Ortopedik uygulamalar için polimer matrisli kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of polymer matrix composistes for orthopedic applications
Yazar: YASİN AKGÜL
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI ; DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Günümüzde, ortopedik uygulamalarda yaygın olarak metalik malzemeler kullanılmaktadırlar. Ancak, polimer matrisli kompozitler, kemiğe yakın mekanik özellikleri, yüksek korozyon dirençleri, kemik iyileşme sürecinin görüntülenmesine imkân vermeleri gibi kıyasla sahip oldukları üstün özellikler sayesinde metalik malzemelerin yerini almaya başlamışlardır. Örneğin, aşınmaya maruz kalan asetabular kaplar için UHMWPE, yük taşıyıcı bir eleman olan sabitleme plakaları için ise PEEK/CF kompozitleri ticarileşmiştir. 

UHMWPE, oldukça yüksek aşınma direncine sahip olmasına rağmen işleme zorluğuna sahiptir. Uzun polimer zincirleri takviye edilmesine imkân vermemekte, dolayısıyla mevcut özelliklerinin gelişimi kısıtlanmaktadır. PEEK polimeri ise yüksek mekanik performanslı polimerler sınıfındadır, ancak maliyeti oldukça yüksektir. 

Bu tez çalışmasında, düşük maliyetli ve kolay işlenebilirliğe sahip polietilenin mekanik, tribolojik ve biyolojik özelliklerinin ortopedik uygulamalara yönelik olarak geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda; mekanik özellikleri karbon lif takviyesi ve maleik anhidrit aşılamayla, aşınma direnci çapraz bağlama ve karbon lif takviyesiyle, biyoaktivitesi ise hidroksiapatit takviyesi iyileştirilmiştir. Takviye elemanları ile polietilen çift vidalı ekstrüder içerisinde karıştırılarak kompaundlar üretilmiştir. Elde edilen kompaundlar ile plastik enjeksiyon ve basınçlı kalıplama prosesleri ile numune üretimleri gerçekleştirilmiş ve ardından karakterizasyon işlemleri yapılmıştır.

Sonuç olarak, ağırlıkça %15 kırpılmış karbon lif takviyesi ve maleik anhidrit aşılama ile saf polietilenin çekme dayanımı 15,57 MPa'dan 45,68 MPa'a, eğme dayanımı 16,93 MPa'dan 64,98 MPa'a ve sertliği 4,36 HBN'den 12,50 HBN'a çıkarılmıştır. Ağırlıkça %2,5 kırpılmış karbon lif takviyesi ve çapraz bağlama ile spesifik aşınma hızı 18x10-6 mm3/N.m'ye düşürülmüştür.  Kompozitlere, ağırlıkça %10 nano boyutlu hidroksiapatit takviyesi ile biyoaktivite kazandırılabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
Today, metallic materials are widely used in orthopedic applications. However, polymer matrix composites have started to replace metallic components due to their superior properties, such as their close mechanical performance with bone, high corrosion resistance. Composite structures also allow imaging techniques to follow healing process. So far, UHMWPE and PEEK/CF composites have been commercialized for acetabular cups (subjected to wear) and fixation plates (load-bearing material), respectively.

Despite having quite high wear resistance, there are processing issues for UHMWPE. Long polymer chains do not allow reinforcement, so their modification is restricted with existing properties. PEEK polymer is a class of high mechanical performance polymers but its cost is quite high.
In this thesis, it is aimed to improve the mechanical, tribological and biological properties of polyethylene that has low cost and ease of processability for orthopedic applications. In this regard, various modifications were performed via carbon fiber reinforcement and maleic anhydride grafting, crosslinking and carbon fiber reinforcement, hydroxyapatite reinforcement, respectively. Compounds were fabricated by mixing the reinforcement materials with polyethylene in a twin-screw extruder. With the obtained compounds, sample production was carried out by plastic injection and pressure molding processes. After that, characterization studies were done.

As a result, tensile strength, bending strength and hardness of polyethylene was increased from 15.57 MPa, 16.93 MPa and 4.46 HBN to 45.68 MPa, 64.98 MPa and 12.50 HBN, respectively by chopped carbon fiber reinforcement (15 wt.%) and maleic anhydride grafting. The specific wear rate was reduced to 18x10-6 mm3/N.m with chopped carbon fiber reinforcement (2.5 wt.%) and crosslinking. It has been determined that composites can gain bioactivity by 10 wt.% nano-sized hydroxyapatite reinforcement.