Kaplanmış gözenekli Tİ6A14V implantların lazer metal toz ergitme (LAM) teknolojisi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of coated porous Tİ6A14V implants by laser powder bed fusion (L-BPF) technology
Yazar: FATMA NUR DEPBOYLU
Danışman: PROF. DR. FEZA KORKUSUZ ; DR. EVREN YASA
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Daldırma kaplama yöntemi = Dipping coating method ; Katmanlı üretim = Additive manufacturing ; Ortopedik implantlar = Orthopedic implants ; Yüksek mertebeli sonlu elemanlar = Higher order finite elements ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials

Özet:
Metal ortopedik implantlar, fonksiyonel olarak kemik hasarlarında iç onarımı sağlamak için oldukça umut verici tıbbi cihazlardır. İmplantın uygulanan bölgeye uygun elastik modülüs ve vücutta oluşacak olumsuz etkileri önleyici biyouyumluluk özelliklerinin olması minimum gereksinimlerdir. İdeal implant malzemesi üzerine yaygınlaşmış çalışmalar, yüksek mekanik mukavemet ve osteointegrasyon özellikleri nedeniyle titanyum elementler ve alaşımlar üzerinde yapılmaktadır. Bununla birlikte, piyasada geleneksel yöntemlerle yapılan Ti6Al4V alaşımlı implantlar, yüksek mekanik mukavemeti, stres koruma etkisi ve düşük süneklik gibi dezavantajlardan dolayı ideal implant özelliklerinden uzaktır. Bu problemi çözmek için tezde, dokuları implanta daha iyi entegre etmek ve kemiğin mekanik özelliklerine yaklaşmak amacıyla üçlü periyodik minimal yüzey (ÜPMY) kafes yapısına sahip gözenekli implantlar kullanılmıştır. Tezin başlangıç noktası, istenen mekanik özellikleri ve gözeneklilik oranı ile hücre hareketini sağlamak için kontrollü ÜPMY gözenek yapısının tasarımı ve bu yapıya sahip Ti6Al4V implantların, lazerle metal toz ergitme (LAM) teknolojisi kullanılarak üretimini sağlamaktır. Tezin genel amacı, ortopedik cerrahide kullanılabilen, piyasadaki konvansiyonel gözeneksiz titanyum implantlara kıyasla, mekanik özellikleri kemiğe daha yakın ve biyouyumluluk açısından daha yüksek aktivasyon gösterebilecek Ti6Al4V ÜPMY implantlar tasarlamak ve üretmektir. Ek olarak, gözenekli implantları kalsiyum fosfat ve polimer kompozitle kaplayarak osteointegrasyonun arttırılması amaçlanmaktadır. Amaca göre, tezin ilk bölümü Ti6Al4V ÜPMY yapılar için tasarım ve üretim süreci olmuştur. Bu bölüm ayrıca implant gereksinimlerini sağlamak için önce ÜPMY tasarım parametreleri, daha sonra LAM işlem parametreleri ve son adım temizleme işlemi parametreleri optimizasyonu ile prototip geliştirme olan yinelemeli süreci içermektedir. İkinci bölüm olan kaplamada, yüzey işlevselleştirme, CaP / Polimer kompozit sentezi, daldırma kaplama parametre optimizasyonu ve daldırma kaplama işlemi ile devam edilmiş, son olarak kompozit ve titanyum yüzey arasındaki kaplama kalitesini ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi için kaplama gerilme testleri yapılmıştır. Üçüncü bölümde, Ti6Al4V gözenekli implantların biyouyumluluk özelliklerinin elde edilmesi için sitotoksisite testi uygulanarak karakterizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Metal orthopedic implants are the pioneer medical devices for functionally providing internal repair at bone damage.  The suitable mechanical properties for the applied area and biocompatibility features to prevent negative effects on the body are the minimum requirements the implants should have. The typical studies on the ideal implant material are carried out on titanium and its alloys due to their high mechanical strength and osteointegration properties. However, Ti6Al4V alloy implants made by conventional methods in the market are far from ideal implant properties due to disadvantages such as high mechanical strength, stress protection effect and low ductility. To solve this problem, porous implants with triple periodic minimal surface (TPMS) lattice structure was used in order to integrate the tissues into the implant better and approach the elastic modulus of bone. The beginning point of the thesis is the design of the controlled TPMS lattice structures to provide the desired mechanical properties and porosity ratio and cell movement, and the production of Ti6Al4V implants with this structure using laser metal powder melting (L-PBF) technology. The general aim of the thesis is to design and produce Ti6Al4V TPMS implants that can be used in orthopedic surgery, with mechanical properties closer to bone and higher activation in terms of biocompatibility compared to conventional non-porous titanium implants on the market. In addition, it is aimed to increase osteointegration by coating porous implants with calcium phosphate and polymer composite. According to the aim, the first part of the thesis was the design and production process for Ti6Al4V TPMS structures. This section also includes the iterative process with the optimization of TPMS design parameters first, then LAM process parameters and final step cleaning process parameters to reach cleaned fully dense and high dimensional accuracy as implant requirements. The second work package of the thesis is the coating process began with surface functionalization and continued with CaP / Polymer composite synthesis and dip coating process, finally, coating tensile tests were performed to determine the coating quality and mechanical properties between the composite and titanium surface. In the third chapter, the cytotoxicity test was applied to obtain the biocompatibility properties of Ti6Al4V porous implants.