin çoğalma hızının ise yavaşladığı gözlenmiştir. Oksijen plazma işleminin ise, bu etkileri daha belirgin hale getirdiği gözlenmiştir. Nanodesenli bu numunelerin sadece oksijen plazması işleminin ardından kan uyumuna sahip olduğu gösterilmiştir.
Bu tez çalışması sonucunda elde edilen bu yenilikçi yüzey işlemleri ile stentlere uygulanabilecek, ilaç kullanmadan restenoz riskini düşürebilecek, endotelizasyon hızını artırabilecek, pıhtı oluşumunu engelleyen bir kaplama presesi geliştirilmiştir. Aynı zamanda, biyoimplantların biyouyumluluğu artırmak için yapışması yetersiz anodik oksit katmanlarının büyütülmesine gerek olmadığı; benzer boyutlarda nanodesenlere sahip, üzerinde sadece 5 – 10 nm kalınlığında oksit bulunduran yüzeylerin de bu amaç için yeterli olduğu ortaya çıkmıştır.

Abstract:
Relying on recent studies conducted on the positive influence and selectivitiy of nano structured surfaces, we aimed to study the role of these structures on avoiding-decreasing the risk of restenosis for cardiovascular stents. For achieving this aim biocompatible titanium and zirconium metals are deposited on 316 LVM stainless steels with different morphologies using e-beam (EBD), cathodic arc (CAPVD) and magnetron sputtering (MS). Titanium and zirconium films deposited as slanted and spiral form by EBD spalled of the surface during application of plastic deformation, which is an integral part of stent application process. Heat treatment of the samples did not bring a substantial improvement. Accordingly we switched to other PVD methods for nanostructuring of the surfaces that consisted of Ti and Zr deposition with CAPVD and MAS on 316 LVM followed by porous anodization of them using ethylene glycol based electrolytes. However, the coatings produced with CAPVD possesed macroparticles that was not possible to remove during the anodization and following ultrasonication process. By using MAS, smooth surfaces without macroparticles are produced that are porous anodized succesfully. However, the brittle porous anodic oxides on the surfaces cracked and locally peeled during plastic deformation. This problem is solved with the removal of the top brittle oxide with ultrasonication resulting in a nanopatterned titanium surface. These structures did not loose their integrity upon plastic deformation. Biocompability tests consisting of hemocompability, and MTT are applied on these samples. Additionally, samples are also subjected to oxygen plasma treatment for determining its contribution to biocompability. Samples with nanopatterned titanium surfaces are subjected to biocompability tests before and after oxygen plasma treatment. The results revelaed that nanopatterned surfaces showed selectivity towards endothelial cells and oxygen plasma treatment further improved their biocompability. Plasma treatment also necessary for nanopatterned surface to be hemocompatible.
The nanopatterned surfaces obtained in this study comply with the appropriate features for selective vascular cell attachment. According to the studies, the viability of both HACEC and HCASMC, increases without selectivity for nanopore diameters below 35 nm. However, for those between 70 - 100 nm, selectivity towards HCAEC is obtained. We have observed similar vascular cell response using our nanopatterned surfaces with 100 ± 10 nm pore diameters. The higher cell viability of HCAEC compared to HCASMC can be attributed to the morphology of the obtained nanopattern that resembles the natural nanoarchitecture of the internal vessel wall where endothelial cells attach. 
Fluorinated titanium compounds were detected on nanopatterned surfaces after removing nanoporous TiO2 with ultrasonication. However, further improvement of cell viability with oxygen plasma treatment is achieved. This result can be attributed to the restriction of the possible adverse effects of the fluorinated surface that is shielded by the oxide layer formed during oxygen plasma treatment. Our results also showed that the fluorinated Ti-containing nanopatterned surface exhibits better cell viability for HCAEC than those without fluorides, indicating the dominant role of nanopatterning on cell viability even in the presence of a fluorinated layer.
The nanofeatures obtained in this study have significantly lower thicknesses than those in the literature. These results indicate that the main morphological parameter to cell viability is the diameter of the nanofeatures rather than their thickness. Thus, the use of poorly adherent thick coatings, such as TiO2 nanotubes/nanopores, to improve the cell viability of implants is not mandatory. As proposed, nanopatterned metallic titanium with similar diameters covered by a very thin oxide layer can function similarly.
Attaining desired cell viability is not sufficient for the biocompatibility of stents; they should also show the appropriate hemocompatibility properties for stent applications. During contact with blood, the formation of activated platelets is undesired since they induce a high risk for thrombotic reactions. Among the samples investigated in this study, the desired hemocompatibility properties are only attained for oxygen plasma-treated nanopatterned samples. It is well known that titanium can act as a thrombogenic material depending on its surface properties, the desired property for dental and orthopedic implants contrary to cardiovascular stents. Several studies in the literature indicate the positive role of fluorination on the osseointegration and thrombogenic properties of titanium-based orthopedic and dental implants. Therefore, fluorides may induce undesired hemocompatibility for stent applications because of their thrombogenicity, and achieving hemocompatibility with oxygen plasma treatment can be associated with the lack of contact between the fluorinated layer and blood. We have not come across any studies on the possible role of fluorides on hemocompatibility and cell viability for stent applications, and further work is needed to clarify these effects.
To maintain a healthy blood vessel and avoid ISR, the endothelization of the inner layer of the vessel is very important for cardiovascular stent applications. As the preferred proliferation of HCASMC is one of the main reasons for ISR, providing a surface feature that offers improved cell selectivity towards HCAEC is desired. The proposed nanopatterning method gave promising results in this regard. However, hemocompatibility is also crucial for the proper functioning of the stent material; thus, restricting the contact of thrombogenic species (fluorinated-Ti) on the nanopatterned surfaces with blood is also needed. Oxygen plasma treatment used in this study served successfully for this purpose. An additional benefit of the proposed method is the mechanical integrity of the nanopatterned layer on the stent material under plastic deformation, as cracking and spallation of the oxide layer may lead to undesired biological responses during functioning of the stents.
As a results of this study, a method for synthesizing titanium coatings on stainless steel surfaces with desired morphology and chemistry for stent applications was presented. The method enables the formation of periodical nanopattern thin titanium film on smooth stainless steel substrates. The unique morphology and chemistry are obtained by the four-step procedure, where titanium film is first deposited on the stainless steel surface, followed by anodization, ultrasonication, and oxygen plasma treatment. The anodization enables the formation of nanoporous/nanotubular anodic oxide consisting of titanium oxide and fluorinated titanium. After removing this fragile oxide layer by ultrasonication, a nanopatterned titanium surface with periodical structures of about 20 nm in depth and about 100 nm in diameter is obtained. The diameter of the nanopatterns is in accordance with the sizes of biocompatible nanoporous titanium oxides reported in the literature. When subjected to plastic deformation, these structures retained their shape and integrity compared to the nanoporous oxide-covered surfaces. The results indicate that our unique surface preparation process substantially decreases the cracking and spalling tendency of the surface layer during the implantation of stents. Such a surface morphology in combination with altered surface chemistry and wettability was also beneficial for the adhesion and proliferation of HCAEC.
On the other hand, the adhesion and proliferation of HCASMC were suppressed mainly due to altered surface nano topography. The rapid endothelialization and suppressing the proliferation of smooth muscle cells are crucial for the performance of vascular stents since they prevent thrombosis and restenosis. Furthermore, the activation of blood platelets on the nanopatterned surface is suppressed significantly after oxygen plasma treatment. This effect indicated the role of additional surface features (chemistry and wettability) induced by oxygen plasma as the nanopatterned surface alone did not show a reduction in the number of adhered platelets.