Termal püskürtülebilir stronsiyum iyon değişimli hidroksiapatit tozunun püskürtme kurutma ile üretilmesi ve karakterizasyonu
Producing and characterization of thermal sprayable strontium ion substituted hydroxyapatite powder via spray drying
Yazar: FATİH ERDEM BAŞTAN
Danışman: PROF. DR. FATİH ÜSTEL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Hidroksiapatit (HA) malzemesi gerek toz gerekse kaplama olarak; yüksek biyo-uyumluluğu ve biyoaktivitesi sebebiyle, biyomedikal uygulamalarda yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. HA malzemesinin ortopedik ve dental operasyonlarda en önemli fonksiyonu, vücutta bulunan hasarlı parçaları tamir etmesi ve kırık kemiklerin tedavisinde yenileyici olarak kullanılmasıdır. Seramik karakterli olan HA'in bulk olarak in-vitro uygulamalarında kullanımını sınırlı mekanik özellikleri kısıtlamaktadır. Bu dezavantajın aşılmasının bir yolu, yüksek mekanik mukavemete sahip metalik implantların (Ti ve Co alaşımları, vb.) yüzeyinin plazma sprey yöntemiyle HA tabakası ile kaplanmasıdır. 

Sentezlenen HA'in biyolojik performansının geliştirilmesine yönelik, HA kristal kafesine Sr iyonu katkılandırılmıştır. Artan Ca-Sr katkı oranının HA'in fiziksel ve kimyasal özelliklerine etki yaptığı tespit edilmiştir. XRD çalışmalarında, %8 mol oranında Sr katkılı HA (8SrHA) tozunun 1250°C'de uygulanan ısıl işlem sonrasında apatit faz yapısını muhafaza ettiği, artan Sr oranının (mol %16 Sr) ise HA'in tri kalsiyum fosfat (TCP) fazına dekompoze olmasına neden olduğu bulunmuştur. TG, FTIR ve RAMAN çalışmaları da Sr iyon değişiminin kademeli olarak HA'in termal stabilitesini azalttığı ve oksihidroksiapatit/ oksiapatit fazına dekompozisyonu arttırdığını göstermektedir. 

Tez çalışmasının amacı; çöktürme metoduyla HA sentezlenmesi, sonrasında püskürtme kurutma teknolojisi yardımıyla HA çamurundan kaplama uygulamalarına elverişli tozların üretilmesidir. Kaplama uygulamaları için termal sprey proses karakteristiğine uygun ve püskürtülebilir toz boyutuna (plazma sprey: +20-60 µm)/ (HVOF: +5-30 µm) sahip küresel tozların üretilmesi hedeflenmiştir. Püskürtme kurutma optimizasyonu için Taguchi deney tasarımında; çöktürme pH'ı, çamur katı oranı, atomizasyon basıncı, çamur besleme hızı, giriş sıcaklığı, sıcak hava hızı, etken parametreler olarak seçilmiştir. Araştırmalar sonucunda; ortalama parçacık boyutu üzerine en etken parametrelerin atomizasyon basıncı ve püskürtme kurutma çamuru besleme hızı olduğu görülmüştür.

HVOF püskürtme yardımıyla sentezlenen ve püskürtme kurutulan HA tozlarından (saf HA, 2SrHA ve 8SrHA) ~150 µm kalınlığına sahip tabakalar üretilmiştir. İn-vitro hücre testleri sonucunda, molce %2 Sr ve molce %8 Sr katkılı HA kaplamaların yüzeyinde görülen hücre canlılığının /aktivitesinin (hücre çoğalması) katkısız HA kaplamalara göre daha fazla olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar kelimeler: Hidroksiapatit, İyon değişimi, Stronsiyum, Püskürtme Kurutma, HVOF Kaplama

Abstract:
Hydroxyapatite (HA) has been widely used as both powder and coating in biomedical applications owing to its high bio-compatibility and bioactivity. The most important functions of the HA in orthopaedic and dental operations are its usage as replacement of the broken bones and repairment of the damaged parts in the body. However, the use of bulk HA in in-vitro applications is limited because of its relatively poor mechanical properties due to its ceramic characteristics. One way to overcome this disadvantage is to produce HA layers via plasma spraying method onto the surfaces of metallic implants having high mechanical strength such as Ti and Co alloys.

The Sr ion was added to the HA crystal lattice to improve the biological performance of the synthesized HA. It has been determined that the increased Ca-Sr ion substitution ratio affects the physical and chemical properties of HA. XRD studies show that the HA powder (8SrHA) consisting 8 mol. % Sr ion substitution retains the apatite phase structure after the heat treatment at 1250 ° C while the increased Sr ratio (16 mol. % Sr) causes the decomposition of the HA to the tri calcium phosphate phase (TCP). TG, FTIR and RAMAN studies also indicate that Sr ion substitution gradually reduces the thermal stability of HA and increases its decomposition to the oxyhydroxyapatite/ oxyapatite phase.

The aim of this thesis is to produce potential powders for HA coating applications by spray drying of HA slurry synthetized via precipitation method.  It is aimed to produce spherical powders having suitable thermal spray process characteristics and sprayable powder size (plasma spray: + 20-60 μm)/ (HVOF: + 5-30 μm) for coating applications. Precipitation pH, slurry solid content, atomization pressure, slurry feed rate, inlet temperature, hot air velocity were selected as affecting parameters for the optimisation of spray drying by Taguchi Experimental Design. As a result of the research study; the most effective parameters on the average particle size were found to be the atomization pressure and the slurry feed rate of spray drying. 

HA layers with ~150 µm thickness were produced from the synthesized and the spray dried powders (pure HA, 2SrHA and 8SrHA) via HVOF spraying. The results of in-vitro cell tests revealed that the cell viability / activity (cell proliferation) observed on the surface of 2 mol. % Sr and 8 mol. % Sr doped HA coatings was greater than that of pure HA coatings.

Keywords: Hydroxyapatite, Ion Substitution, Strontium, Spray Drying, HVOF Coating