Yeni bir tampon ortamında Ti6Al4V alaşımlarının üzerine biriktirilen hidroksiapatit kaplamaların kırılma ve aşınma davranışlarının incelenmesi
An investigation of fracture and wear behavior of ha coatings deposited onto Ti6Al4V alloys in a new environment
Yazar: İBRAHİM AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN ÇETİNEL
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde yeni bir tampon ortamında Ti6Al4V alaşımlarının üzerinde oluşturulan kalsiyum fosfat (CaP) esaslı Hidroksiapatit (HA) [HA:Ca10(PO4)6(OH)2] kaplamaların kırılma ve aşınma davranışlarının incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada, literatürde ilk defa insan vücudunda toksik etki göstermeyecek olan sitrik asit - sodyum sitrat tampon sistemi kullanılarak hazırlanan Yapay Beden Sıvısı (YBS) çözeltisi içerisinde CaP kaplama işlemleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada CaP kaplama işlemlerinde altlık malzemesi olarak 10 mm x 10 mm x 1.2 mm ebatlarında kare ve ASTM F 1044-99 ve F 1658-95 standartlarına uygun olarak ø19x25.4 mm, ø28x25.4 mm boyutlarında hazırlanan Ti6Al4V alaşımlı implant malzemeler kullanılmıştır.Çalışmada Ti6Al4V alaşımlı implant malzemeler önce zımparalanmış, sonra deterjanlı su ve saf su, daha sonra da aseton ile yıkanmıştır. Son olarak da ultrasonik banyoda temizlenenmalzemeler aktifleştirmek için 5M NaOH + H2 O2 karışımı içeren alkali çözeltisinde etüvde 40 °C de 24 saat bekletilmiştir. Daha sonra alkali çözelti aktarılmış ve malzemeler saf su ve asetonla yıkanarak etüvde 600C?de 24 saat kurumaya bırakılmıştır. Kuruma sonrasında tüm malzemeler alüminyum folyo ile sarılarak 6000C?de 1 saat ısıl işleme tabi tutulup, soğutularak stabilleştirilmiştir. Stabilleşmiş olan malzemeler 37 °C de pH=7,4 de YBS çözeltisi içinde ayrı ayrı 12, 18, 24, 48, 72 ve 96 saat bekleme sürelerinde çalkalama işlemine tabi tutularak biyomimetik yöntemle kaplama işlemleri gerçekleştirilmiştir. İşlem sonunda malzemeler saf su ile yıkanmış ve 60 0C de 24 saat kurutulmuştur. Ti6Al4V malzeme yüzeyine sitrik asit ? sodyum sitrat tamponu kullanılarak hazırlanan YBS çözeltisi içerisinde farklı sürelerde oluşturulan HA kaplamalar, aşınma deneyine tabi tutulmuş; sürtünme katsayıları ve aşınma miktarları belirlenmiştir. Ayrıca kaplamaların, kalınlıkları, yüzey pürüzlülük, mikrosertlik, elastise modül değerleri belirlenmiş ve kırılma toklukları hesaplanmıştır. Kaplama tabakalarının yüzeye bağlanma mukavemetlerini ölçmek için de (scratch) çizme test cihazından yararlanılmıştır. Kaplamaların mikroyapıları ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiş ve cihazdaki ETD ve BSED dedektörleri yardımı ile de kaplama yüzeylerinin elementel analizleri (EDS) belirlenmiştir. Ayrıca X-ışını kırınım cihazı (XRD) kullanılarak da kaplamaların içerdiği fazlar ve bu fazların konsantrasyonları belirlenmiştir. Çalışma sonucunda YBS?de 12, 18, 24, 48, 72 ve 96 saatlik bekletme sürelerinde oluşturulan kaplamalarda gerekli analizler yapılmıştır. Yapılan bu analizlerin sonuçlarına göre tüm metalografik incelemelerde YBS?de 12, 18, 24, 48, 72 ve 96 saatlik bekletme sürelerindeoluşturulan kaplamalarda HA oluştuğu tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen mekanik testlerden elde edilen sonuçlarda ise, farklı bekleme sürelerinde üretilen kaplamalar birbirleriyle karşılaştırıldığında; YBS? de 12 ve 18 saatlik sürelerde kaplamaların bağlanma kuvvetinin yeterli olmadığı, 24 ve 48 saatlik bekletme sürelerinde oluşturulan kaplamaların başarılı sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Kaplamaların en önemli özelliklerinden biri olan yüzeye bağlanma dirençleri incelendiğinde YBS?de 48 saatlik bekletme süresinde oluşturulan kaplamaların daha başarılı olduğu yapılan scratch test sonucunda daha yüksek çizilme mukavemeti göstermesinden anlaşılmıştır.Literatürde, ilk defa kan plazmasındaki iyon değerleri ile tam benzerlik gösteren ve laktik asit ?sodyum laktak tampon sistemi kullanılarak hazırlanan YBS reçetesi Pasinli ve arkadaşları tarafından uygulanmıştır. Bu çalışmada ise yine dünyada ilk defa uygulanan sitrik asit ? sodyum sitrat tampon sistemi kullanılarak kan plazmasındaki iyon değerleri ile benzer olan bir YBS xviçözeltisi hazırlanmıştır. Bu çözeltide yapılan HA kaplamalarda, kaplamanın yapışma mukavemetinin çok yüksek olduğu belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Biyomalzemeler, Kalsiyum Fosfat Kaplama (CaP), Apatit Kaplama, Hidroksiapatit (HA), Yapay Beden Sıvısı (YBS), Ti6Al4V, İmplant.

