Ti6Al4V yüzeyinde anodik oksidasyonla titanyum dioksit nanotüp büyütülmesi ve antibakteriyel özelliklerinin gümüş nanopartikül ve grafen oksit ile geliştirilmesi
Growth of titanium dioxide nanotubes by anodic oxidation on Ti6Al4V surface and improvement of antibacterial properties with silver nanoparticle and graphene oxide
Yazar: İREM CEMRE TÜRÜ
Danışman: PROF. DR. NURHAN CANSEVER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Anodik oksidasyon = Anodic oxidation ; Anodizasyon = Anodization ; Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyouyumluluk = Biocompatibility ; Etilen glikoller = Ethylene glycols ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide

Özet:
Ortopedide implant uygulamalarında kullanılan Ti6Al4V alaşımının vücut içindeki yapılarla uyumunu geliştirmek ve alaşıma antibakteriyel özellik kazandırmak amacıyla çeşitli yüzey işlemleri uygulanmaktadır. Alaşım yüzeyinde TiO2 nanotüplerin oluşturulması; bu nanotüplerin biyoinert yapıda olmaları, pürüzlü bir yüzey ve geniş yüzey alanı sağlayarak vücut içi etkileşimleri arttırmaları ve iç boşluklarının tüplere ek özellik kazandırmak amacıyla doldurulabilmesi nedeniyle en çok tercih edilen yüzey işlemlerinden biridir. İmplant uygulamalarında sıklıkla karşılaşılan bakteri nedenli enfeksiyonları engellemek amacıyla ise, alaşım yüzeylerine antibakteriyel özellikte bileşik veya partiküller ilave edilmektedir. Gümüş nanopartiküller, insan vücuduna olan toksik etkisinin mikroorganizmalara olan etkisine kıyasla daha düşük olması; grafen oksit ise, antibakteriyel özellik kazandırırken aynı zamanda biyouyumluluğu da geliştirmesi sebebiyle antibakteriyel uygulamalarda dikkat çekici olmuştur. Bu doktora tezi kapsamında; Ti6Al4V-ELI (Grade 23) biyomedikal alaşımının ortopedik uygulamalarda implant olarak kullanılması amacıyla biyouyumluluğunun iyileştirilmesi ve yüzeylere antibakteriyel özellik kazandırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla ilk olarak, farklı NH4F (%0,1-1 w/w) ve H2O (%1-10 v/v) miktarları içeren etilen glikol çözeltilerinde, farklı sürelerde (30-180 dk) 30 V potansiyelde gerçekleştirilen anodik oksidasyon deneyleri ile alaşım yüzeyinde farklı uzunluk ve por çaplarına sahip TiO2 nanotüpler oluşturulmuştur. Bu nanotüplerin karakterizasyonu için FESEM ve XRD analizleri ve ayrıca Ringer çözeltisinde elektrokimyasal deneyler yapılmıştır. İşlem süresi ve elektrolit bileşiminin oluşan TiO2 nanotüplerin morfolojisini ve yapısını büyük ölçüde etkilediği ortaya konmuştur. 30 V-60 dk-%0,5 NH4F ve %5 H2O içeren EG çözeltisi koşullarında yüzeyde tüp yapısının belirgin olduğu, por çapının ort. 57,8 nm ve tüp uzunluklarının eş dağılımlı olması ile nanopartikül biriktirme işlemine uygun bir yüzeyin elde edildiği görülmüştür.  Bu koşullarda elde edilen TiO2 nanotüplere gümüş nano partikül ve indirgenmiş grafen oksit elektroforetik yöntemle biriktirilmiştir. Alaşım yüzeyinde oluşturulan TiO2 nanotüplerin ve bu nanotüplerin yüzeylerine biriktirilen nanopartiküllerin; S. aureus bakterileri ile 96 sa süreyle yapılan antibakteriyel testler sonucunda alaşımın antibakteriyel etkisini geliştirdiği, L929 fibroblast hücreleri ile 72 sa süreyle yapılan MTT testi sonucunda ise hücre canlılığı üzerinde olumlu etki gösterdiği bulunmuştur.

Abstract:
Various surface treatments are applied in order to improve the compatibility of the Ti6Al4V alloy, which is used in implant applications in orthopedics, with the structures in the body and to give the alloy antibacterial properties. Formation of TiO2 nanotubes on the alloy surface is one of the most preferred surface treatments because these nanotubes are bioinert, increase intra-body interactions by providing a rough surface and large surface area, and can be filled in order to add additional properties to the surface. In order to prevent bacterial infections, which are frequently encountered in implant applications, antibacterial compounds or particles are added to the alloy surfaces. Silver nanoparticles have a lower toxic effect on the human body compared to the effect on microorganisms; graphene oxide, on the other hand, has attracted attention in antibacterial applications because it provides antibacterial properties and also improves biocompatibility. Within the scope of this doctoral thesis; in order to use Ti6Al4V-ELI (Grade 23) biomedical alloy as an implant in orthopedic applications, it was aimed to improve the biocompatibility and to provide antibacterial properties to the surfaces. For this purpose, firstly, anodic oxidation experiments were carried out in ethylene glycol solutions containing different amounts of NH4F (0.1-1 wt.%) and H2O (1-10 vol.%) at different durations (30-180 min) by applying 30 V potential. FESEM and XRD analyzes as well as electrochemical experiments in Ringer solution were performed to characterize these nanotubes. It was revealed that the anodization time and electrolyte composition greatly affect the structure and morphology of the formed TiO2 nanotubes. In the conditions of 30 V-60 min-0.5 wt.% NH4F and 5 vol.% H2O containing EG solution conditions, it was observed that the tube structure was evident on the surface, the pore diameter was 57,8 nm and the tube lengths were uniform, resulting in a surface suitable for nanoparticle deposition. Silver nanoparticles and reduced graphene oxide were deposited on the TiO2 nanotubes obtained under these conditions by electrophoretic method. TiO2 nanotubes formed on the alloy surface and silver nanoparticles and graphene oxide deposited on these nanotubes were found to improve the antibacterial effect of the alloy as a result of antibacterial tests performed with S. aureus bacteria for 96 hours. Also, they had a positive effect on cell viability as a result of the MTT test performed with L929 fibroblast cells for 72 hours.