Karbon nano tüp takviyeli biyoaktif seramik tozlarının sentezi, karakterizasyonu ve Ti-6Al-4V alaşımı üzerine kaplanması
Synthesis of carbon nanotube reinforced bioactive ceramic powders and electrophoretic deposition on Ti-6Al-4V alloys
Yazar: CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. CENGİZ KAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hidroksiapatitler = Hydroxyapatites ; Hidrotermal = Hydrothermal

Özet:
Biyomedikal endüstrisinde kullanılmakta olan biyomalzemeler, çeşitli malzemelerden üretilmektedir. Bilinen en eski biyomalzeme; halen günümüzde de kullanılmakta olan metalik malzemelerdir. Bu malzemeler insan vücudunda, çeşitli hastalıklar yada yaralanmalar sonucu işlevini yitiren birçok organ ve dokunun görevini yapacak şekilde farklı uygulamalarda karşımıza çıkmaktadır. Metalik malzemelerin biyomalzeme olarak en yaygın kullanım alanlarından biride protezlerdir. Protez olarak kullanılan malzemeler implant edildiği ortama ve koşullara uyum sağlayabilecek yapıda olmalıdırlar, protezler implant edildiği ortam ile daha iyi bir bağ oluşturabilmesi amacıyla, biyo uyumluluğunun ve biyolojik tutunmanın artırılması için yüzeyleri, biyoaktivitesi yüksek, kararlı bir kaplama malzemesi ile kaplanmaktadır. Protezlerin kaplanmasında yaygın olarak biyoaktif özelliği olan ve vücutla uyumlu olduğu çok iyi bilinen hidroksiapatit (HA) [Ca10(PO4)6(OH)2], biyocam veya değişik kalsiyum fosfatlar içerikli seramik tozları kullanılmaktadır.Yapay olarak üretilen HA seramikler mineralojik ve kimyasal olarak doğal kemiğe benzerdir. HA seramikler bu özelliğinden dolayı yüzeyinde kemik dokusu oluşumuna imkân tanımaktadır. HA seramiklerin biyolojik uyumluluğunun iyi olmasına karşın mekanik özellikleri değişken devirli yüklerin olabileceği ortamlar için yeterli değildir. HA seramiklerin mekanik özellikleri çeşitli katkı malzemeleri ile artırılmaya çalışılmıştır. Karbon nano tüpler (KNT) mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle birçok uygulamada malzemelerin mekanik özelliklerinin artırılması amacıyla kullanılmaktadırlar. Tez çalışmasında metalik protez malzemelerinin yüzeyinin kaplanılmasında kullanılacak biyoaktif tabaka oluşturmak amacıyla HA/KNT den oluşan nano kompozit toz karışımı kullanılmıştır.Nano boyutta HA toz üretimi farklı başlangıç malzemeleri kullanılarak, asit baz yöntemi, yaş çöktürme teknikleri ile nano boyutlu çökeltiler elde edilmiş, bu çökeltiler içerisine KNT'ler ilave edilerek hidrotermal proses ile karıştırılmaya çalışılmıştır. Bu çalışmanın odak noktası KNT'lerin yüzeylerinin fonksiyonelleştirilmesinin hidrotermal metot ile gerçekleştirilmesidir. KNT'lerin yüzeylerinin fonksiyonelleştirilmesinde en yaygın olarak asidik yöntem kullanılmaktadır, nitrik asit ve sülfürik asit karışımından oluşan çözelti ile yüzey fonksiyonelleşmesi gerçekleştirilmektedir. Asidik yöntem KNT'lerin özelliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Asit karışımı içerisine karıştırılan KNT'ler, asitlerin parçalayıcı etkisi nedeniyle yüzeylerinde hatalar ve kopmalar meydana gelmektedir. Bu nedenle kompozit malzeme üretimi için KNT'lerin yapısını bozmayan, yeni bir yüzey fonksiyonlaştırma işlemi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır.Bu tez çalışmasında bilimsel literatürde ilk kez uygulanılan hidrotermal yöntem ile KNT'lerin yüzeyleri fonksiyonelleştirmeye çalışılmıştır. HA nano partiküllerin sentezi ve HA/KNT nano kompozit yapı hidrotermal proses kullanılarak elde edilmiştir. Bu yeni teknik ile asidik modifikasyonun aksine KNT'lerde hasar oluşmamaktadır. Böylece daha ekonomik, çevreci, proses basamakları ve süresi daha kısa olan bir yöntem geliştirilmiştir.Hidrotermal yöntem ile elde edilen HA/KNT nano kompozit karışım Elektro Kinetik Biriktirme (EKB) yöntemi kullanılarak biyomedikal uygulamalarda protez olarak kullanılan metalik alaşımlar üzerine kaplanmışlardır. EKB metodu diğer kaplama tekniklerine göre daha ekonomik, kaplama parametrelerinin kolay kontrol edilebilmesi ve basit düzenekler kullanılarak uygulanabilmesi nedeniyle avantajlı bir kaplama tekniğidir. Yapılan deneysel çalışmalarda kaplama parametreleri değiştirilerek elde edilen kaplamaların özellikleri incelenmiştir. Üretilen HA ve HA/KNT tozları ve kaplama tabakalarının özellikleri çeşitli karakterizasyon teknikleri kullanılarak belirlenmeye çalışılmıştır, ayrıca HA ve KNT'lerin etkileşim mekanizmaları tartışılmıştır.

