Biyoaktif cam ve cam-seramik malzemelerin üretimi ve yapay vücut sıvısı içerisindeki davranımlarının incelenmesi
Production of bioactive glass and glass-ceramic materials and investigation of behaviours in simulated body fluid
Yazar: BURCU KÜKÜRTCÜ
Danışman: PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Biyoaktif camlar = Bioactive glass ; Cam seramikler = Glass ceramics ; Protezler ve implantlar = Prostheses and implants

Özet:
İnsan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler ?biyomalzemeler? olarak adlandırılmaktadır. Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler, kısacası biyomalzemeler; metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler olarak gruplandırılmaktadır. Biyoseramikler; vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması veya yerini alması amacıyla kullanılan seramiklerdir. Hidroksiapatit (HA), biyoaktif cam ve biyoaktif cam-seramikler biyoseramiklere örnek olarak verilebilir. Biyoaktif camlar, bileşiminde sodyum, kalsiyum ve fosfat bulunan silikat camlarıdır. Biyoaktif cam-seramikler ise, tıbbi amaçlarla kullanılmak üzere tasarlanan ve doku ve/veya kemiklerle tepkimeye girerek kuvvetli bağlar oluşturan, kullanım alanı özelleşmiş, kristallenmeye uygun camların kontrollü kristalizasyonu ile üretilen çok kristalli biyomalzemelerdir.Bu çalışmada, SiO2-CaO-Na2O-P2O5-Al2O3-MgO-CaF2 sistemi temel alınarak, klasik döküm yöntemi ile üretilen camların kontrollü kristalizasyonuyla biyoaktif cam-seramik üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerine çeşitli karakterizasyon işlemleri uygulanarak fiziksel, mekanik ve mikroyapısal özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numuneleri, çeşitli kimyasal maddeler kullanılarak hazırlanan yapay vücut sıvısı içerisinde farklı sürelerde bekletilmiş ve biyoaktivite karakterizasyonları yapılmıştır. Yapay vücut sıvısı içerisinde bekletilen numunelerin yüzey karakterizasyonları SEM (Taramalı elektron mikroskobu), ince film XRD (X-Işınları difraksiyonu) ve FTIR (Fourier kızılötesi dönüşüm spektroskopisi) cihazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Üretilen biyoaktif cam numunelerine, optimum çekirdeklenme sıcaklığı, optimum çekirdeklenme süresi ve kristalizasyon sıcaklığını belirlemek amacıyla Diferansiyel Termal Analiz (DTA) uygulanmıştır. Cam numunelerinin optimum çekirdeklenme sıcaklığı, optimum çekirdeklenme süresi ve kristalizasyon sıcaklığı sırasıyla 923 K, 90 dakika ve 1148 K olarak belirlenmiştir. Biyoaktif cam numuneleri fırın içerisinde 20 K/dak ısıtma hızıyla 923 K' de 90 dakika ve 1148 K' de 30 dakika süreyle bekletilerek biyoaktif cam-seramik üretimi gerçekleştirilmiştir.Üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerinin mekanik ve fiziksel özelliklerinin karakterizasyonu için; yoğunluk, gözeneklilik, eğilme mukavemeti ve aşınma ölçümleri yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, yapay vücut sıvısında bekletmenin numunelerin yoğunluk değerlerinde önemli bir değişikliğe yol açmadığı, eğilme mukavemeti değerlerinde az da olsa bir artışa sebep olduğu görülmüştür.X-Işınları difraksiyon yöntemiyle yapılan mineralojik analizler sonucunda, biyoaktif cam numunelerinin amorf yapıya sahip olduğu ve biyoaktif cam-seramik numunelerinde ise, clinophosinaite (Na3Ca(SiO3)(PO4)) ve kalsiyum silikat fosfat ((Ca2(SiO4))6Ca3(PO4)2) kristalin fazlarının oluştuğu tespit edilmiştir.İnce film X-Işınları analizlerinde, biyoaktif cam numunelerinin yüzeylerinde ilk haftadan itibaren, biyoaktif cam-seramik numunelerinin yüzeylerinde ise ilk günden itibaren HA oluşumu görülmüş ve yapay vücut sıvısı içerisinde bekleme süresinin artmasıyla numunelerin yüzeylerindeki HA oluşumunun arttığı belirlenmiştir.Yapılan FTIR analizleri sonucunda, numunelerin yapılarındaki P-O bağlarının oluşumu tespit edilmiş ve yapay vücut sıvısı içerisinde bekleme süresinin artmasıyla piklerin keskinleştiği, başka bir deyişle, HA oluşumunun arttığı tespit edilmiştir.Taramalı elektron mikroskobu analizleri sonucunda, biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerinin yüzeylerinde ilk günden itibaren HA tabakasının oluşumu gözlenmiştir.Yapılan analiz ve ölçümlerin sonucunda, SiO2-CaO-Na2O-P2O5-Al2O3-MgO-CaF2 sistemi kullanılarak üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerinin, kemik tedavisi uygulamalarında kullanılabilecek özelliklere sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
