Yeşil kimya yaklaşımıyla sentezlenen nanotaneciklerin metalik yüzeylerde kaplama özelliklerinin incelenmesi
Investigation of coating properties of synthesized nanoparticles with a green chemistry approach on metallic surfaces
Yazar: GİZEM KARABULUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURAY BEKÖZ ÜLLEN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: CuO-Au film sistemi = CuO-Au film system ; Mikroskop = Microscope ; Optik = Optic ; Profilometre = Profilometer ; Yeşil sentez = Green synthesis

Özet:
Metalik biyomalzemelerin, yüzeyinde implantasyon sonrası gerçekleşen reaksiyonları en aza indirgemek, vücut ile uyumunu kolaylaştırmak ve korozyon özelliğini geliştirmek amacıyla çeşitli yüzey iyileştirme işlemleri yapılması gerekmektedir. Biyometalik malzemelerin yüzeyinin nanotaneciklerle (NP'lerle) kaplanarak yeni ve üstün özellikler kazandırılması kullanım alanlarını genişleterek değer kazandırır. Bu konu son yıllarda gerek akademide gerekse endüstriyel araştırmalarda öncelikli alan olarak yer almaktadır. Bu çalışmada, biyomalzeme uygulamalarında yaygın olarak kullanılan 316L paslanmaz çelik ve Ti6Al4V alaşımının antibakteriyel ve antikorozif özelliklerini geliştirmek amacıyla yüzeyleri metal ve metal oksit NP'lerle modifiye edilmiştir. Biyopolimer matrisli gümüş ve bakır oksit NP'ler (Ag NP'ler ve CuO NP'ler) maça çayı özütünün indirgeyici ajan olarak kullanılmasıyla kolay, ekonomik ve çevre dostu şekilde sonokimyasal teknikten yararlanılarak biyolojik yöntem esasıyla sentezlenmiştir. Sentezlenen NP'lerin morfolojik ve fizikokimyasal karakterizasyonu UV-Vis, SEM, TEM, FT-IR, XRD ve XPS yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Ag NP'ler ve CuO NP'ler metalik altlıkların yüzeyine damlatma ve püskürtme yöntemleriyle kaplanmıştır. Kaplanan yüzeyler, SEM, optik mikroskop, profilometre, yüzey pürüzlülük, antibakteriyel aktivite ve elektrokimyasal korozyon testleri ile karakterize edilmiştir. Sentezlenen Ag NP'ler ve CuO NP'ler küresel morfolojide, boyutları 10 nm'nin altında ve homojen dağılımlıdır. Püskürtme yönteminin damlatma yöntemine göre daha etkili bir yöntem olduğu, gerçekleştirilen kaplamalarda NP'lerin daha homojen boyut dağılımı ve kaplama kalınlıkları gösterdiği, yüzeyde aglomere olmadığı belirlenmiştir. Elektrokimyasal korozyon davranışı ve antibakteriyel aktivite incelemelerinde hem Ag NP'lerin hem de CuO NP'lerin altlık malzemelerin korozyon ve antibakteriyel özelliğini iyileştirdiği görülmüştür. Modifiye edilmiş yüzeylerde kaplama ara yüzeyi süreklilik oluşturarak biyomedikal alanlarda kullanılabilecek orta düzeyde yüzey pürüzlülük değerleri elde edilmiştir. Ag NP'ler ve CuO NP'lerle kaplanmış 316L paslanmaz çelik numunelerde gerçekleştirilen kaplamalarda sırasıyla Escherichia coli (E. coli) türüne karşı 22,4 ve 28 mm,  Staphylococcus aureus (S. aureus) türüne karşı 19,6 ve 22,5 mm zon inhibasyon gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, uzun ömürlü, güvenli, uygun maliyetli, kolay uygulanabilir, korozyona dayanım üzerine etkili ve geniş antibakteriyel özelliklere sahip nanomodifiye edilmiş multifonksiyonel özellikli biyokaplamaların uygulanmasına olanak sağlayarak, medikal uygulamalar için potansiyel oluşturmuştur.

Abstract:
The various surface improvement processes are required to minimize the post-implantation reactions on the surface of metallic biomaterials, facilitate their compatibility with the body, and improve their corrosion properties. Coating the surface of biometallic materials with nanoparticles (NPs) gives them new and superior properties, and so expanding their usage areas. This subject has been a priority area in both academia and industrial research in recent years. In this study, in order to improve the antibacterial and anticorrosive properties of 316L stainless steel and Ti6Al4V alloy, which are widely used in biomaterial applications, their surfaces have been modified with metal and metal oxide NPs. Silver (Ag NPs) and copper oxide nanoparticles (CuO NPs) with biopolymeric matrix were synthesized by using the sonochemical technique in an easy, economical and environmentally friendly way by using matcha tea extract as a reducing agent on the basis of biological method. Morphological and physicochemical characterizations of the synthesized NPs were performed by UV-Vis, SEM, TEM, FT-IR, XRD, and XPS methods. Ag NPs and CuO NPs were coated on the surface of metallic substrates by drop casting and airbrush spray techniques. The coated surfaces were characterized by SEM, optical microscopy, profilometry, surface roughness measurement, antibacterial activity and electrochemical corrosion tests. The morphology of synthesized Ag NPs and CuO NPs are spherical, sizes below 10 nm, and are homogeneously distributed. It has been determined that the spray coating method is a more effective method than the drop casting, that the NPs coated with this method show more homogeneous size distribution and coating thicknesses, and do not agglomerate on the surface. In the electrochemical corrosion behavior and antibacterial activity investigations, it was observed that both Ag NPs and CuO NPs improved the corrosion and antibacterial properties of the substrate materials. Moderate surface roughness values that can be used in biomedical fields were obtained by creating a continuity of the coating interface on the modified surfaces. The coated 316L stainless steel substrates with Ag NPs and CuO NPs were zone inhibition was observed against to Escherichia coli (E. coli)  22.4 and 28 mm and against Staphylococcus aureus (S. aureus) 19.6 and 22.5 mm, respectively. This thesis has created a potential for medical applications by enabling the application of nanomodified multifunctional biocoatings with long-lasting, safe, cost-effective, easy-to-apply, effective corrosion resistance and antibacterial properties.