Abstract:
The materials that are used in biomedical industry are made of several materials. The oldest known biomaterials are the metals that are being used presently. These materials appear in place of the organs or tissues that lost their functionality as a result of injuries or diseases. One of the most common uses of metallic materials as biomaterials is prosthesis. The materials that are used as prosthesis must provide suitability of the environment or conditions that they are implanted. To make a better bonding with the medium that the prosthesis are implanted in and also to increase the biocompatibility and biological grabbing, their surfaces are coated with coating materials which exhibit high bioactivity and stability. The ceramic powders including Hydroxyapatite (HA) [Ca10(PO4)6(OH)2], bioglass and diverse calcium phosphates are commonly used for the coating process of the prosthesis because of their high bioactivity and comprehensively known biocompatibility.Artificially made HA ceramics are similar to bone in terms of their chemical and mineralogical nature. Because of this feature HA ceramics allow bone tissue formation on their surface. Unlike their high biocompatibility their mechanical properties doesn?t meet the demand when variable cycling stresses are involved. There were attempt to increase the mechanical properties of HA ceramic by different additives. Carbon nanotubes are being used in diverse applications because of their excellent mechanical properties to increase the mechanical properties of the materials. In the study of the thesis, to obtain a bioactive coating on the surface of the metallic prosthesis materials, HA/CNT composite powders were used.Nanosized HA powder processing was accomplished by using different starting materials, acid base method, wet precipitation techniques and incorporation of CNTs into these precipitates was done by means of hydrothermal processing. The focus of this study is the functionalization of CNTs with hydrothermal method. The most commonly used technique for the surface functionalization of the CNTs is acidic method in which nitric and sulphric acids are used. Acidic method has a negative effect on the properties of CNTs. Because of the effect of the demolishing ability of acids, there occurred flaws and ruptures on the surface of the CNTs in acid mixtures. Therefore, for the production of composite materials there need to be a new method that is not giving rise to damages on CNTs.In this thesis study, for the first time in the literature, the surface functionalization of CNTs was tried to be achieved by hydrothermal surface functionalization process. The synthesis of HA nanoparticles and HA/CNTs were obtained by means of hydrothermal process. In the present study hydrothermal process was applied to functionalize the CNTs. Unlike acid treatment, the steps of the hydrothermal process are few and also it is economical and environmentally benign method.The HA/CNT nano composite mixture which was obtained with hydrothermal synthesis was coated on metallic alloys by means of electrophoretic deposition. The used alloys are in the class of materials, used in biomedical applications as prosthesis. EPD method is more economical compared to other coating methods. Because of its ease of control over the coating parameters and simplicity of implementation of it by using simple equipment it is an advantageous coating technique. In the experimental studies, by changing coating parameters the obtained coatings properties were investigated. The properties of the produced HA and HA/CNT powders and the coated layers were tried to be confirmed by using different characterization techniques, besides the interaction mechanisms of HA and CNTs were also considered.