Hidroksiapatit-zirkonya ile takviye edilmiş titanyum esaslı biyokompozit malzemelerin üretimi, karakterizasyonu ve in-vitro özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the production, characterization and in-vitro properties of titanium based biocomposite materials reinforced with hydroxyapatite-zirconia
Yazar: MEHMET TOPUZ
Danışman: PROF. DR. MEHMET GAVGALI
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmada biyomalzeme olarak tanımlanan implant malzemelerinin gerek mekanik gerekse biyouyumluluk özelliklerini geliştirmek amaçlanmıştır. Kompozit olarak tasarlanan implant malzemesinde sahip olduğu çeşitli avantajlardan dolayı matris malzemesi olarak titanyum (Ti) seçilmiştir. Mekanik özelliklerinin geliştirilmesi için zirkonya (ZrO2) katkısı kullanılırken, gelişmiş biyouyumluluğu ise hidroksiapatit (HA) katkısı ile elde edilmesi planlanmaktadır. Dahası tasarlanan implantın sahip olduğu makro gözenekler sayesinde hem elastik modül (E) azaltılması hem de doku-implant etkileşiminin arttırılması ön görülmüştür.

Yöntem: Çalışmada ana üretim yöntemi olarak toz metalürjisi (TM) seçilmiştir. Makro gözeneklerin oluşturulması için, porojen olarak, su içerisinde yüksek çözünme kabiliyetine sahip, kimyasal saflıktaki tuz (NaCl) seçilmiştir. Üretilen numunelerin karakterizasyon işlemleri; yoğunluk-gözeneklilik ölçümleri, optik mikroskop (OM), faz analizi için X-ışını kırınım (XRD), morfoloji incelemeleri için taramalı elektron mikroskobu (SEM) yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Mekanik testler olarak ise; mikro-vickers sertlik ve basma testleri uygulanmıştır. İn-vitro korozyon testleri üç elektrot yöntemi kullanılarak Hank's elektrolit içerisinde gerçekleştirilmiş, numunelerin sahip oldukları antibakteriyel özellikleri ise, E. coli ve S. auerus bakterileri karşısında ortaya çıkartılmıştır. 

Bulgular: Üretilen biyokompozitlerin takviye elemanlarını içerdikleri, yeterli mekanik dayanıma (9.94 ile 3.34 GPa arasında değişen E değeri) sahip oldukları ve gelişmiş in-vitro korozyon davranışlara sahip oldukları ortaya çıkarılmıştır. Antibakteriyel sonuçlarda ise, hem E.coli hem de S.aureus bakterilerini inhibe edici yapıda oldukları ortaya konmuştur.
 
Sonuç: Çalışma sonucunda, üretilen biyokompozit malzemelerin yeterli mekanik özellikler sergiledikleri, dahası stabil bir in-vitro korozyon davranışı gösterdikleri saptanmıştır. Dahası, antibakteriyel özellik sergiledikleri ortaya çıkarılmıştır.

Abstract:
Purpose: In this study, it was aimed to improve both mechanical and biocompatibility properties of implant materials defined as biomaterials. Titanium (Ti) was chosen as the matrix of the composite material due to the various advantages it has in the implant material. While zirconia (ZrO2) reinforcement is used to improve its mechanical properties, improved biocompatibility is planned to be achieved with hydroxyapatite (HA) reinforcement. Moreover, thanks to the macro pores of the designed implant, it has been suggested that both the elastic modulus (E) decrease and the tissue-implant interaction increase.

Method: Powder metallurgy (TM) was chosen as the main production method in the study. For the formation of macro pores, chemically high purity salt (NaCl) which high solubility in water, was chosen as the porogen. Characterization processes of produced samples; density-porosity measurements, optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD) for phase analysis, scanning electron microscopy (SEM) methods for morphology examinations were carried out. As for mechanical tests; micro-vickers hardness and compression tests were applied. In-vitro corrosion tests were carried out in Hank's electrolyte using the three electrode method, and the antibacterial properties of the samples were revealed against E. coli and S. auerus bacteria.

Findings: It has been revealed that the produced biocomposites contain reinforcing elements, have sufficient mechanical strength (E value ranging from 9.94 to 3.34 GPa) and have improved in-vitro corrosion Behavior. Antibacterial results revealed that they inhibit both E.coli and S.aureus bacteria.

Results: As a result of the study, it was determined that the produced biocomposite materials exhibit sufficient mechanical properties, moreover, they show a stable in-vitro corrosion behaviour. Moreover, they have been found to exhibit antibacterial properties.