Ti6al4v/ti6al7nb alaşımlarının grafen katkılı hidroksiapatit biyomalzeme ile kaplanması
Coating of ti6al4v/ti6al7nb alloys with graphene doped hydroxyapatite biomaterial
Yazar: OKTAY YİĞİT
Danışman: PROF. DR. NİYAZİ ÖZDEMİR
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Metal malzemeler = Metal materials ; Seramik kaplama malzemeleri = Ceramic covering equipments ; Tıbbi malzemeler = Medical supplies ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials

Özet:
Bu çalışmanın amacı Ti6Al4V/Ti6Al7Nb alaşımları yüzeyinde Grafen Nano Sheets (GNS) ve Nano-Hidroksiapatit (nHA) hibrit kompozit yapı elde etmek ve kaplamaların morfolojik, kimyasal ve mekanik özelliklerini araştırmaktır. Bu çalışmada, Ti6Al4V/Ti6Al7Nb alaşımları yüzeyi üzerindeki grafen / nano-hidroksiapatit (nHA) hibrit nanokompozitler hidrotermal (HT) yöntemi ve plazma elektrolitik oksidasyon (PEO) yöntemi kullanılarak iki farklı yöntemle tek aşamalı olarak kaplanmıştır. Numuneler Ti6Al4V alaşımı için 25x25x3 mm3 ve Ti6Al7Nb alaşımı için 25x25x4,1 mm3 kalınlıkta kesilmiş ve yüzeylerdeki doğal oksit tabakalarının giderilmesi için öncelikle Ti6Al4V/Ti6Al7Nb alaşımlarının yüzeyleri 240-1200 mesh SiC zımpara kâğıdı kullanılarak parlatıldı ve ultrasonik olarak saf su ile temizlendi. Hidrotermal reaksiyon 200 °C'de 220 bar basınç altında 24 saatlik sürede, katkısız HA ve ağırlıkça %1,%3,%5 ve %7 GNS katkılı olacak şekilde gerçekleştirildi. PEO ise %10 Duty Cycle, 500 pozitif Voltaj ve -100 negatif voltaj da bipolar mod kullanılarak 10 dakika süre ile 1000, 1500 ve 2000 Hz frekanslarda katkısız HA, ağırlıkça %0,5, %1 ve % 1,5 GNS katkılı olacak şekilde gerçekleştirildi.  Yüzey kaplamaları gerçekleştirilen yüzeylerin kristolografik özellikleri XRD analizi, fonksiyonel grupları ATR-IR ile elemental analizi ise EDS analizi ile belirlendi. Yüzey morfolojik özellikleri AFM ve SEM analizleri kullanılarak incelendi. Kaplamaların in-vitro korozyon testleri ile korozyon dirençleri incelendi. Her iki yöntemle elde edilen kaplamalar detaylı olarak incelenerek kaplama özelliklerinin parametrelere ve kaplama yöntemlerine bağlı olarak değişimleri kıyaslanmıştır. Analiz sonuçları, nHA-Grafen kompozitlerinin her iki yöntemlede Ti6Al4V/Ti6Al7Nb numuneleri yüzeyinde başarılı şekilde kaplamalar elde edildiğini gösterdi. XRD ve ART-IR analizleri yüzeylerde HA ve GNS varlığını kanıtladı. SEM analizi ve AFM analizi ile yüzeylerde elde edilen gözenekli ve pürüzlü yüzey kaplamaları görüldü. Artan frekans ve GNS katkı oranına bağlı olarak kaplama kalınlığı artmıştır. Analiz sonuçları incelendiğinde GNS katkılanması ile kaplamaların mekanik ve kimyasal özelliklerinin geliştirildiği özellikle PEO yöntemi ile üretilen kaplamalarda yüzey sertliklerinin GNS katkısız kaplamalara göre önemli oranda artmıştır. Kaplamalarda GNS katkısı ile korozyon dayanımlarının ve yüzey pürüzlülüklerinin de arttırıldığı görüldü. Ayrıca korzoyon deneyleri sırasında SBF içerisinde 36,5 °C'de bekletilen yüzeylerde kemik benzeri apatit oluşumu gözlemlenmiş ve biyoaktivitif bir yüzey elde edilmiştir. Sonuçlar değerlendirildiğinde GNS katkılı nHA hibrit kompozit kaplamaların biyomedikal alanlarda kullanılması konusunda önemli sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of this study is to obtain Graphene Nano Sheets (GNS) and Nano-Hydroxyapatite (nHA) hybrid composite structure on Ti6Al4V / Ti6Al7Nb alloys and to investigate morphological, chemical and mechanical properties of coatings. In this study, the nano-hydroxyapatite(nHA)/GNS hybrid nanocomposites were coated on the surface of Ti6Al4V / Ti6Al7Nb alloys with two different one-step methods which are the hydrothermal (HT) method and plasma electrolytic oxidation (PEO). Samples were cut 25x25x3 mm3 for the Ti6Al4V alloy and 25x25x4.1 mm3 for the Ti6Al7Nb alloy, and the surfaces of the Ti6Al4V / Ti6Al7Nb alloys were firstly polished using 240-1200 mesh SiC emery to remove the natural oxide layers on the surfaces. The hydrothermal reaction was carried out at 200 °C under a pressure of 220 bar for 24 hours, with five diffrent ratios 0%, 1%, 3%, 5% and wt. 7%GNS addition in HA . On the other hand, PEO was carried out by using bipolar mode at 10% Duty Cycle, 500 positive Voltage and -100 negative Voltage for 10 minutes at 1000, 1500 and 2000 Hz frequencies with no additive HA, 0.5%, 1% and wt. 1.5%GNS. The crystallographic properties of the surfaces coatings were determined by XRD analysis, functional groups with ATR-IR and elemental analysis EDS analysis. Surface morphological properties were examined using AFM and SEM analysis. Corrosion resistance of the coatings were examined by in vitro corrosion tests. The coatings obtained by both methods are examined in detail and the changes in the coating properties depending on the parameters and coating methods are compared. The results of the analysis showed that nHA-GNS composites were successfully coated on the surface of Ti6Al4V / Ti6Al7Nb samples in both methods. XRD and ART-IR analysis proved the presence of HA and GNS on surfaces. Porous and rough surface coatings obtained on the surfaces were seen by SEM analysis and AFM analysis. Coating thickness increased due to the increasing frequency and GNS addition rate in PEO. Also the thickness of the coatings increased with increasing of GNS addition in HT. When the results are analyzed, the mechanical and chemical properties of the coatings have been improved with the addition of GNS, and the surface hardness of the coatings produced with the PEO method has increased significantly compared to the undoped-GNS coatings. Corrosion resistance and surface roughness were also increased with GNS additives in coatings. In addition, bone-like apatite formation was observed on the surfaces kept at 36.5 ° C in SBF during the corrosion experiments and a bioactive surface was obtained. When the results are evaluated, significant results have been obtained in the use of GNS doped nHA hybrid composite coatings in biomedical fields.