Çinko esaslı antibakteriyel biyobozunur malzemelerin üretimi ve yüzey özelliklerinin mikro ark oksidasyon yöntemiyle geliştirilmesi
Production of zinc based antibacterial biodegradable materials and improvement of surface properties by the micro arc oxidation process
Yazar: AYBÜKE AYDOĞAN
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN YILMAZER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Doku ve organlar insan vücudunun en temel biyolojik bileşenleridir. Doku, organ veya fonksiyonel vücut kısımları zamanla veya dış etkenlerle işlevlerini yitirebilirler. Bu sebeple organ nakline veya doku onarımına duyulan ihtiyaç gün geçtikçe artmıştır.
İnsan vücudunda işlevlerini yerine getiremeyen canlı dokuların görevlerini üstlenen ya da onlara destek olarak kullanılan doğal, yarı sentetik veya sentetik malzemelere biyomalzeme adı verilir.
Biyomalzemelerden beklenen özelliklerden en temeli biyolojik olarak parçalanabilmeleridir. Biyobozunum; malzemenin doğal yollarla, herhangi bir enzim etkisi altında kalmadan hidrolize olmasıdır. Biyobozunur malzemeler diğer implant malzemelere göre birçok üstünlüğe sahiptir.
Vücut sıvılarıyla sürekli temas halinde olan implantların homojen olarak bozunması ve konak dokunun implant üzerine doğru büyümesi beklenir. Bu doku-implant yer değişimi sırasında mekanik bütünlük korunmalı ve toksik etkiler gözlenmemelidir. Biyobozunur malzemeler görevini yerine getirdikten sonra vücut içinde tamamen çözünmektedir ve geriye herhangi bir kalıcı artık bırakmadıklarından vücutta bağışıklık sistemini etkileyecek bir reaksiyona sebep olmazlar. Böylece implantın vücuda verdiği zararlı etkilerden kurtulmak için yapılan ikinci bir cerrahi operasyona gerek kalmaz.
Bazı biyobozunur malzemeler, makrofajlar gibi immünolojik hücrelerle etkileşmeleri sayesinde dokuların rejenerasyonunda etkili olabilirler. Kemik tedavilerinde, damar stentlerinde ve birçok biyolojik operasyonda kullanım alanları mevcuttur.
Bu tez çalışmasında vücut içinde tamamen çözünen bir biyobozunur malzeme tasarlanması, üretilmesi ve karakterizasyonunun yapılması hedeflenmiştir. Yüksek biyobozunurluğa ve biyouyumluluğa sahip Çinko (Zn), Bakır (Cu), Magnezyum (Mg) ve Gümüş (Ag) ile alaşımlandırılmıştır. Çinko, insan vücudunun düzgün çalışması için gerekli olan bir elementtir ve vücut içinde toksik etki göstermez. Az miktarda çinko, bağışıklık sistemini desteklerken protein ve enzimlerin sentezlenmesine yardımcı olur. Çinkonun korozyon direnci vücut için uygun değerde olmakla birlikte bazı mekanik özelliklerinin düşük olduğu belirlenmiştir. Mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için Cu ve Mg, antibakteriyellik özellik için ise Ag ile alaşımlama yapılarak biyobozunur bir implant malzeme üretilmiştir. Döküm yöntemi kullanılarak üretilen saf Zn ile Zn-Cu-(1-4Ag) ve Zn-Mg-(1-4Ag) alaşımlarının, yapısal, mikroyapısal, mekanik, biyolojik ve korozyon özellikleri incelenmiştir.
Hasarlı canlı dokunun işlevini yerine getirecek olan nihai implantın yüzey özellikleri oldukça önemlidir. Vücut sıvısı içinde toksik madde salmadan çalışması, konak doku ile temas halinde iken homojen olarak bozunması ve bu esnada mekanik özelliklerini koruması gibi gereklilikler mevcuttur. Bu gereklilikler doğrudan malzemenin yüzey özellikleri ile ilgilidir. Yüzey pürüzlülüğü, porozite, gözenek büyüklüğü ve homojen gözenek dağılımı değerleri uygun seviyelere sabitlenerek istenilen yüzey özelliklerine ulaşılabilir. Gerekli yüzey özellikleri için Mikro Ark Oksidasyon (MAO) yöntemi ile malzeme yüzeyinde oksit esaslı bir kaplama tabakası üretilmiştir. Bu yöntem bir elektrolit içerisinde bulunan malzemenin yüzeyinde bir dizi elektrokimyasal reaksiyon sonucu, sert, kalın, aşınma ve korozyona dirençli bir oksit tabakasının oluşturulması esasına dayanmaktadır. MAO işlemi için uygun parametreler (uygulanacak voltaj ve voltaja bağlı akım değerleri, elektrolit bileşimi, voltaj süresi ve frekansı) literatür taraması ile belirlenmiştir.
MAO işlemi ile malzeme yüzeyinde kaplama tabakası oluşturulduktan sonra, kaplama kalınlığı, yüzey pürüzlülüğü, por boyutu, kaplama yapışma dayanımı ve yüzeyin hidrofilik ya da hidrofobik özelliğini belirleyen temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, kaplama tabakasının X-ışını difraksiyon (XRD) analizi ile yapısal karakterizasyonu yapılmış, optik mikroskop ile mikroyapısı, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yüzey morfolojisi incelenmiştir. Mekanik özellikler, sertlik ve çekme deneyleriyle belirlenmiştir. Biyolojik deneyler kapsamında, yapay vücut sıvısı içinde bekletme ve antibakteriyellik deneyleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, sonuçlar ve irdeleme bölümünde verilmiş ve tartışılmıştır.