İnsan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler ?biyomalzemeler? olarak adlandırılmaktadır. Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler, kısacası biyomalzemeler; metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler olarak gruplandırılmaktadır. Biyoseramikler; vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması veya yerini alması amacıyla kullanılan seramiklerdir. Hidroksiapatit (HA), biyoaktif cam ve biyoaktif cam-seramikler biyoseramiklere örnek olarak verilebilir. Biyoaktif camlar, bileşiminde sodyum, kalsiyum ve fosfat bulunan silikat camlarıdır. Biyoaktif cam-seramikler ise, tıbbi amaçlarla kullanılmak üzere tasarlanan ve doku ve/veya kemiklerle tepkimeye girerek kuvvetli bağlar oluşturan, kullanım alanı özelleşmiş, kristallenmeye uygun camların kontrollü kristalizasyonu ile üretilen çok kristalli biyomalzemelerdir.Bu çalışmada, SiO2-CaO-Na2O-P2O5-Al2O3-MgO-CaF2 sistemi temel alınarak, klasik döküm yöntemi ile üretilen camların kontrollü kristalizasyonuyla biyoaktif cam-seramik üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerine çeşitli karakterizasyon işlemleri uygulanarak fiziksel, mekanik ve mikroyapısal özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numuneleri, çeşitli kimyasal maddeler kullanılarak hazırlanan yapay vücut sıvısı içerisinde farklı sürelerde bekletilmiş ve biyoaktivite karakterizasyonları yapılmıştır. Yapay vücut sıvısı içerisinde bekletilen numunelerin yüzey karakterizasyonları SEM (Taramalı elektron mikroskobu), ince film XRD (X-Işınları difraksiyonu) ve FTIR (Fourier kızılötesi dönüşüm spektroskopisi) cihazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Üretilen biyoaktif cam numunelerine, optimum çekirdeklenme sıcaklığı, optimum çekirdeklenme süresi ve kristalizasyon sıcaklığını belirlemek amacıyla Diferansiyel Termal Analiz (DTA) uygulanmıştır. Cam numunelerinin optimum çekirdeklenme sıcaklığı, optimum çekirdeklenme süresi ve kristalizasyon sıcaklığı sırasıyla 923 K, 90 dakika ve 1148 K olarak belirlenmiştir. Biyoaktif cam numuneleri fırın içerisinde 20 K/dak ısıtma hızıyla 923 K? de 90 dakika ve 1148 K? de 30 dakika süreyle bekletilerek biyoaktif cam-seramik üretimi gerçekleştirilmiştir.Üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerinin mekanik ve fiziksel özelliklerinin karakterizasyonu için; yoğunluk, gözeneklilik, eğilme mukavemeti ve aşınma ölçümleri yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, yapay vücut sıvısında bekletmenin numunelerin yoğunluk değerlerinde önemli bir değişikliğe yol açmadığı, eğilme mukavemeti değerlerinde az da olsa bir artışa sebep olduğu görülmüştür.X-Işınları difraksiyon yöntemiyle yapılan mineralojik analizler sonucunda, biyoaktif cam numunelerinin amorf yapıya sahip olduğu ve biyoaktif cam-seramik numunelerinde ise, clinophosinaite (Na3Ca(SiO3)(PO4)) ve kalsiyum silikat fosfat ((Ca2(SiO4))6Ca3(PO4)2) kristalin fazlarının oluştuğu tespit edilmiştir.İnce film X-Işınları analizlerinde, biyoaktif cam numunelerinin yüzeylerinde ilk haftadan itibaren, biyoaktif cam-seramik numunelerinin yüzeylerinde ise ilk günden itibaren HA oluşumu görülmüş ve yapay vücut sıvısı içerisinde bekleme süresinin artmasıyla numunelerin yüzeylerindeki HA oluşumunun arttığı belirlenmiştir.Yapılan FTIR analizleri sonucunda, numunelerin yapılarındaki P-O bağlarının oluşumu tespit edilmiş ve yapay vücut sıvısı içerisinde bekleme süresinin artmasıyla piklerin keskinleştiği, başka bir deyişle, HA oluşumunun arttığı tespit edilmiştir.Taramalı elektron mikroskobu analizleri sonucunda, biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerinin