Biyomalzeme olarak kullanılan ZK60 MG alaşımının nanokompozit kaplanması ve karakterizasyonu
Nanocomposite coating and characterization of ZK60 MG alloy used as a biomaterial
Yazar: CANSER GÜL
Danışman: DOÇ. DR. HANİFİ ÇİNİCİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Biyomalzemeler insan vücudunda hasarlı doku ve organların yerine veya onlara yardımcı olmak amacıyla geliştirilen malzemelerdir. ZK60 magnezyum alaşımı, biyouyumluluğu ve düşük yoğunluğu nedeni ile kalıcı implant uygulamalarında kullanıma uygun bir alaşım olsa da düşük korozyon dayanımları kullanımlarını sınırlandırmaktadır. Korozyon dayanımının arttırılması durumunda büyük bir potansiyele sahiptir ve gerçekleştirilen doktora tez çalışması kapsamında altlık alaşım olarak kullanılmıştır. ZK60 Mg alaşımının korozyon hızının minimize edilmesi ve literatüre antibakteriyel özellikli, kemik ile benzer yoğunlukta bir biyomalzeme kazandırılması amacıyla temin edilen ZK60 Mg alaşımlarının yüzeyleri farklı pürüzlülük değerlerinde hazırlanmış ve fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve süspansiyon plazma sprey (SPS) yöntemleri ve bu yöntemlerin kombinasyonları ile, ZrO2 ve Ta2O5 tabakaları ve bunların tabakalı kompozit kaplamaları uygulanarak numuneler elde edilmiştir. Numunelerin karakterizasyonu için X-ışını kırınımı (XRD), enerji dağılım spektrometreli (EDS) taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve yüzey profilometresi kullanılmıştır. Korozyon deneyleri elektrokimyasal potansiyodinamik korozyon deney ünitesi kullanılarak, hazırlanan yapay vücut sıvısı (SBF) içinde gerçekleştirilmiştir. Kuru kayma koşullarında aşınma deneyleri gerçekleştirilmiş ve aşınma izlerinin stereo mikroskop ve SEM görüntüleri alınmıştır. Aşınma sonrası izlerin 2D ve 3D profilometre ölçümleri yapılmış ve hacim kaybı hesapları ve numunelerin yüzey sertlikleri değerlendirilmiştir. Yüzey özelliklerinin tespiti için temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca antibakteriyel özellik tespiti için gram pozitif S.Aureus bakteri grubu kullanılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, Ta2O5 içerikli kaplanmış numunelerde üstün antibakteriyel özellik tespit edilmiştir. SPS yöntemi ile uygulanan kaplamalarda aşınma dayanımı, mekanik ve antibakteriyel özellikler daha üstün elde edilirken, PVD yöntemi ile uygulanan kaplamaların korozyon dayanımları daha yüksektir. Daha düşük pürüzlülük değerlerine sahip, hidrofilik özellikli yüzeylerin daha çok bakteri tutma eğiliminde olduğu fakat bu yüzeylerin korozyon dayanımlarının daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Hidrofobik özellikte elde edilen yüzeylerde geniş bir zone oluşumu gözlemlenmiş fakat pürüzlülüğün yüksek olması lokalize korozyonu arttırması nedeni ile korozyon dayanımlarını bir miktar düşürmüştür.

Abstract:
Biomaterials are materials developed to replace or assist damaged tissues and organs in the human body. Although the ZK60 Magnesium alloy is an alloy suitable for permanent implant applications due to its biocompatibility and low density, its low corrosion resistance limits its use. If the corrosion resistance is increased, it has great potential, and within the scope of the doctoral thesis study, it was used as a substrate alloy. To minimize the corrosion rate of the ZK60 Mg alloy and to introduce an antibacterial material with density similar to bone into the literature, the surfaces of the ZK60 Mg alloys were prepared at different roughness values, and samples were obtained by applying ZrO2 and Ta2O5 layers and their layered composite coatings using Physical Vapor Deposition (PVD) and Suspension Plasma Spraying (SPS) methods and combinations of these methods. For the characterization of the samples, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive spectroscopy (EDS), and surface profilometry were used. Corrosion tests were carried out in simulated body fluid (SBF) using an electrochemical potentiodynamic corrosion test unit. Wear tests were conducted under dry sliding conditions, and wear track images were taken using stereo microscopy and SEM. 2D and 3D profilometry measurements of the wear tracks were made, volume loss calculations were performed, and the surface hardness of the samples was evaluated. Contact angle measurements were conducted to determine surface properties. Additionally, the Gram-positive S. Aureus bacteria group was used to determine antibacterial properties. As a result of the study, superior antibacterial properties were identified in Ta2O5 coated samples. In coatings applied by the SPS method, wear resistance, mechanical, and antibacterial properties were superior, while coatings applied by the PVD method exhibited higher corrosion resistance. It was determined that surfaces with lower roughness values and hydrophilic properties tend to retain more bacteria, but these surfaces also have higher corrosion resistance. On surfaces obtained with hydrophobic properties, a broad zone formation was observed, but the high roughness increased localized corrosion, thereby slightly reducing corrosion resistance.