Yüzey özellikleri femto saniye lazer ile değiştirilen yeni nesil alaşımların sentetik vücut sıvısı ortamında biyouyumluluk incelemesi
Biocompatibility investigation of new generation alloys in simulated body fluid environment whose surface properties are modified via femto second laser
Yazar: ŞURA CULFA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SIDIKA MİNE TOKER
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Metalik alaşımlar = Metallic alloys ; Metalik yüzey = Metallic surface ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys

Özet:
Günümüzde çeşitli kemik ve eklem rahatsızlıklarını tedavi etmek veya desteklemek amacı ile metalik implantlar kullanılmaktadır. Paslanmaz çelik, Co-Cr alaşımları, Ti ve Ti alaşımları ortopedik implantlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Birçok avantajı bulunan bu metalik malzemelerin biyouyumluluk ve osseointegrasyon özelliklerinde eksiklikler göze çarpmaktadır. Son zamanlarda yeni nesil alaşımlardan olan TiAlNb alaşımı ve yüksek entropili TiTaHfNbZr alaşımı, içeriğindeki biyouyumlu elementler, kemik doku ile elastik uyumu ve biyouyumluluk açısından umut vaat eden biyomedikal alaşımlar olarak dikkat çekmektedir. Ancak her iki alaşım için de biyouyumluluk üzerine yeterince çalışma bulunmamaktadır. Ayrıca bu alaşımların da ortopedik uygulamalarda kemik doku ile daha iyi bağlanabilmesi için yüzey özelliklerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Metalik alaşımların yüzey özelliklerinin geliştirilmesi amacı ile kullanılan en güncel yöntemlerden biri olan femto saniye yüzey işleme yöntemi, yüzeyde homojen bir topografya sağlanması ve malzeme ile çok kısa süreli etkileşim nedeni ile faz dönüşümü gibi olumsuzluklar yaratmaması gibi avantajları ile biyomedikal uygulamalar için yüzey işleme teknikleri arasından ön plana çıkmaktadır. Ancak literatürde yeni nesil biyomedikal alaşım yüzeylerinin lazer işleme yöntemi ile işlenerek biyomalzeme olarak kullanımı ile ilgili çalışmalar sınırlıdır. Bu motivasyonlar ile bu çalışmanın ilk bölümünde TiAlNb alaşımının biyouyumluluğu üzerine sentetik vücut sıvısı ortamında bir ön araştırma yapılmış ve Al iyon salımının yüzey modifikasyon yöntemleri ile önlenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde ise yüksek entropili TiTaHfNbZr alaşımının yüzeyinde femto saniye lazer işleme yöntemi kullanılarak çeşitli desenler ve tekrar sıklıklarında yüzeyler elde edilmiştir. Elde edilen çeşitli yüzeyler, ıslanabilirlik ve yüzey enerjisi gibi özellikler açısından karakterize edildikten sonra ex situ düzeyde biyouyumluluk testlerine tabi tutulmuş ve yüzeylerin sentetik vücut sıvısı ile etkileşimi ve biyoaktivitesi incelenerek yüzey özellikleri ile ilişkili şekilde biyouyumluluk değerlendirmesi yapılmıştır.

Abstract:
Nowadays, metallic implants are used to treat various bone and joint diseases. Stainless steel, Co-Cr alloys, Ti and Ti alloys are commonly used in orthopedic implants. In spite of their advantages, the biocompatibility and osseointegration of these metallic materials remain insufficient. Recently, among the new generation alloys, TiAlNb and high entropy TiTaHfNbZr alloys have come to attention as promising biomedical alloys owing to their biocompatible elemental content, similar elasticity with the bone tissue and biocompatibility. However, there aren't sufficient number of studies investigating their biocompatibilities. Moreover, in order to achieve the attachment of the bone tissue to these alloys in orthopedic applications, their surface properties should be improved. One of the most recent techniques used for the surface modification of metallic materials, femtosecond laser processing, draws attention among other surface processing techniques owing to its advantages such as providing homogenous surface topography while eliminating negative effects such as phase transformation, thanks to the very fast interaction of laser with the material. However, there are limited number of studies focusing on the femtosecond laser processing of new generation biomedical alloys to be used as biomaterials in the literature. With these motivations, in the first part of the current study, a preliminary biocompatibility investigation was conducted on TiAlNb alloy in simulated body fluid environment and it was deduced that Al ion release should be prevented via surface modification methods. In the second part of the current study, high entropy alloy TiTaHfNbZr alloy surfaces were processed via femtosecond laser in order to obtain various patterns with different repeating frequencies. The formed surfaces with different properties were characterized in terms of their wettability and surface energy which were followed by ex situ biocompatibility tests where the interaction of these surfaces with simulated body fluid and bioactivity were investigated for a biocompatibility evaluation in relation to surface properties.