Biyoçözünür çinko esaslı alaşım üretimi ve sol-gel yöntemi ile biyoseramik kaplanması
Production of biodegradable zinc based alloys and their bioceramic coating by sol-gel method
Yazar: SÜLEYMAN ALP KARADOĞAN
Danışman: PROF. DR. BÜNYAMİN AKSAKAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Biyomedikal malzemeler; vücutta işlevini yerine getiremeyen uzuvların tedavi edilmesi, değiştirilmesi veya dokuların yenilenmesi için vücuda implante edilmektedir. Bu malzemelerin yerini aldıkları uzvun veya dokunun görevini yerine getirmesi, karşılaştığı yüklere karşı dayanımlarının yüksek olması ve toksik etki yaratmaması büyük önem taşımaktadır. 
Yapılan araştırmalarda biyobozunur metallerin gerek içyapı, gerekse mekanik ve yüzey özellikleri; onları diğer emsallerinden daha çekici implant ve stent malzemesi adayları yapmaktadır. Son birkaç yılda ise çinko esaslı metalik alaşımlar, biyolojik olarak emilebilir (biyobozunur) malzeme sınıfında yoğun bir çalışma alanı bulmaktadır. Daha biyouyumlu ve korozyona karşı daha dirençli stentlerde, uzun vadeli yan etkileri azaltmak için "biyolojik olarak emilebilir" fonksiyonel stentlerin geliştirilmesi üzerine çalışmalar halen devam etmektedir.
Bu çalışmada, biyomedikal alanda fonksiyonel bir implant veya stent malzemesi olarak kullanılması amacıyla biyoçözünür Zn-1Cu alaşımı ark ergitme döküm yöntemiyle dökülerek üretilmiş ve ardından homojenizasyon işlemine tabii tutulmuştur. Üretilen Zn-1Cu alaşım numuneleri, direkt döküm olarak (haddesiz) ve iki farklı deformasyon oranlarında  (%47 ve %61)  haddelenmiş; sonrasında sol-gel yöntemi ile biyoseramik kaplanıp mikroyapı-mekanik özellik değişimleri ile korozyon davranışları incelenmiştir. Numunelere uygulanan farklı haddeleme oranlarının içyapıya, mekanik dayanımına ve korozyon direncine olan etkileri deneysel olarak araştırılmış; deformasyon sonrası içyapı değişimlerinin malzemenin özelliklerine olan etkisi irdelenmiştir. Zn-1Cu numunelere sol-gel yöntemiyle yapılan hidroksiapatit (HA) esaslı biyoseramik kaplama sonrasında korozyon dirençlerindeki değişimler gözlenmiştir. 
Yapılan mikroyapı analizlerine göre; hadde öncesinde görülen tane sınırları, ikincil fazlar ve döküm kusurları (çatlak, boşluk), hadde sonrasında numune yüzeyine yayılmış bir görüntü sergilemişken, özellikle haddeli numunelerde, tavlama sonrasındaki optik incelemeler sonucu yeniden kristalleşme ile tane sınırları belirgin bir şekilde görülmüştür. Kaplama sonrası yapılan SEM ve EDS analizleri, numunelerin yüzeyindeki çatlak ve boşlukların kapanıp yapının kaplama ile dolduğunu ortaya koymuştur. Mekanik analizlerde, numunelere uygulanan farklı oranlardaki plastik deformasyon (%47 ve %61 haddeleme) ile birlikte haddesiz numuneye göre sertlikte önemli bir artış sağlanmıştır. Çekme mukavemeti, %uzama ve elastik modül %61 haddelenmiş numunede %47 haddelemeye göre daha yüksek olmuş ve buna karşılık %47 haddeli numunenin akma dayanımı en iyi sonucu vermiştir. Islanabilirlik analizlerinde haddesiz ve haddeli numuneler 90⁰'den büyük temas açısı sağlayıp hidrofobik karakter göstermişlerdir. Yapılan elektrokimyasal korozyon testleri ile biyoseramik kaplamanın, ham döküm ve haddelenmiş numunelerde, korozyon dirençleri üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Kaplamalı %61 haddeli numunenin en zayıf korozyon direncine sahip olduğu görülürken; haddesiz numuneler yüksek Ecorr ve düşük Jcorr değerlerini sağlayarak daha yüksek korozyon direnci göstermişlerdir.

Abstract:
Biomedical materials are implanted in the body to treat, replace, or regenerate tissues that are no longer functional. These materials must be highly load-resistant, non-toxic, and capable of performing the same functions as the limb or tissue they replace.
Metals' internal structure, mechanical properties, and surface properties make them more appealing candidates for implant and stent materials than polymeric counterparts. In recent years, zinc-based metallic alloys have received a great deal of attention in the bioabsorbable (biodegradable) material class. The development of "bioabsorbable" functional stents to reduce long-term side effects in stents that are more biocompatible and corrosion resistant is still ongoing. 
In this study, a biodegradable Zn-1Cu alloy was cast using the arc melting casting method and homogenized for use in the biomedical field as a functional implant or stent material. The Zn-1Cu alloy samples were produced; directly cast (non-rolled) and rolled at two different deformation rates (47% and 61%); then bioceramic coated with the sol-gel method and microstructure-mechanical property changes and corrosion behavior were investigated. The effects of different rolling rates on the microstructure, mechanical strength and corrosion resistance of the samples were investigated experimentally, as well as the effects of microstructure changes after deformation on the material's properties. After applying a hydroxyapatite (HA)-based bioceramic coating to Zn-1Cu samples using the sol-gel method, corrosion resistance was altered. 
According to the microstructure analysis; Grain boundaries, secondary phases and casting defects (cracks, voids) seen before rolling showed a diffuse view on the sample surface after rolling and in the optical examination after annealing, recrystallization and the formation of grain boundaries were clearly seen, especially in the rolled samples. SEM and EDS analyzes performed after coating that the cracks and gaps on the surface of the samples were closed and the structure was filled with the coating. With different rates of plastic deformation (47% and 61% rolling), the samples showed a significant increase in hardness when compared to the non-rolled samples. Tensile strength, % elongation and elastic modulus were higher in 61% rolled sample compared to 47% rolling, whereas yield strength of 47% rolled sample gave the best results. In wettability analyses, unrolled and rolled samples provided a contact angle greater than 90⁰ and showed hydrophobic character. The effect of bioceramic coating on the corrosion resistance of raw casting and rolled specimens was demonstrated using electrochemical corrosion tests. The corrosion resistance of a coated 61% rolled sample is seen to be the weakest, whereas unrolled samples demonstrated more successful corrosion resistance by providing high Ecorr and low Jcorr.