Gözenekli ve biyobozunur magnezyum alaşımlarının implant malzemesi olarak üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of porous and biodegradable magnesium alloys as implant materials
Yazar: ABDURRAHİM TEMİZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA YAŞAR
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstriyel Tasarım Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam seramikler = Glass ceramics ; Elektroforetik yöntemler = Electrophoretic methods ; Gözeneklilik = Porosity ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Metaller = Metals ; İn vitro = In vitro ; İn vivo = In vivo ; İnfiltrasyon = Infiltration

Özet:
Bu çalışmada, implant malzemelerinin biyobozunur gözenekli metal olarak üretilebilirliği incelenmiştir. Bu amaçla AZ serisi Magnezyum (Mg) alaşımlar (AZ63 ve AZ91) kullanılarak, döküm yöntemiyle gözenekli Mg alaşım implant malzemeleri üretilmiştir. Üretimde model malzeme hazırlarken bir stereolitografi (SLA) kullanılarak hazırlanan model malzeme dairesel kesitli gözenekli Gyroid şekilde tasarım yapılarak imal edilmiştir. Üretimde hızlı döküm (hızlı prototipleme + hassas döküm) ve infiltrasyon ile döküm olmak üzere 2 farklı döküm yöntemi kullanılmıştır. Her iki döküm yöntemiyle de başarılı bir şekilde biyobozunur gözenekli Mg implant malzemeleri üretilmiştir.

Üretilen malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla basma testleri yapılmıştır. Aynı zamanda benzer boyutlarda kesilen bir koyun kemiğine de basma testleri uygulanmıştır. Ayrıca üretilen Gyroid modelin basma test simülasyonları da  
ANSYS WORKBENCH LS-DYNA modülünde analiz edilmiştir. Analiz sonuçları deneylerle birlikte değerlendirilerek, bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. 

Üretilen gözenekli implant malzemesinin yüzey özelliklerini artırmak, iyi kemik implant bağlanma yüzeyi oluşturmak ve implantın bozunma hızını yavaşlatmak amacıyla, implantın yüzeyi 45S5 biyoaktif cam seramik ile kaplanmıştır. İlk olarak sol jel yöntemiyle 45S5 biyoaktif cam seramik sentezlenmiş ve sentezlenen malzemenin karakterizasyonu için geçirimli elektron mikroskobu (TEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), X ışını kristalografisi (XRD), fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve diferansiyel termal analiz (DTA)-termogravimetrik analiz (TG)- diferansiyel termal termogravimetrik (DTG) analizleri yapılmıştır. Daha sonra elektroforetik biriktirme (EPD) yöntemiyle gözenekli Mg alaşım implantın yüzeyi, 45S5 biyoaktif cam seramik ile kaplanmıştır. Kaplama kalınlığı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve EDX ile incelenmiş ve homojen bir kaplamanın elde edildiği görülmüştür.

Kaplamanın etkisini görmek için yüzeyi kaplamalı ve kaplamasız gözenekli Mg implantlar simule edilmiş yapay vücut sıvısı (SBF) içerisine daldırılarak in vitro biyoaktivite ve bozunma testleri yapılmıştır. Daldırma testi 3, 6, 12, 24 ve 48 saat olmak üzere 5 farklı zaman dilimlerinde gerçekleştirilmiştir. Her zaman dilimi sonunda numuneler tartılarak ağırlık kaybı incelenmiş, numuneler kurutulduktan sonra SEM ve EDX yardımıyla numune yüzeyleri incelenmiş ve indüktif eşleşmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi (ICP OES) yardımıyla SBF içerisine salınan P, Ca ve Na iyon miktarları belirlenmiştir. Analiz sonuçları, kaplamalı numunenin bozunma hızının kaplamasız numuneye göre daha az olduğunu ve kaplamalı numune yüzeyinde apatit oluşma hızının daha fazla olduğunu göstermiştir.

