Kalsine hayvan kemiği bileşenli camdan biyouyumlu ve işlenebilir nitelikte cam-seramik geliştirilmesi
Development of biocompatible and machinable glass-ceramic from calcined bovine bone component glass
Yazar: NESLİHAN BAŞARAN
Danışman: PROF. DR. AHMET ÇAPOĞLU
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Amorf malzeme = Amorphous material ; Biyomalzemeler = Biomaterials ; Cam seramikler = Glass ceramics ; Hidroksiapatit seramik = Hydroxyapatite ceramic ; Seramik malzemeleri = Ceramic materials ; İşlenebilirlik = Machinability

Özet:
Bu çalışmanın amacı, kalsine hayvan kemiği bileşenli camdan biyouyumlu ve işlenebilir nitelikte cam-seramik malzemeler elde etmektir. Biyouyumluluğu sağlamak amacıyla cam kompozisyonuna hammadde olarak, yüksek miktarda kalsine hayvan kemiği külü eklenmiştir. İşlenebilirliği sağlamak amacıyla ise bünyeye 3 farklı flor kaynağı ilave edilmiştir. LiF, CaF2 ve MgF2 ilavesinin cam-seramiklerin faz bileşimi ve morfolojisi XRD ve SEM/EDS ile karaterize edilmiştir. 7S (LiF), 8S (CaF2) ve 9S (MgF2) kompozisyonlarının kristalleşme ve sinterlenme çalışmaları DTA analizi ve optik dilatometre ile yapılmıştır. Kinetik çalışma sonucunda, kristalleşme için gerekli aktivasyon enerjisi en düşük olan numunenin Cam 8S olduğu tespit edilmiştir. Kristalizasyon mekanizmasını gösteren Avrami parametreleri tüm camlar için 1,0 ile 3,4 değerleri arasında bulunmuştur ve bu sonuç kristallerin 2D ve 3D büyüdüğü anlamına gelmektedir. Camların cam-seramik haline dönüştürülmesi için sinter-kristalizasyon yöntemi kullanılmıştır. Isıl işlem 600-800 °C arasında 5 farklı sıcaklıkta yapılmıştır. Ana faz olarak olarak tüm cam-seramiklerde nefelin, HA ve FA fazları tespit edilmiştir. FA kristallerinin küresel, HA kristallerinin altıgen çubuksu formda ve nefelin kristalleirinin silindirik çubuksu formda olduğu gözlemlenmiştir. Cam-seramiklerin bünyesinde bulunan gözeneklerin boyutları ve gözenek boyut dağılımları hesaplanmıştır. Mekanik çalışmalar için yoğunluk, su emme, pişme çekmesi, elastisite modülü ve eğilme mukavemeti testleri gerçekleştirilmiştir. Tungsten karbür uçlu matkap kullanılarak yapılan işlenebilirlik testleri sonucunda 600 °C'deki tüm kompozisyonların kolaylıkla işlenebildiği, diğer sıcaklıklardaki numunelerin de işlenebilir olduğu fakat işlenebilirlik hızının azaldığı tespit edilmiştir. Biyouyumluluğun ispatı için 3, 7, 14 ve 21 gün süresince yapay vücut sıvısı (YVS) testi yapılmış, yüzeydeki apatit oluşumu XRD, FTIR, SEM/EDS analizleri ile doğrulanmıştır. Bu da tüm cam-seramiklerin biyoaktif olduğunu göstermektedir. MTT sitotoksitite testi sonucunda tüm numunelerin sitotoksik olarak tespit edilmiştir. Fakat bunun, HA tarafından hücre kültürü ortamından Ca2+'nın yüksek alımının, osteoblastların daha düşük canlılığı ile sonuçlanmasından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The aim of this study is to obtain biocompatible and machinable glass-ceramic materials from calcined animal bone component glass. In order to ensure biocompatibility, high amount of calcined animal bone ash was added to the glass composition as a raw material. In order to ensure machinability, 3 different fluorine sources were added to the body. The phase composition and morphology of glass-ceramics of LiF, CaF2 and MgF2 addition were characterized by XRD and SEM/EDS. Crystallization and sintering studies of 7S (LiF), 8S (CaF2) and 9S (MgF2) compositions were performed by DTA analysis and optical dilatometry. As a result of the kinetic study, it was determined that the sample with the lowest activation energy for crystallization was Glass 8S. Avrami parameters showing the crystallization mechanism were found to be between 1.0 and 3.4 for all glasses, and this result means that the crystals grow in 2D and 3D. The sinter-crystallization method was used to transform the glasses into glass-ceramic. The heat treatment was carried out at 5 different temperatures between 600-800 °C. As the major phase, nepheline, HA and FA phases were detected in all glass-ceramics. It was observed that FA crystals were spherical, HA crystals were hexagonal rods and nepheline crystals were cylindrical rods. The dimensions and pore size distributions of the pores in the glass-ceramics were calculated. Density, water absorption, firing shrinkage, modulus of elasticity and flexural strength tests were carried out for mechanical studies. As a result of the machinability tests using a tungsten carbide drill, it was determined that all compositions at 600 °C could be easily processed, samples at other temperatures were also machinable, but the machinability rate was reduced. To prove biocompatibility, artificial body fluid (SBF) test was performed for 3, 7, 14 and 21 days, and apatite formation on the surface was confirmed by XRD, FTIR, SEM/EDS analyses. This shows that all glass-ceramics are bioactive. As a result of MTT cytotoxicity test, all samples were detected as cytotoxic. However, it was concluded that this was due to the high uptake of Ca2+ from the cell culture medium by HA, resulting in lower viability of osteoblasts.