Ortopedik uygulamalar için polikaprolakton-kitosan nanolif kaplı Ti-mikroalaşımlı AZ31 Mg alaşımının biyobozunurluk özelliklerinin araştırılması
Investigation of biodegradability properties of polycaprolactone-chitosan nanofiber coated Ti-microalloyed AZ31 Mg alloy for orthopedic applications
Yazar: GAMZE YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. ŞENNUR CANDAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Biyolojik bozunma = Biological decay ; Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyomedikal mühendisliği = Biomedical engineering ; Biyomedikal uygulamalar = Biomedical applications ; Biyopolimerler = Biopolymers ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Ortopedik cerrahi = Orthopedic surgery

Özet:
Bu tez çalışmasında, ortopedik implant uygulamaları için AZ31 Mg alaşımının Ti mikro
alaşımlandırma (ağr. %0,1 Ti, AZ31Ti) ile kontrollü biyobozunur özelliğinin geliştirilmesi çalışılmıştır.
Çalışma kapsamında, AZ31 ve AZ31Ti alaşımlarının mikroyapı, sertlik ve çekme dayanımları
karşılaştırılmıştır. Kaplanmamış ve elektro-eğirme yöntemi ile nanofiber kaplanmış alaşımların
biyouyumluluk ve hücre tutunma testinin yanı sıra yapay vücut sıvısı (SBF) içinde in-vitro korozyon
dayanımları araştırılmıştır. Fiber oluşumu için polikaprolakton (PCL) ve kitosan (CS) kullanılmıştır
(PCL/CS). Ayrıca, PCL/CS karışımına karanfil özütlü enkapsüle gümüş nanopartikül (eAgNP) ilave
edilerek ayrı bir kaplama karışımı (PCL/CS-eAgNP) hazırlanmıştır. AZ31Ti yüzeylerine elektro-eğirme
yöntemiyle PCL/CS ve PCL/CS-eAgNP olmak üzere iki farklı nanofiber kaplama yapılmıştır.
Biyouyumluluk testi için MC3T3-E1 (CRL-2593) osteoblast hücreleri model olarak kullanılmıştır.
Malzeme karakterizasyon analizleri; Optik Mikroskop (OP), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Alan
Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FE-SEM), X-Işınları Difraksiyonu (XRD), Fouirer Dönüşümlü
Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), temas açısı ölçümleri ile yapılmıştır. OP görüntüleri ve SEM mikroyapı
sonuçları; AZ31 ile kıyaslandığında, Ti mikro alaşımlamayla ortalama tane büyüklüğü ve şekillerinde
belirgin bir farklılık olmadığını göstermiştir. XRD analizleri, AZ31 ve AZ31Ti alaşımlarının difraksiyon
kırınımlarının benzerlik gösterdiğini ve Ti mikro alaşımlamanın AZ31 alaşımının kristal yapısının
değiştirmediğini göstermiştir. Ti mikro alaşımlamayla hadde numunelerin sertlik değerlerinde ve mekanik
özelliklerinde kayda değer bir değişiklik olmadığı gözlemlenmesine rağmen SEM analizleri, korozyon
kaybı sonuçlarını teyit ederek en fazla korozyona uğrayan alaşımın AZ31 alaşımı oluğunu göstermiştir. FESEM görüntüleri, PCL/CS ve PCL/CS-eAgNP kaplamaların ortalama fiber çapları arasında anlamlı bir fark
bulunmadığını ve her iki kaplama için de ~55 nm olduğunu göstermiştir. PCL/CS kaplı numunenin temas
açısı 123° ve PCL/CS-eAgNP kaplı numunenin ise 118° olarak ölçülmüş ve eAgNP ile kaplamanın ıslatma
özelliğinin çok da değişmediği, PCL/CS nanofiber kaplı AZ31Ti alaşımının korozyon kaybı, kaplanmamış
AZ31Ti numunesine oldukça yakın olduğu için kaplamanın korozyon kontrolünde beklenen performansı
gösteremediği sonucuna varılmıştır. XTT hücre proliferasyon testine göre absorbans sonuçları; PCL/CS
kaplanmış numunelerin kaplanmamış alaşım grubuna kıyasla daha iyi biyouyumluluğa sahip olmasına
karşın PCL/CS-eAgNP kaplı numunelerin en zayıf biyouyumluluğa sahip olduğunu göstermiştir. Hücre
kültürü çalışmaları sonrasında numunelerin SEM görüntülerinde, kaplanmamış numune, zayıf hücre
yapışması sergilerken, hücreler, karakteristik kaplama morfolojisi nedeniyle PCL/CS nanofiber kaplı
numune üzerinde düzleşmekte ve genişlemekte olduğu gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: AZ31 Alaşımı, Biyouyumluluk, Biyobozunma, Elektro-eğirme Yöntemi, Ti mikro alaşımlandırma

Abstract:
In this thesis, improvement of controlled biodegradability of AZ31 Mg alloy by Ti microalloying
(0.1 wt%Ti, AZ31Ti) for orthopedic implant applications was studied. Within the scope of this study,
microstructure, hardness and tensile strength of AZ31, AZ31Ti alloys were compared. The biocompatibility
and cell adhesion tests of both uncoated and nanofiber-coated alloys by using the electrospinning method,
were investigated along with their in-vitro corrosion resistance in simulated body fluid (SBF).
Polycaprolactone (PCL) was used as a synthetic polymer and chitosan (CS) as a natural polymer for fiber
formation (PCL/CS). In addition, a separate coating mixture (PCL/CS-eAgNP) was prepared by adding
clove extract encapsulated silver nanoparticles (eAgNP) to the PCL/CS mixture. The two different
nanofiber coatings, PCL/CS and PCL/CS-eAgNP, were made on AZ31Ti surfaces by electrospinning
method. MC3T3-E1 (CRL-2593) osteoblast cells were used as a model for cell proliferation and
biocompatibility assessment. Material characterization analyses were conducted using Optical Microscopy
(OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM),
X-Ray Diffraction (XRD), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and water contact angle
measurements. Optical microscope images and SEM microstructure results showed that there was no
considerable difference in the average grain size and grain shapes with Ti microalloying compared with
AZ31 alloy. XRD analyses indicated that the diffraction patterns of AZ31 and AZ31Ti alloys were similar,
showing that Ti micro-alloying did not alter the crystal structure of AZ31 alloy. Although it was observed
that there was no significant change in the hardness values and mechanical properties of the rolled samples
with Ti microalloying, SEM analysis confirmed the corrosion loss results and showed that the most
corroded alloy was the AZ31 alloy. FE-SEM images showed that there was no significant difference
between the average fiber diameters of PCL/CS and PCL/CS-eAgNP coatings and were ~55 nm for both
coatings. The water contact angle was measured at 123° for the PCL/CS coated sample and 118° for the
PCL/CS-eAgNP-coated sample, concluding that the wetting properties of the coating with eAgNP didn't
change much, the corrosion loss of the PCL/CS nanofiber-coated AZ31Ti alloy was very close to the that
of the uncoated AZ31Ti sample, so the nanofiber coating could not show the expected performance in
corrosion control. The absorbance results obtained from the XTT cell proliferation test showed that PCL/CS
coated samples had better biocompatibility compared to the uncoated alloy group, while PCL/CS-eAgNP
coated samples had the poorest biocompatibility. SEM images of cell culture studies revealed poor cell
adhesion on uncoated samples, while cells flattened and expanded on PCL/CS nanofiber-coated samples
due to the characteristic coating morphology.

Keywords: AZ31 Alloy, Biocompatibility, Biodegradation, Electrospinning Method, Ti MicroAlloying