Elektriksel kıvılcımla işlemede sinterlenmiş gümüş-hidroksiapatit toz katkılı elektrotların biyolojik uyumluluk üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of sintered silver-hydroxyapatite powder-added electrodes on biological compatibility in electrical discharge machining
Yazar: DAMLA ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. BÜLENT EKMEKCİ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyomedikal uygulamalar = Biomedical applications ; Elektriksel boşalma = Electrical discharge ; Gümüş = Silver ; Kalsiyum hidroksiapatit = Calcium hydroxyapatite ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys ; Topoğrafya = Topography ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Yüzey modifikasyonu = Surface modification

Özet:
Alışılmamış imalat yöntemlerinden biri olan elektriksel kıvılcımla işleme, di-elektrik sıvı içerisinde belirli bir mesafede konumlandırılmış elektrot ile iş parçası arasında ardışık elektriksel boşalımların oluşması ve iş parçasını aşındırması temeline dayanır. İşleme sırasında çok yüksek noktasal sıcaklık değerlerine ulaşılır ( ̴ 20000 K). İşleme sonrasında elde edilecek yüzey özellikleri; elektrot çeşidi, di-elektrik sıvı, darbe süresi, darbe akımı, açık aralık gerilimi gibi çeşitli değişkenlere bağlıdır. Elektriksel kıvılcımla işleme yöntemi, özellikle sert ve karmaşık geometrideki malzemeler ile yüksek sıcaklıklara dayanıklı malzemelerde kullanılmaktadır.
Ti-6Al-4V alaşımı, düşük elastisite modülü, yüksek mekanik özellik ve korozyon direncinden dolayı biyomedikal implant uygulamalarında en çok tercih edilen malzemelerdir. Titanyum malzemenin iyi olan biyouyumlu özelliğinin yanı sıra, içerdiği Al ve V elementleri vücut sıvısı ile uzun süre etkileşimde bulunduğunda iyon salınımına sebep olur ve Alzheimer, nöropati,osteomalazi gibi çeşitli hastalıklara yol açar.  Bu sebeple literatürde farklı fiziksel, kimyasal ve mekanik yöntemler uygulanarak, titanyum alaşımlarının yüzey pürüzlülükleri, topografileri ve kimyasal kompozisyonları değiştirilerek kemik ile implant arasındaki bağlanmanın ve biyouyumluluğun arttırılması ile ilgili çeşitli araştırmalar yapılmıştır.
Bu tez çalışmasında ise, Ti-6Al-4V malzemenin yüksek mekanik özelliği, hidroksiapatitin biyouyumluluğu, gümüşün iletkenliği ve antibakteriyel özelliğinden faydalanılarak, kemiğin yapısına benzer gümüş-kalsiyum-fosfat ile kaplanmış poroz bir yüzey elde edilmeye çalışılmıştır. Yöntem sırasında mikronize gümüş ve hidroksiapatit tozlar farklı oranlarda karıştırılarak toz metalürjisi ile 4 elektrot üretilmiştir. Elektriksel kıvılcımla işleme için gerekli olan di-elektrik sıvı, darbe akımı ve darbe süresi parametreleri belirlendikten sonra, toz metalürjisi ile üretilen elektrotlar kullanılarak deney grupları oluşturulmuştur. 3 farklı darbe akımı, 4 farklı darbe süresinde, saf su içerisinde 39 adet numune işlenmiştir. İşlenen yüzeyler optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve X-ışını kırınım difraktometresi ile detaylı analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, kemiğin yapısını andıran porozlar şeklinde kraterlerden oluşan, gümüş-hidroksiapatit tozları ile zenginleştirilmiş fonksiyonel yüzeylerin elde edilebilmesinin mümkün olduğunu doğrulamıştır. Bu tez çalışmasında elde edilen sonuçlar neticesinde elektriksel kıvılcımla işleme yönteminin ileriye dönük çalışmalar için alternatif bir yöntem olacağı söylenilebilir.

Abstract:
Electrical discharge machining is based on the principle of removing material with the use of consecutive electrical discharges between a work-piece and an electrode placed on a distance in a dielectric liquid. Extremely high-temperature values are achieved during the process ( ̴ 20000K). Surface topographical features generated during the process are depended on the operational parameters such as the electrode type, dielectric liquid, pulse duration, pulse current, and open gap voltage. Electrical discharge machining is widely used in processing hard materials with complex geometries as well as heat-resistant materials.
Ti-6Al-4V alloy is a preferable material for biomedical implant applications due to its low Young's modulus, high mechanical features, and corrosion resistance. It has been noted that Al and V alloying elements release ions when interacted with body liquid for a long period and cause several diseases such as Alzheimer's, neuropathy, or osteomalacia despite the good biocompatibility properties of Ti. Therefore, various studies have been conducted in the literature to enhance the bonding and biocompatibility properties of implant surfaces by applying different physical, chemical, and mechanical methods that change the surface roughness, topography, and chemical composition of titanium alloys surfaces.
In this thesis study, a porous surface coated with silver calcium phosphate similar to the structure of bone has been tried to be obtained by using the high mechanical properties of Ti-6Al-4V material, the biocompatibility of hydroxyapatite, conductivity, and antibacterial properties of silver. Micronized silver and hydroxyapatite powders were mixed in different proportions and 4 tool electrodes were produced by powder metallurgy. Then, experimental groups were planned by using the electrodes produced by the powder metallurgy. 39 samples were electrical discharge machined in pure water dielectric liquid by using 3 different pulse currents and 4 different pulse duration. The surfaces of the samples were analyzed by using optical microscopy, scanning electron microscopy and, an X-Ray diffractometer. The findings suggested the possibility to obtain functional surfaces enriched with silver-hydroxyapatite powders, consisting of craters in the form of pores resembling the structure of the bone. Finally, it has been concluded that the use of powder metallurgy electrodes in electrical discharge machining will be an alternative and promising method for prospective studies.