Şekil hafızalı nikel-titanyum (Niti) ve 316l paslanmaz çelik alaşımların üzerine biyokompozit kaplama analizleri
Biocomposite coating analysis on stainless steel and shape nickel-titanium alloys
Yazar: MEHMET EMİN AKSOY
Danışman: PROF. DR. BÜNYAMİN AKSAKAL
Munzur Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Son yıllarda, insan vücudunda hasar görmüş veya işlevini yitirmiş doku veya organların yerine yapay biyomalzemelerin üretim ve kullanımları önemli oranda artmış ve bu alandaki çalışmalar da tüm hızıyla artarak devam etmektedir. Özellikle hidroksiapatit (HAp), insan iskelet sistemi/kemik HAp ile uyumlu olmasından dolayı yoğun olarak kullanılmaktadır. Ancak, yüksek biyouyum ve yapısal özelliklerine rağmen zayıf mekanik özelliklerinden dolayı HAp, uygulamalarda tek başına kullanımını sınırlamaktadır. Bu nedenle, HAp genellikle metalik implant yüzeylerine kaplanarak veya mekanik özellikleri geliştirmek için bazı takviye malzemelerle birlikte kullanılmakta olup özellikle ortopedi ve dental uygulama alanları vardır. Bu çalışmada, sade-HAp'ın yanında, HAp ve Boron tozları ile birlikte kimyasal ve ısıl işlemlere tabi tutularak ağırlıkça %5, %10 ve %15B-HAp biyokompozitleri elde edilmiştir. Daha sonra, HAp ve B-HAp tozları Elektroforetik biriktirme (EPD) yöntemi ile paslanmaz çelik (316L) ve NiTi altlık malzeme üzerine kaplanmıştır. Dört ayrı grupta farklı kompozisyon ve oranlarda yapılan kaplamalar XRD, SEM ve FTIR analizleri ile karakterize edilmiştir. Ayrıca, kaplı numunelerin adezyon dayanımları ve simule edilmiş vücut sıvısı (SBF) içindeki biyolojik korozyon davranışları test edilmiştir. Yapılan karakterizasyon, analiz ve test sonuçlarına göre; 316L ve NiTi altlıklar üzerine 60, 90, 120 sn süre parametresinde sade-HAp, %5B-HAp, %10B-HAp ve %15B-HAp tozları ile dört gruba ayrılarak yapılan EPD kaplamalar 750 oC'de sinterlenerek mikro gözenekli yapı ve tozlar arası iyi bağ yapıları elde edilmiştir. Her iki altlık malzeme yüzeylerine yapılan kaplamalarda; 316L grubunda 68.2 µm kaplama kalınlığı ile en yüksek adezyon dayanımı (25.8±1.3 MPa) elde edilmiş, NiTi substrate malzemede ise; 51.3 µm kaplama kalınlığında 30±1.7 MPa dayanım elde edilmiştir. Biyokompozit kaplamalarda sinterleme sonrasında taneler arası bağlanmanın (bonding network) yüksek olması adezyon dayanımlarını olumlu yönde etkilediğini göstermiştir. Korozyon testleri sonucunda; 316L numunelerinde kaplama süresi 60 sn'de %15B-HAp kaplanmış numuneleri 316L kaplamasız numunelerine ve diğer sade-HAp, %5, %10 katkılarına göre korozyon dayanımları yüksek çıkmıştır. NiTi numunelerinde kaplama süresi 120 sn'de %15B-HAp kaplanmış numunelerin korozyon dayanımları kaplamasız NiTi, sade-HAp, %10B-HAp, %15B-HAp kaplamalarına göre daha yüksek çıkmıştır. En iyi korozyon direncinin gerek 316L gerekse NiTi numunelerinde %15B-HAp katkılı kaplamalarla elde edilmiştir.

Abstract:
In recent years, the production and use of artificial biomaterials in order to replace the damaged, lost tissues or organs in the human body has increased considerably and studies in this field have been continuing with increasing speed. Particularly hydroxyapatite (HAp), artificial biomaterials with a chemical composition and crystal structure similar to HAp that are naturally present in the human skeletal system are used. Although HAp has desirable biocompatibility and structural properties, due to low mechanical properties limits its use as a stand-alone biomaterial in load resistance applications. For this reason for particular applications in orthopedics and dental fields, HAp is usually coated on metallic implant surfaces or used with some reinforcing materials. In this study, 5%, 10% and 15% B-HAp biocomposites (B-HAp) were syntesized by sol gel method and additional chemical and heat treatment of HAp reinforced with Boron powders. Then, HAp and B-HAp powders were coated by electrophoretic deposition (EPD) method on stainless steel (316L) and NiTi substrates. Coatings excecuted in four different groups with different compositions and ratios, were characterized by XRD, SEM and FTIR analyzes. In addition, the adhesion strengths of the coated implant materials and the biological corrosion behavior in the simulated body fluid (SBF) were tested in comparison with uncoated samples. According to characterization, analysis and test results; EPD coatings on 316L and NiTi substrates are divided into four groups with plain-HAp, 5% B-HAp, 10% B-HAp and 15%B-HAp powders in 60, 90, 120 sec duration parameter and sintered at 750 oC and revealed good bonded structures were obtained in between microporous powders. In the coatings made on both subtrate material surfaces; the highest adhesion strengths were obtained 30±1.7 MPa at 51.3 µm coating thickness in NiTi samples. Through 316L samples, 25.8±1.3 MPa adhesion strength was found at 68.2 µm. The high bonding network found between powders after sintering in biocomposite coatings was shown that has a positive effect on adhesion strengths. As a result of corrosion tests; High corrosion resistance was obtained in B-HAp coated 316L specimens for 15% B additive and 60sec deposition time compared to uncoated samples and other single-Hap coating rates of 5% and 10%. Corrosion resistance in NiTi coated samples was best at 120 sec deposion time at 10% B-HAp and 15% B-HAp coatings and better compared to uncoated ones. The best corrosion resistance was obtained with 15% B-HAp added coatings in both 316L and NiTi samples.