Abstract:
The objective of this thesis is to investigate the fracture and wear behaviour of calcium phosphate based hydroxyapatide (HA) [HA:Ca10(PO4)6(OH)2] coatings that were deposited on to Ti6Al4V substrate in a new buffer environment. In this research, CaP coating processes were carried out by using citric acid-sodium citrate buffer system that would not show any toxic effect on human body and by preparing the solution of SBF (SBF-Synthetic/Simulated Body Fluids).In this research, 10 mm x 10 mm x 1.2 mm of square material as the substrate and ø19 x 25.4mm, ø28 x 25.4 mm of implants made of Ti6Al4V alloys in accordance with ASTM F 1044-99 and F 1658-95 standards were used. In this study, Ti6Al4V alloy implants were grounded before, cleaning with detergent and distilled water, and then he washed with acetone. At the same time, the materials cleaned in ultrasonic bath were kept in the oven in the solution of 5M NaOH + H2O2 for one day and left for drying at 600C for 24 hours. Then they were cooled after being kept at 6000C for one hour. Synthetic body solution (SBS) of 2 liter having pH~7,4 was prepared at 37 0C after these processes. Then the materials were coated by biomimetic method by shaking separately for 12, 18, 24, 48, 72 and 96 hours at 37 0C. Then the materials were washed up with distilled water and dried at 60 0C for 24 hours. Coatings at different intervals were carried out separately. Materials were tested mechanically and metalographicaly after coating processes.Ti6Al4V surface of the material, using citric acid-sodium citrate buffer solution in the SBFsolution, the different durations of HA coatings were subjected to wear test, the friction coefficients and wear behaviour were determined. In addition, coating, thickness, surface roughness, hardness, fracture toughness were determined and elastic modules were calculated. Stracth test device was used to measure the resistance against adherence of coating plates on to the surface. Besides, the micro structures of coatings were monitored with scanning electron microscopy (SEM), elemental analysis of coating surfaces were carried out by using ETD and BSED dedectors, the phases that coatings contain and their concentrations were determined by using X-ray diffraction (XRD) device.In conclusion, coatings 12, 18, 24, 48, 72, and 96-hour soaking period in the SBF are created, the necessary analyzes were carried out. The presence of hydroxyaphatite was determined in metallographic tests performed to the coatings obtained in SBS environment by keeping for 12, 18, 24, 48, 72 and 96 hours. The results of the mechanical tests, SBF coatings formed in the 12 and 18 hour periods, binding forces were not sufficient. According to the results from the mechanical tests, more successful results were obtained from the coatings obtained in SBS environment by keeping for 24 and 48 hours, to their counterparts. Besides, better results were obtained in scratch test for the coatings obtained in SBF environment and kept for 48 hours with respect to resistance to the adherence onto the surface, which is one of the most important characteristics. As a result of the research, all the values in blood plasma that were obtained first time by Pasinli et al. in worldwide literature were also achieved in this study. In this new buffer system, more successful results were obtained with SBS solution prepared with citric acid-sodium citrate buffer system that would not show any toxic effect on human body and stronger resistance values to adherence of coatings were also detected. Keywords: Biomaterials, Calcium Phosphate Coating (CaP), Apatite Coating, Hydroxyaphatite (HA), Synthetic Body Solution (SBS), Ti6Al4V, Implant