yüzeylerinde ilk günden itibaren HA tabakasının oluşumu gözlenmiştir.Yapılan analiz ve ölçümlerin sonucunda, SiO2-CaO-Na2O-P2O5-Al2O3-MgO-CaF2 sistemi kullanılarak üretilen biyoaktif cam ve cam-seramik numunelerinin, kemik tedavisi uygulamalarında kullanılabilecek özelliklere sahip olduğu görülmüştür.PRODUCTION OF BIOACTIVE GLASS AND GLASS-CERAMIC MATERIALS AND INVESTIGATION OF BEHAVIOURS IN SIMULATED BODY FLUIDSUMMARYMaterials that used for fulfill or strengthen the functions of live tissues in human body are called biomaterials. Materials which have high bioactivity, in other words biomaterials are grouped as metals, ceramics, polymers and composites. Bioceramics are used for repair, restructure or replace the destroyed or nonoperating parts of the human body. Hydroxyapatite (HA), bioactive glass and bioactive glass-ceramics can be given as examples of bioceramics. Bioglasses are silicate glasses containing sodium, calcium and phosphate as the main components. Bioactive glass-ceramics are polycrystalline materials which are designed for medicine application, which can form strong bonds by reacting with tissues and/or bones, which have own specific usage and which produced with controlled crystallization of glasses that are suitable for crystallization.In this study, the production of bioactive glass-ceramics based on SiO2-CaO-Na2O-P2O5-Al2O3-MgO-CaF2 system was performed with controlled crytallization of bioactive glasses by using traditional casting method. Several characterization techniques were applied to bioactive glass and glass-ceramic samples and their microstructural, mechanical and physical properites were investigated. Besides, bioactive glass and glass-ceramic samples were immersed in simulated body fluid (SBF) in various periods and bioactivity characterization was performed. The surface morphology of samples immersed in SBF was investigated by using SEM (Scanning Electron Microscopy), thin film XRD (X-Ray Diffraction Spectroscopy) and FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy).Differential Thermal Analysis (DTA) was applied to produced bioactive glass samples to determine the optimum nucleation temperature, optimum nucleation time and crytallization temperature. Optimum nucleation temperature, optimum nucleation time and cystallization temperature of the glass samples were 923 K, 90 minute and 1148 K, respectively. Bioactive glass-ceramic samples were obtained by heating the glass samples at a rate of 20 K/min to 923 K, then keeping the samples at this temperature for 90 minute and raising the temperature to 1148 K and keeping the samples at this temperature for 30 minute.Density, porosity, bending strength and wear resistance measurements were done in order to characterize mechanical and physical properties of produced bioactive glass and glass-ceramic samples. As a result of the analysis, soaking the samples in SBF didn?t lead any significant change in density values, but caused a little increase in bending strength values.The XRD analysis revealed that bioactive glass samples had an amorphous structure and bioactive glass-ceramic samples had clinophosinaite (Na3Ca(SiO3)(PO4)) and calcium silicate phosphate ((Ca2(SiO4))6Ca3(PO4)2) crystalline phases.The result of thin film XRD revealed that HA formation was determined on the surface of bioactive glass samples beginning from first week and glass-ceramic samples beginning from first day.The FTIR analysis showed that P-O bonds formed in the structure of the produced bioactive glass and glass-ceramic samples. Soaking the samples in SBF sharpened the P-O bonds peak values, in other words, increased the HA formation.As a result of SEM analysis, HA formation was determined on the surface of bioactive glass and glass-ceramics samples beginning from first day.In overall, results indicated that bioactive glass and glass-ceramic samples produced in SiO2-CaO-Na2O-P2O5-Al2O3-MgO-CaF2 system have special properties that can be used in the bone replacement applications.