Eklemeli imalat ile elde edilen implant yüzeylerinde biyoaktif kaplamaların gerçekleştirilmesi
Achieving bioactive coating on implant surfaces obtained by additive manufacturing
Yazar: DORUK GÜRKAN
Danışman: DOÇ. DR. BİNNUR SAĞBAŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ortopedik implantlar, kemik ve eklem sağlığının geri kazanılması, ağrının azaltılması, hareket kabiliyetinin sağlanması ve hastaların yaşam kalitesinin arttırılması amacıyla vücuda yerleştirilen son derece önemli tıbbi bileşenlerdir. Ortopedik implantların başarısı, kullanılan implant malzemelerinin kimyasal kararlılığı, toksik etkiye sahip olmaması ve kemik ile uyumlu mekanik özellikler sergilemesidir. Bu özellikler bir implantın vücut içerisindeki ömrü boyunca biyolojik açıdan uyumluluk sağlaması bakımından hayati öneme sahiptir. Bu nedenle, mekanik ve biyolojik özelliklerin kombinasyonu biyomalzemelerin ortopedik cerrahide kullanım uygunluğunu belirlemektedir. Titanyum ve alaşımlarının mükemmel mukavemet/ağırlık oranı, korozyon direnci, tokluğu ve biyo-inert oksit yüzeyi oluşturması nedeniyle en yaygın kullanılan implant malzemesidir. Eklemeli imalat, karmaşık geometrili ve gözenekli yapıların üretimini mümkün kılarak, kemik benzeri implantların üretimini mümkün kılan etkin bir imalat yöntemi olarak literatürde yerini almıştır.  Kafes yapılı ortopedik implantların imalatına imkan sağlayan eklemeli imalat, daha hafif, özelleştirilebilir, biyouyumlu, hızlı üretilebilir ve yenilikçi implantların tasarlanması ve üretilmesinin önünü açmıştır. Böylelikle, ortopedik implantların biyouyumluluklarının ve fonksiyonelliklerinin artmasıyla hastaların yaşam kalitesinin de iyileştirilmesi sağlanmaktadır. Lazer toz yatak füzyonu (LTYF), bir lazer ışını tarafından sağlanan termal enerjiyi kullanarak toz halindeki malzemelerden CAD tasarımına dayalı yapılar üreten bir eklemeli imalat sürecidir. LTYF, art arda gelen metal tozu katmanlarının ergitilmesiyle karmaşık 3B parçaların oluşturulmasına izin verir. Mevcut literatürde, farklı yüzey özellikleri, mekanik özellikler ve mikro yapı ile ilgili eklemeli imalatın farklı proses parametreleri arasındaki ilişkiyi gösteren çalışmalar bulunmaktadır.
Literatür çalışmalarının büyük çoğunluğunun temel olarak, farklı geometrilere sahip kafes yapıların mekanik performansına odaklandığı görülmektedir. Biyomedikal uygulamalarla ilgili olarak, çok az kafes yapısı için osseintegrasyon mekanizması incelenmiştir. Bu tez çalışmasında gözenek boyutunun ve gözenekliliğin lazer toz yatak füzyonu ile üretilen kafes yapılarının mekanik ve biyolojik özellikleri üzerindeki etkileri konusunda ilgili literatüre yeni verilerin sunulması ile katkı sağlanmıştır. Ti6Al4V (Ti64) kafes yapılarının mekanik özelliklerinden, biyomedikal özelliklerine kadar sistematik bir araştırma yapılmıştır. Bunun için 3 farklı kafes yapısında kiriş tabanlı olmak üzere (dodekahedron, oktahedroid ve yıldız) çekme, basma, kaplama ve korozyon test numuneleri üretilmiştir. Parçaların tasarım metodolojisi, yüzey pürüzlülük değerleri, yoğunluk ölçümleri, morfolojik incelemeler, boyutsal ölçümler, test hazırlık aşamaları ve sorunların çözümü tez çalışmasında verilmiştir.  Bütün numuneler aynı LTYF proses parametreleri ile üretilmiş ve karşılaştırılmıştır. Bu şekilde proses parametresi değiştirilmeden farklı kafes yapılara uygulanan yüzey işlemlerinin etkisi görülmek istenmiştir. Bunun için elektroforez biriktirme (EPD) kullanılarak kafes yapıları üzerine hidroksiapatit / kitosan (HA/CS) kompozit kaplama başarılı bir şekilde biriktirilmiş ve biyouyumluluğu incelenmiştir.  Literatürde titanyum kafes yapısının kemik-implant biyoarayüzeyini iyileştirmek için nasıl kullanılabileceğine dair sınırlı araştırma yapılmıştır. Ayrıca kafes yapılar üzerine yapılan kaplama çalışmaları ile ilgili de son derece az sayıda araştırma blunmaktadır. Başarılı olan kaplamalar biyouyumluluk için önemli bir adım olmakla beraber, kemik implantı uygulamaları için mekanik dayanımında sağlanması gerekir. Basma ve çekme testleri ile kemik implant uygulamaları için kafes yapıların uygunluğu karşılaştırılmıştır. Ardından elektrokimyasal testler ile korozyon davranışı gözlemlenmiştir. 