Üretilen biyomalzeme sosyal ve ekonomik açıdan oldukça fazla avantaja sahiptir. Hastanın yaşam kalitesinin artırılması, vücut içinde toksik madde kalmaması, eksplantasyon için ikinci bir cerrahi operasyona ihtiyaç duyulmaması, üretim kolaylığı ve ekonomik uygunluğu bu avantajlar arasında sayılabilir.

Abstract:
Tissues and organs are the most basic biological components of the human body. Tissue, organ or functional body parts may lose their function over time or by external factors. Therefore, the need for organ transplantation or tissue repair has increased day by day.
Natural, semi-synthetic or synthetic materials that take on the duties of living tissues that cannot perform their functions in the human body or are used to support them are called biomaterials.
The most fundamental of the characteristics expected from biomaterials is that they are biodegradable. Biodegradation can be defined as the hydrolysis of the material by natural means without any enzyme effect. Biodegradable materials have many advantages over other implant materials.
While the implants are in contact with body fluids decompose homogeneously, the host tissue is expected to grow towards the implant. During this tissue-implant displacement, mechanical integrity must be maintained and no toxic effects should be observed. Biodegradable materials dissolve completely in the body after performing their functions and do not cause any reaction to the immune system in the body since they do not leave any residual residues. Thus, there is no need for a second surgical operation to get rid of the harmful effects of the implant on the body.
In addition, some biodegradable materials may be effective in regeneration of tissues by their interaction with immunological cells such as macrophages. It is used in bone treatments, vascular stents and many biological operations.
At the beginning of this study, it is aimed to design a biodegradable material which is completely soluble in the body and to complete the characterization procedures.
In addition to the fact that zinc has some properties necessary to be used as a biomaterial, there are still a few features that need to be improved. The first of these is corrosion resistance. Corrosion is the name given to an undesirable reaction a metal has with its environment and environment. Corroded metal can be reduced to metal oxides, hydroxides and other compounds. Implants are exposed to fluids such as blood, saliva and tissue fluid, depending on where they are in the living body. These liquids; It contains various ions such as water, dissolved oxygen, protein, chloride and hydroxide. As a result of this situation, the human body becomes a highly corrosive environment for metallic implants. For this reason, metallic implants should not lose their mechanical strength and biocompatibility properties at least until they fulfill their duties. As a result of this requirement, especially metallic biomaterials, the most expected feature is high corrosion resistance. In addition, different parts of the body have different oxygen concentrations and pH values. This raises the problem that a metallic implant that does not corrode in one part of the body can corrode in another part of the body.
In this project, Zinc (Zn) element with high biodegradability and biocompatibility; Alloyed with copper (Cu), magnesium (Mg) and silver (Ag). Zinc is an essential element for the proper functioning of the human body and has no toxic effect on the body. A small amount of zinc supports the immune system and helps to synthesize proteins and enzymes. While the corrosion resistance of zinc was found to be suitable for the body, some mechanical properties were found to be weak. Copper (Cu) and Magnesium (Mg) were added to improve the mechanical properties and Silver (Ag) was added to provide antibacteriality. Finally, a biodegradable implant material was developed.
Besides pure Zn element, double and triple alloys were produced by casting method, necessary metallographic processes were performed and then characterization of the samples was completed with different methods.
On the other hand, the surface properties of the final implant, which will perform the function of the damaged live tissue, are very important. There are requirements to work without releasing toxic substances in the body fluid, to homogeneously decompose while in contact with the host tissue, while maintaining its mechanical properties. These requirements are directly related to the surface properties of the material. Surface roughness, porosity, pore size and homogeneous pore distribution values should be fixed to appropriate levels to achieve desired surface properties. For the required surface properties, the material surface was oxidized by Micro Arc Oxidation (MAO) process. This process is based on the formation of a hard, thick, abrasion and corrosion resistant oxide layer by a series of electrochemical reactions on the surface of the material contained in an electrolyte.
The appropriate parameters for the MAO process (voltage and voltage dependent current values to be applied, electrolyte content to be used, voltage and duration to be applied) were reached by literature review.
After the coating layer was produced on the surface by the MAO process, the coating thickness, surface roughness, pore size, coating adhesion strength and contact angle measurements that determine the hydrophilic or hydrophobic properties of the surface were performed. In addition, the structural characterization of the coating layer was made by X-ray diffraction (XRD) analysis, the microstructure was examined by an optical microscope while surface morphology was investigated by a scanning electron microscope (SEM). Mechanical properties were determined by hardness and tensile tests. As biological experiments, soaking in artificial body fluid and antibacterial tests were conducted. The obtained results are presented and discussed in the results and discussion section.
In this thesis study, after pure Zn, Zn-1Cu- (1-4Ag) and Zn-3Mg- (1-4Ag) alloys were produced by casting method, a coating layer was formed on their surface by MAO process. MA process was carried out in the electrolyte consisting of Na2SiO3 and KOH aqueous solution in certain proportions. The samples to be coated were connected to the MAO assembly as anode and +300 V and -60 V voltage was applied to the samples for 3 minutes. The layer formed on the surface of the samples as a result of the process has been characterized by different methods. 
The fabricated biomaterial produced has many social and economical advantages. Improving the patient's life quality, no toxic substances in the body, and no need for a second surgical operation for explantation, and simple production route and economic suitability can be considered among these advantages.