Biyomedikal metalik alaşımların grafen temelli malzemelerile kaplanarak özelliklerinin geliştirilmesi
Improving properties of biomedical metallic alloys by coating with graphene-based materials
Yazar: AYSEL OKTAY
Danışman: DOÇ. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Elektroforetik yöntemler = Electrophoretic methods ; Grafen oksit = Graphene oxide ; Korozyon = Corrosion ; Serotonin = Serotonin ; Sitotoksisite = Cytotoxicity

Özet:
Ti6Al7Nb ve Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr (TNTZ) gibi titanyum alaşımları, mekanik özellikleri ve biyouyumlulukları sebebiyle ortopedik implantlar gibi birçok biyomedikal alanda yaygın olarak kullanılmakta ve yüzeylerinde titanyum dioksit (TiO2) olarak bilinen kararlı bir oksit filmin varlığına bağlı olarak korozyona dirençli malzemeler olarak bilinmektedir. Ancak bu implantlar, vücut sıvısı ile temasa bağlı olarak zamanla korozyona duyarlı olabilmektedir. İmplantların korozyona uğraması, içeriğindeki toksik elementlerin salınımına sebep olup malzemenin biyouyumluluğunu olumsuz yönde etkilemektedir. Vücut içerisine salınan toksik iyonlar çevre dokuda renk değişikliğine ve implantın gevşemesiyle sonuçlanabilecek inflamatuar bir tepkiye neden olabilmektedir. Bu durum implantın ve hastanın ömrünü kısaltabilir, masraflı ve ağrılı revizyon cerrahisi ile sonuçlanabilir. Bu nedenle implantasyon sonrası korozyona bağlı iyon salınımının önlenmesi ve osteoblast proliferasyonunu arttırarak implantın kemiğe entegrasyonunun desteklenmesi hasta sağlığı ve implantın ömrü açısından büyük önem arz etmektedir. Etkili yöntemlerden birisi, yüzeyi daha kararlı ve osteoblast proliferasyonunu destekleyici malzeme/malzemeler ile kaplamaktır. Bu çalışmada kaplama malzemeleri olarak modifiye Hummers yöntemiyle sentezlenen grafen oksit (GO) ve serotonin (Ser) kullanılmıştır. Grafen oksit (GO) elektriksel yalıtkanlık, antimikrobiyal özellikleri ve iyi biyouyumluluğu nedeniyle implant yüzeylerini kaplamak için ideal malzemelerden biridir. Serotoninin osteoblast proliferasyonunda ve farklılaşmasında rol oynadığına dair çalışmalar mevcuttur. İstenen kalınlıkta ve yüksek saflıkta bir kaplama sağlamak için elektroforetik biriktirme (EPD) yöntemi kullanılmıştır. Kaplamaların yapay vücut sıvısında (SBF) elektrokimyasal performansını araştırmak için in vitro korozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Kaplamaların ıslatma özelliklerini değerlendirmek için statik temas açısı ölçümleri uygulanmıştır. Kaplanmış alaşımların in vitro sitotoksisitesi ve osteoblast proliferasyon hızına etkisi hFOB 1.19 osteoblast hücre hattının WST-8 testi ile kalitatif ve kantitatif olarak değerlendirilmiştir. Sonuç olarak GO ve GO+Ser kaplamalar kaplanmamış TNTZ'nin korozyon direncinde olumsuz etkiye sebep olurken, aynı kaplamalar kaplanmamış Ti6Al7Nb'nin korozyon direncinde kayda değer bir artış göstermiştir. Alaşım yüzeylerinin GO ve Ser ile kaplanması malzemenin temas açısını düşürerek yüzeyi protein adsorpsiyonuna ve hücre tutunmasına daha elverişli hale getirmiştir. GO+Ser kaplamanın Ti6Al7Nb'nin yüzeyine osteoblast tutunmasını, hücre canlılığını ve proliferasyonunu arttırdığı görülmüştür.

Abstract:
Titanium alloys such as Ti6Al7Nb and Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr (TNTZ) are widely used in many biomedical fields such as orthopedic implants due to their mechanical properties and biocompatibility, and known as corrosion-resistant materials due to the presence of a stable oxide film, also called as titanium dioxide (TiO2), on their surfaces. However, these implants may be susceptible to corrosion over time due to contact with body fluid. Corrosion of the implants causes release of toxic elements in their content content and negatively affects biocompatibility of the material. Toxic ions released into the body can cause discoloration in surrounding tissue and an inflammatory response that may result in loosening of the implant. This can shorten life of the implant and the patient, resulting in costly and painful revision surgery. Therefore, preventing corrosion-related ion release after implantation and supporting integration of the implant to the bone by increasing osteoblast proliferation are of great importance in terms of patient health and life of the implant. One of the effective methods is to cover the surface with a material/materials that are more stable and support osteoblast proliferation. In this study, graphene oxide (GO), which were synthesized by modified Hummers method, and serotonin (Ser) were used as coating materials. Graphene oxide is one of superior materials for coating implant surfaces due to its electrical resistance by making the material surface an insulator, good biocompatibility and antimicrobial properties. There are studies showing that serotonin plays a role in osteoblast proliferation and differentiation. Electrophoretic deposition (EPD) method was used to obtain a coating of desired thickness and high purity. In vitro corrosion tests were carried out to investigate electrochemical performance of the coatings in a simulated body fluid (SBF). Static contact angle measurements were applied to evaluate wetting characteristic of the materials. In vitro cytotoxicity of and effect of the coatings on osteoblast proliferation rate were investigated qualitatively and quantitatively with WST-8 test of hFOB 1.19 osteoblast cell line. As a result, GO and GO+Ser coatings caused a negative effect on the corrosion resistance of uncoated TNTZ, while the same coatings showed a significant increase in the corrosion resistance of uncoated Ti6Al7Nb. The coating of the alloy surfaces with GO and Ser reduced the contact angle of the material, making the surface more suitable for protein adsorption and cell adhesion. It was observed that GO+Ser coating increased osteoblast adhesion, cell viability and proliferation on the surface of Ti6Al7Nb.