Modifiye biyoaktif cam üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of modified bioactive glasses
Yazar: ALKIN ESKİMERGEN
Danışman: PROF. DR. ALİYE ARABACI
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

Özet:
Biyoaktif camlar, biyoseramikler sınıfında yer alan biyoaktif ve biyoemilebilir bir malzemedir. Sahip oldukları özel kompozisyon sebebiyle yüzeylerinde kalsiyum-fosfat bakımından zengin hidroksiapatit (HA) tabakasını oluştururlar. Bu bakımdan yüzey aktif malzeme olarak da tanımlanabilirler.
Biyoaktif camlar yük gerektirmeyen bölgelerdeki (yüz, kulak vb.) kemik kırıklarının tedavisinde, hasarlı kıkırdak dokuların tamirinde, kemik yapısının oluşması için scaffold (iskele) olarak, dolgu malzemesi olarak, kozmetik uygulamalarda, biyoinert malzemelere biyoaktivite kazandırmak için yüzey kaplaması olarak çok geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Bu bakımdan biyoaktif camlar toz, granül, fiber, ince film veya macun formlarında kullanılabilmektedir.
İlk biyoaktif cam örneği Prof. Dr. Larry Hench tarafından 1969 yılında keşfedildi. Vietnam Savaşı'nda askerlerin tedavisinde kullanılan implantlar genellikle metalik veya polimer malzemelerden oluşmaktaydı ve bu malzemeler biyoinertti. Bu malzemelerin dokularla sağlam bağ kuramamasından dolayı implantları vücudun reddetmesi ve ampütasyona yol açmaları en büyük dezavantajlarıdır. Bu soruna çözüm olarak Larry Hench, Na2O-CaO-SiO2-P2O5 sisteminde yüksek kalsiyum (Ca) içeren ve Na2O-CaO-SiO2 üçlü diyagramında ötektik noktaya yakın bir kompozisyona sahip olan bir cam geliştirdi. Ağırlıkça %45 SiO2 %24,5 Na2O %24,5 CaO ve %6 P2O5 içeren bu cama Bioglass (Biyocam) ticari ismi verildi.
Biyoaktif camlar gibi kemik implant malzemelerinin, osteointegrasyon (kemikle bütünleşme) özelliklerinin iyi olması kritiktir. Bu özellikleri iyileştirmek için uygulanan bir yöntem de implant malzemesinin bileşimine bazı iyonların katkılamaktır.
Bu çalışmanın amacı, iyon katkılı lantan ve stronsiyum katkılı modifiye biyoaktif cam numunelerinin üretilmesi ve elde edilen bu numunelerin fiziksel, kimyasal, biyolojik özelliklerinin incelenmesidir. Lantan katkılı silika esaslı biyoaktif camlar literatürde nadiren bulunmaktadır.
Yüksek lisans tezi kapsamında, biyoaktif cam numuneleri klasik ergitme-su verme yöntemiyle sentezlenmiştir. İyon katkısı olarak stronsiyum ve lantan tercih edilmiştir. Toplam 5 tane numune sentezlenmiştir: 45S5 (Biyocam), BG-La1 (%44 SiO2 %24,5 Na2O %24,5 CaO, %6 P2O5 %1 La2O3), BG-La3 (%42 SiO2 %24,5 Na2O %24,5 CaO, %6 P2O5 %3 La2O3), BG- Sr1 (%44 SiO2 %24,5 Na2O %24,5 CaO, %6 P2O, %1 SrO), BG-Sr3 (%41 SiO2 %24,5 Na2O %24,5 CaO, %6 P2O5 %3 SrO). Toz formundaki hammaddeler 10 °C/dk ısıtma hızıyla önce 1000 °C sıcaklığa çıkarılıp bu sıcaklıkta 1 saat, daha sonra yine aynı ısıtma hızıyla 1400 °C sıcaklığa çıkartılarak bu sıcaklıkta 2 saat tutulmuştur. Soğuk suya döküm gerçekleşmeden hemen önce sıcaklık 1450 °C'ye çıkartılarak döküm yapılmıştır. Ayrıca sentezlenen numunelere ek olarak satın alınan 45S5 kompozisyonuna sahip ticari ürünün de karakterizasyonları gerçekleştirilmiş ve sonuçları sentezlenen numuneler ile karşılaştırılmıştır
. Bulgular incelendiğinde, tez çalışması kapsamında sentezlenen ve satın alınan ticari ürünün hepsinin biyoaktivite gösterdiği görülmüştür. Ayrıca stronsiyum iyonunun önemli ölçüde biyoaktiviteyi arttırdığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Bioactive glasses belong to the class of bio-ceramics and are bioactive and bioresorbable materials due to their special composition. They create a rich hydroxyapatite (HA) layer on their surfaces, making them surface-active materials.
Bioactive glasses have a wide range of applications, including the treatment of non-load-bearing areas (such as the face and ears) in bone fractures, repair of damaged cartilage tissues, use as scaffolds for bone regeneration, as a filler material, in cosmetic procedures, and for surface coatings to impart bioactivity to bioinert materials. Therefore, bioactive glasses can be used in various forms, including powder, granules, fibers, thin films, or pastes.
The first example of bioactive glass was discovered by Prof. Dr. Larry Hench in 1969. Implants used in the treatment of soldiers during the Vietnam War were primarily made of metallic or polymeric materials, which were bioinert. The main disadvantage of these materials was their inability to establish a strong bond with tissues, leading to implant rejection and, in some cases, amputation. To address this issue, Larry Hench developed a glass with a composition high in calcium (Ca) in the Na2O-CaO-SiO2-P2O5 system, close to the eutectic point on the Na2O-CaO-SiO2 ternary diagram. This For bone implant materials like bioactive glasses, good osteointegration (integration with bone) properties are crucial. One method used to improve these properties is to introduce certain ions into the composition of the implant material.
The aim of this study is to produce ion-doped lanthanum and strontium-modified bioactive glass samples and to examine their physical, chemical, and biological properties. Lanthanum-doped silica-based bioactive glasses are rarely found in the literature.
Within the scope of a master's thesis, bioactive glass samples were synthesized using the conventional melting-quenching method. Strontium and lanthanum were chosen as ion dopants. A total of five samples were synthesized: 45S5 (Bioglass), BG-La1 (44% SiO2, 24.5% Na2O, 24.5% CaO, 6% P2O5, 1% La2O3), BG-La3 (42% SiO2, 24.5% Na2O, 24.5% CaO, 6% P2O5, 3% La2O3), BG-Sr1 (44% SiO2, 24.5% Na2O, 24.5% CaO, 6% P2O5, 1% SrO), and BG-Sr3 (41% SiO2, 24.5% Na2O, 24.5% CaO, 6% P2O5, 3% SrO). The raw materials in powder form were first heated at a rate of 10°C/min to 1000°C, held at this temperature for 1 hour, and then heated again at the same rate to 1400°C, where they were maintained for 2 hours. Just before casting, the temperature was raised to 1450°C, and casting was performed without quenching in cold water. Additionally, characterizations of the purchased commercial product with a composition similar to 45S5 were performed, and the results were compared with those of the synthesized samples.
Upon examining the findings, it was observed that all samples synthesized and the purchased commercial product demonstrated bioactivity. Furthermore, strontium ions were observed to significantly enhance bioactivity.