Son olarak, sıçan (rat) femur proksimal metafize kemik hücrelerin büyümesini teşvik eden (iyi kemik implant arayüzeyi sağlayan), magnezyum köpük implant malzemesi implantasyonunu takiben kısa dönemde zamana bağlı histopatalojik olarak değerlendirilmiştir. Polimorfonükleer lökosit (PMNL) varlığı değerlendirildiğinde, tüm çalışmada kontrol grubu için Kirshner uygulanan grupta 1.ayda histopatolojik olarak alınan 6 rat dokusunun 3'ünde PMNL görülmüş, diğer zamanlarda rastlanmamıştır. Buna karşılık Mg alaşım grupları değerlendirildiğinde ise; 2 ayın sonunda alınan sadece 1 rat dokusunda PMNL görülmüş, diğer gruplarda görülmemiştir. Kirshner ve Mg alaşım gruplarının deney süresince, her periyot sonu histopatolojik skorlama değerleri incelendiğinde istatistiksel olarak anlamlı farklılık gözlenmemiştir. Ayrıca hiç bir rattta işlem sonrası enfeksiyona rastlanmamıştır.

Abstract:
In this study, the fabricability of implant materials as a biodegradable porous metal was investigated. For this purpose, porous Mg alloy implant materials were produced by casting method using AZ series Magnesium (Mg) alloys (AZ63 and AZ91). A stereolithography (SLA) was used to prepare the model material in production. Model materials were produced by designing as circular cross-section porous Gyroid. Two different casting methods were used in production: rapid casting (rapid prototyping + investment casting) and casting with infiltration. Biodegradable porous Mg implant materials have been successfully produced by both casting methods. 

Compression tests were carried out to determine the mechanical properties of the produced materials. At the same time, compression tests were applied to a sheep bone cut in similar dimensions with the GYROID implant. In addition, the compression test  
analyzes of the produced Gyroid model were also carried out in the ANSYS WORKBENCH LS-DYNA module. A finite element model was created by evaluating the analysis results together with the experiments. 

The surface of the implant is coated with 45S5 bioactive glass ceramic in order to increase the surface properties of the produced porous implant material, to create a good bone implant bonding surface and to slow down the degradation rate of the implant. Firstly, 45S5 bioactive glass ceramic was synthesized by sol gel method and transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray crystallography (XRD), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and differential thermal analysis (DTA)-thermogravimetric analysis (TG)- differential thermal thermogravimetric (DTG) analyzes were performed for the characterization of the synthesized material. Then, the surface of the porous Mg alloy implant was coated with 45S5 bioactive glass ceramic by electrophoretic deposition (EPD) method. When the coating thickness was examined by scanning electron microscope (SEM) and EDX, it was seen that a homogeneous coating was obtained. 

In order to see the effect of the coating, in vitro bioactivity and degradation tests were performed by immersing coated and uncoated porous Mg implants in simulated artificial body fluid (SBF). The immersion test was carried out in 5 different time periods, 3, 6, 12, 24 and 48 hours. At the end of each time period, after the samples were dried, the weight loss was examined by weighing, the sample surfaces were examined with the help of SEM and EDX, and the amounts of P, Ca and Na ions released into the SBF were determined with the help of ICP OES. Analysis results showed that the degradation rate of the coated sample was less than that of the uncoated sample, and the rate of apatite formation on the coated sample surface was higher. 

Finally, a short-term histopathological evaluation was made following the implantation of magnesium foam implant material which promotes the growth of bone cells in the proximal metaphysis of the rat femur (providing good bone-implant interface). When the presence of polymorphonuclear leukocytes (PMNL) was evaluated, PMNL was observed in 3 of 6 rat tissues taken histopathologically in the 1st month in the Kirshner applied group in the entire study, but it was not found at other times. On the other hand, when Mg alloy groups were evaluated, PMNL was observed in only 1 rat tissue taken after 2 months, but not in other groups. During the experiment, when the histopathological scoring values of the Kirshner and Mg alloy Groups were examined at the end of each period, no statistically significant difference was observed. In addition, no infection was found in any rat after the operation.