B2O3 katkısının SiO2-Na2O-CaO-MgO-P2O5  tabanlı biyoaktif camların yapısal, mekanik ve biyolojik özelliklerine etkisi
Impact of B2O3 addition on the structural, mechanical, and biological properties of SiO2-Na2O-CaO-MgO-P2O5 -based bioactive glasses
Yazar: ZEYNEP HİLAL AKSOY
Danışman: PROF. DR. BÜLENT AKTAŞ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma, biyomedikal uygulamalarda kullanılabilecek biyoaktif camların geliştirilmesine yönelik olarak SiO2 -Na2O-CaO-MgO-P2O5 sistemi içerisine B2O3 katkısının ilavesiyle elde edilen camların yapısal, optik, mekanik ve biyolojik özelliklerini kapsamlı bir şekilde incelemektedir. Çalışmanın temel amacı, B2O3 konsantrasyonundaki değişimlerin camların mekanik dayanımı, optik özellikleri ve biyouyumluluk üzerinde nasıl bir etki yarattığını belirlemek ve bu camların kemik doku rejenerasyonu ve biyomedikal implantlar gibi kritik uygulamalardaki potansiyelini ortaya koymaktır. Çalışma kapsamında, %0, 5, 10, 15, 20 ve 25 mol B2O3içeren camlar ergitme-su verme yöntemi ile sentezlenmiş ve ardından detaylı analizlere tabi tutulmuştur. Yapısal özellikler XRD ve FT-IR analizleri ile değerlendirilmiş, optik özellikler UV-Vis spektroskopisi ile incelenmiş ve mekanik özellikler mikro sertlik ile kırılma tokluğu testleriyle belirlenmiştir. Ayrıca, NIH/3T3 fibroblast hücre hattı kullanılarak camların biyolojik uyumluluğunu değerlendirmek amacıyla in vitro biyolojik testler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen yapısal analiz sonuçları, tüm camların amorf yapıda olduğunu ve artan B2O3 içeriğinin Si-O-Si ağını güçlendirerek camın yapısal yoğunluğunu artırdığını ortaya koymuştur.
Yoğunluk ölçümleri, B2O3 ilavesinin cam yoğunluğunu 2,27 g/cm³'ten (FB0) 2,46 g/cm³'e (FB25) yükselttiğini göstermiştir. Bu artış, cam ağ yapısının daha sıkı bir hale geldiğini işaret etmektedir. Optik analizlerde, B2O3 katkısı bant aralığını 3,97 eV'den 3,57 eV'e düşürmüş, kırılma indisini ise 2,175'ten 2,259'a yükseltmiştir. Mekanik özellikler açısından, sertlik değerleri katkısız cam (FB0) için 4,122 GPa'dan %25 B2O3 katkılı cam (FB25) için 4,845 GPa'a yükselmiştir. Kırılma tokluğu FB10 ve FB15 numunelerinde sırasıyla 1,197 MPa·m⁰·⁵ ve 1,077 MPa·m0.5 ile zirve yapmıştır. Ancak, B2O3 oranının %15'in üzerine çıkmasıyla kırılma tokluğu azalma eğilimi göstermiştir. Biyolojik testler, B2O3 katkısının sitotoksisiteyi azalttığını ve hücre biyouyumluluğunu artırdığını ortaya koymuştur. Hücre canlılığı, katkısız camda %60,6 iken %25 B2O3 içeren camda %69,7'ye yükselmiştir. Hücre adezyonu ise %4,26'dan (FB0) %27,66'ya (FB20) kadar artış göstermiştir. SEM
analizleri, katkılı cam numunelerinde hücrelerin yüzeyle daha iyi etkileşime girdiğini ve filopod oluşumlarının arttığını göstermiştir. Sonuç olarak, bu çalışma, B2O3 katkısının biyoaktif camların mekanik, optik ve biyolojik özelliklerini iyileştirdiğini ortaya koymuş ve bu camların biyomedikal uygulamalar için güçlü bir aday olduğunu göstermiştir. Özellikle kemik doku rejenerasyonu ve biyomedikal implantlar gibi alanlarda bu materyallerin kullanımı, biyouyumluluk ve mekanik dayanım avantajları nedeniyle umut vadetmektedir.

Abstract:
This study comprehensively investigates the structural, optical, mechanical, and biological properties of bioactive glasses developed by incorporating B2O3
into the SiO2 -NaO-CaO-MgO-P2O5 system, aiming to enhance their performance for biomedical applications. The primary objective is to determine the effects of varying B2O3 concentrations on the mechanical strength, optical properties, and biocompatibility of these glasses, thereby highlighting their potential for critical applications such as bone tissue regeneration and biomedical implants. In this study, glasses containing 0, 5, 10, 15, 20, and 25 mol% B2O3 were synthesized using the melt-quenching method and subsequently subjected to comprehensive analyses. Structural properties were evaluated using XRD and FT-IR, optical properties were investigated via UV-Vis spectroscopy, and mechanical properties were determined through microhardness and fracture toughness tests. Additionally, in vitro biological tests were conducted using the NIH/3T3 fibroblast cell line to assess the biocompatibility of the glasses. The structural analysis results confirmed that all the glasses exhibited an amorphous structure, with increasing B2O3 content strengthening the Si-O-Si network and enhancing the structural density of the glasses. Density measurements showed that the addition of B2O3 increased the glass density from 2.27 g/cm3 (FB0) to 2.46 g/cm3
(FB25), indicating a more compact glass network. Optical analyses revealed that B2O3 reduced the optical bandgap from 3.97 eV to 3.57 eV while increasing the refractive index from 2.175 to 2.259. In terms of mechanical properties, the hardness increased from 4.122 GPa for the base glass (FB0) to 4.845 GPa for the glass with 25 mol% B2O3 (FB25). Fracture toughness peaked at 1.197 MPa·m0.5 and 1.077 MPa·m0.5for FB10 and FB15, respectively, but showed a decreasing trend
for higher B2O3 concentrations. Biological tests demonstrated that the addition of B2O3 reduced cytotoxicity and improved biocompatibility. Cell viability increased from 60.6% for the base glass (FB0) to 69.7% for the glass with 25 mol% B2O3 (FB25), while cell adhesion improved significantly from 4.26% (FB0) to 27.66% (FB20). SEM analyses revealed better cell interaction and enhanced filopodia formation on the surfaces of glasses with higher B2O3 content. In conclusion, this study
showed that B2O3 significantly improved the mechanical, optical, and biological properties of bioactive glasses, making them strong candidates for biomedical applications. The findings suggest that these materials hold great promise for applications such as bone tissue regeneration and biomedical implants, owing to their enhanced biocompatibility and mechanical performance.