Yapılan testlerde kafes yapıların mekanik ve biyouyumluluk davranışlarını etkilediği görülmüştür. Yüzeyler üzerine biriktirilen kompozit kaplamalar biyouyumluluk davranışını ve korozyon direncini arttırmıştır. Mekanik özellikler kemik implant uygulamaları için yeterli bulunmuş ve kullanım alanları için önerilerde bulunulmuştur. Bu çalışma gerek kullanılan ince kiriş kafes geometrileri gerekse geliştirilen biyoaktif kompozit kaplama yapıları ile literature katkı sağlamıştır. Bu çalışmada sunulan analiz sonuçlarının, değerlendirme ve yorumların bundan sonraki çalışmalara temel oluşturması beklenmektedir.

Abstract:
Orthopedic implants are highly important medical components placed in the body with the aim of restoring bone and joint health, reducing pain, providing mobility and increasing the quality of life of patients. The success of orthopedic implants is the chemical stability of the implant materials used, non-toxic effects and mechanical properties compatible with bone. These properties are vital to ensure biocompatibility of an implant throughout its life in the body. Therefore, the combination of mechanical and biological properties determines the suitability of biomaterials for use in orthopedic surgery. Titanium and its alloys are the most widely used implant material due to their excellent strength/weight ratio, corrosion resistance, toughness and bio-inert oxide surface formation. Additive manufacturing has taken its place in the literature as an effective manufacturing method that enables the production of bone-like implants by enabling the production of complex geometries and porous structures. Additive manufacturing which enables the fabrication of latticed orthopedic implants has ensured for the design and production of lighter, customizable, biocompatible, rapidly manufacturable and innovative implants. Thus, the quality of life of patients is improved by increasing the biocompatibility and functionality of orthopedic implants. Laser powder bed fusion (LPBF) is an additive manufacturing process that produces structures based on CAD design from powdered materials using thermal energy provided by a laser beam. LPBF allows the creation of complex 3D parts by melting successive layers of metal powder. In the current literature, there are studies showing the relationship between different surface properties, mechanical properties and microstructure and different process parameters of additive manufacturing.
It is seen that the majority of the literature studies mainly focus on the mechanical performance of lattice structures with different geometries. With regard to biomedical applications, very few lattice structures have been studied their osseointegration mechanism. In this thesis, a contribution has been made to the related literature by presenting new data on the effects of pore size and porosity on the mechanical and biological properties of lattice structures produced by laser powder bed fusion. A systematic research was carried out from the mechanical properties to the biomedical properties of Ti6Al4V (Ti64) lattice structures. For this purpose, tensile, compression, coating and corrosion test specimens were produced in 3 different lattice structures as strut-base (dodecahedron, octahedroid and star). The design methodology of the parts, surface roughness values, density measurements, morphological examinations, dimensional accuracy measurements test preparation stages and the solution of the problems are given in the thesis. All samples were produced with the same LTYF process parameters and compared. In this way, it is desired to see the effect of surface treatments applied to different lattice structures without changing the process parameter. For this, hydroxyapatite / chitosan (HA/CS) composite coating was successfully deposited on the lattice structures using electrophoresis deposition (EPD) and its biocompatibility was investigated. There has been limited research in the literature on how titanium lattice structure can be used to improve the bone-implant biointerface. In addition, there are very few studies on coating studies for lattice structures. While successful coatings are important step towards biocompatibility, mechanical strength must be also provided for bone implant applications. The suitability of lattice structures for bone implant applications was compared with compression and tensile tests. Then, corrosion behavior was observed with electrochemical tests. 
With the tests performed, it was seen that the cage structures affect the mechanical and biocompatibility behaviors. Composite coatings deposited on the surfaces increased the biocompatibility behavior and corrosion resistance. Mechanical properties were found to be sufficient for bone implant applications and suggestions were made for application areas. This study contributed to the literature both of the thin strut lattice geometries used and the developed bioactive composite coating structures. It is expected that the analysis results, evaluations and comments presented in this study will form the basis for future studies.