Ta2O5 ve HA ile tabakalı ve hibrit kaplanmış Mg alaşımının in vitro ve in vivo performansının belirlenmesi
Determination of Ta2O5 and HA coated with layered and hybrid Mg alloy in vitro and in vivo performances
Yazar: SEVDA ALBAYRAK
Danışman: DOÇ. DR. HANİFİ ÇİNİCİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Magnezyum ve alaşımları günümüzde biyomalzeme uygulamalarında son yılların odak noktası haline gelen metalik biyomalzemelerdir. Bu tez çalışmasında toz metalürji (TM) metoduyla üretilen AZ91 Mg altlık yüzeylerine Tantal Oksit (Ta2O5) ve Hidroksiapatit (HA) ile sol-jel yöntemiyle tabakalı ve hibrit kaplamalar yapılarak kalıcı ortopedik implant olarak kullanılabilme potansiyeli araştırılmıştır. Kaplamalarda fazların tayini için XRD, morfolojik değerlendirmesi ve elementel analizleri için SEM-EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Kaplama-altlık yapışma durumunu değerlendirmek için çizik testi ve bağ yapılarının tespiti için FTIR analizleri yapılmıştır. Potansiyodinamik elektrokimyasal korozyon özellikleri ise HBSS, DMEM ve DMEM+%10 FBS ortamları içerisinde değerlendirilmiştir. Antibakteriyel aktivite analizleri için S. Aureus ve E. Coli bakterileri kullanılmıştır. Numunelere PBS-DMEM-SBF gibi farklı tampon çözeltilerde 7 günlük süre ile biyobozunurluk analizi yapılmış ve günlük pH ve morfolojik değişimlerin takibi yapılmıştır. İn vitro biyouyumluluk analizleri kapsamında vasat ortamında (DMEM-LG) numunelerin iyon salım analizleri ve pH takibi 1, 7, 14, 21 ve 28. günler için ICP-OES cihazından ölçümler alınarak gerçekleştirilmiştir ve aynı periyotlarla pH takibi yapılmıştır. Sitotoksisite testleri için kiMKH ve skOBH hücreleri kullanılarak canlılıkları kantitatif olarak ters faz mikroskobu ile değerlendirilmiştir. Kalitatif canlılık değerlendirmeleri için ise haftalık olarak MTT kiti ile ALP aktivitesi tespiti, histokimya analizlerinde vK ve AR boyamaları, immünohistokimya analizlerinde ise anti-kollajen-tip-1 ve anti-osteokalsin antikor boyamaları gerçekleştirilmiştir. İn vivo deneyleri için erkek Yeni Zelanda tavşanları kullanılarak femur kemiği proksimalinde mikromatkap yardımıyla lateralde trokanter majör üzerinden medialde trokanter minör medial korteksine doğru bir tünel açılarak 1,5 mm çap, 6 mm uzunluktaki test materyali, oluşturulan bu tünele yerleştirilmiş ve 6-12 haftalık periyotlarda takibi yapılmıştır. İn vivo çalışmalar kapsamında histolojik ve radyolojik incelemeler gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması sonucunda, özellikle Hibrit kaplanan AZ91 Mg alaşımının korozyon, in vitro ve in vivo çalışmaları sonucunda kalıcı protez olarak kullanılma potansiyelinin olduğu ortaya koyulmuştur.

Abstract:
Magnesium and its alloys are metallic biomaterials that have become the focal point of attention in recent years for biomedical applications. In this thesis, the potential use of AZ91 Mg substrates produced by the powder metallurgy (PM) method was investigated as a permanent orthopedic implant by applying layered and hybrid coatings of Tantalum Oxide (Ta2O5) and Hydroxyapatite (HA) using the sol-gel method. XRD was performed for phase determination in the coatings, and SEM-EDS analyses were conducted for morphological evaluation and elemental analyses. Scratch tests were conducted to assess coating-substrate adhesion, and FTIR analyses were performed to detect bond structures. Potentiodynamic electrochemical corrosion properties were evaluated in HBSS, DMEM, and DMEM+%10 FBS environments. S. Aureus and E. Coli bacteria were used for antibacterial activity analyses. Biodegradation analysis was carried out in different buffer solutions such as PBS-DMEM-SBF for a duration of 7 days, with daily monitoring of pH and morphological changes. In vitro biocompatibility analyses included ion release analyses and pH monitoring of samples in a standard medium (DMEM-LG) on the 1st, 7th, 14th, 21st, and 28th days using ICP-OES, along with pH monitoring at the same intervals. Cytotoxicity tests were conducted using hFOB and hMSC cells, and their viability was quantitatively evaluated using phase-contrast microscopy. For qualitative viability assessments, weekly MTT assays, vK and AR staining in histological analyses, and anti-collagen-type-1 and anti-osteocalcin antibody staining in immunohistochemistry analyses were performed. In vivo experiments were conducted using male New Zealand rabbits, with a 1.5 mm diameter, 4 mm length test material inserted into a tunnel created from the lateral trochanter major to the medial trochanter minor medial cortex of the femur bone proximal using microdrill assistance. Follow-ups were performed at 6-12 week intervals. Histological and radiological examinations were conducted as part of in vivo studies. The results of the thesis indicate the potential use of the AZ91 Mg alloy, especially when coated with a hybrid layer, as a permanent prosthesis based on corrosion, in vitro, and in vivo studies.