Ti-nb esaslı alaşımların implant uygulamaları için gözenekli üretim ve biyoaktif kaplama ile özelliklerinin geliştirilmesi
Improving the properties of ti-nb based alloys with porous production and bioactive coating for implant applications
Yazar: EREN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. FEHİM FINDIK ; PROF. DR. HAMİT ÖZKAN GÜLSOY
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, diz ve kalça protezi gibi yük taşıyan implant uygulamalar için gerekli mekanik özelliklere (kemiğe uygun mekanik değerlerde), yüksek korozyon direncine, biyo özelliklere (vaskülerizasyon, mineralizasyon, osseointegrasyon vb.) sahip Ti alaşımı üretmek ve geliştirmek amacıyla alaşım elementi (Nb, Ta, Zr, Sn) etkileri, porozite karakteristikleri ve biyoaktif yüzey modifiye yöntemleri çalışılmıştır. Üretim yöntemi olarak geleneksel toz metalürjisi, toz enjeksiyon kalıplama, boşluk tutucu yöntemi ile poroz üretim, yüzey modifikasyon yöntemleri (anodizasyon, elektro kaplama) tercih edilmiştir. Ti'ye Nb ilavesi ile beta fazı kararlılığı ve porozite miktarının artmasına bağlı olarak alaşımın elastik modülü düşmüştür. Ti-Nb alaşımlarının mukavemeti katı eriyik sertleşmesine bağlı olarak Ti'den yüksek bulunmuştur. Nb içeriği arttıkça karbon çözünürlüğünün düşüp karbürlerin oluşumuna bağlı olarak, elastik modül ve sertlikte artış görülmüştür. Nb ilavesi arttıkça yüzeyde titanyum oksitin yanında kararlı niyobyum oksitin varlığı nedeniyle korozyon direnci artmıştır. Ayrıca Ti-Nb alaşımlarının yapay vücut sıvısında (SBF) bekletilmesi sonucunda yüzeyinde hidroksiapatit oluşum kabiliyeti, Ti'den daha iyi olduğu görülmüştür. Ti-16Nb alaşımı, optimum özelliklere sahip numune olarak seçilmiştir. Bu alaşıma Zr ilavesi çalışılmıştır, ardından Ti-Nb-Zr alaşımına Ta ilavesinin özellikler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deney ve analiz sonuçlarına göre Zr ve Ta'nın ilaveleri genel olarak beta kararlı yapıcı etki göstermeleri, elastik modülü düşürürken, mekanik özelliklerin yaklaşık aynı kalmasını sağlamaları ve korozyon direncini arttırmaları nedeniyle benzer sonuçlar göstermiştir. Sn ilavesi ise Ti'nin elastik modülünü düşürme de etkili olmasına karşın korozyon direncini düşürmüştür. Her ne kadar alaşımlama ile Ti'nin elastik modül değeri düşmüş olsa da, kemiğinkinin çok üzerindedir. Bu nedenle Ti-Nb esaslı alaşımlar tezin devam eden sürecinde poroz üretilmiştir. Poroziteli üretim ile implant-kemik arasındaki mekanik uyumsuzluk giderilmiş, implant gevşemesi olasılığı düşürülmüştür, yoğunluk değeri kemiğinkine yaklaşmıştır. Ayrıca, poroziteler vaskülarizasyon ve mineralizasyon için implant geçirgenliğine imkan sağlar, mekanik kenetlenmeyi destekler. Ancak porozite miktarı artışı korozyon direncini düşürmüştür. Bunun için son olarak anodizasyon ve elektrobiriktirme yüzey işlemleri ile hidroksiapatit-grafen oksit-kollajen içerikli biyoaktif kompozit kaplama gerçekleştirilmiştir. Bu yüzey modifikasyon işlemleri ile korozyon direncinin artmasının yanısıra osteoblast benzeri hücre gelişimi ve canlılığı arttırılmış, hidrofilik yüzey oluşturularak yüzeye protein adsorpsiyonu geliştirilmiştir. Sonuç olarak yük taşıyan implant gerekliliklerini karşılayan Ti-Nb esaslı alaşımlar geliştirilmiştir..
Anahtar kelimeler: Ti-Nb esaslı alaşımlar, implant, biyomalzeme, porozite, biyoaktif kaplama, toz metalurjisi, hidroksiapatit, elektrobiriktirme

Abstract:
In this study, effects of alloying elements (Nb, Ta, Zr, Sn), porosity characteristics (mechanical values appropriate to bone) and bioactive surface modification methods have been studied in order to produce and develop Ti alloy with the necessary mechanical properties, high corrosion resistance and bio properties (vascularization, mineralization, osseointegration, etc.) for load bearing implant applications such as knee and hip prosthesis. Traditional powder metallurgy, powder injection molding, porous production by space-holder method, surface modification methods (anodization, electrodeposition) were preferred as production method. The elastic modulus of the alloy decreased due to the increased beta-phase stability and porosity by the addition of Nb to the Ti. The strength of the Ti-Nb alloys was higher than that of Ti owing to solid solution hardening. As the content of Nb increased, elastic modulus and hardness increased due to the formation of carbides. In addition, as a result of the increase of Nb content, corrosion resistance and ability of hydroxyapatite formation have developed. Ti-16Nb alloy is selected as a sample with optimum properties. The addition of Zr to this alloy was studied, followed by the effects of Ta addition on properties of Ti-Nb-Zr alloy were investigated. According to the results of experiment and analysis, the addition of Zr and Ta showed similar results due to the fact that they generally showed beta-stabilizing effect, reduced the elastic modulus, increased the mechanical properties and increased the corrosion resistance. Also, Sn addition reduced elastic modulus and corrosion resistance. Although the elastic modulus of the Ti is reduced by alloying, it is much higher than that of bone. For this reason, porous Ti-Nb based alloys are produced. Thanks to the porosity production, the mechanical incompatibility between the implant and bone was removed and the density value was close to the bone. In addition, porosities enable implant permeability for vascularization and mineralization, and support mechanical fixation. However, porosity reduced the corrosion resistance. For this purpose, bioactive composite coating containing hydroxyapatite-grafen oxide-collagen was carried out by anodization and electrodeposition processes. As a result of these surface modification processes, corrosion resistance was increased and osteoblast-like cell growth and viability were increased, and protein adsorption was improved by forming a hydrophilic surface. As a result, Ti-Nb-based alloys have been developed to meet the load-bearing implant requirements.
Keywords: Ti-Nb based alloy, implant, biomaterial, porosity, bioactive coating, powder metallurgy, hydroxyapatite, electrodeposition