Titanyum yüzeylerinde nanotübüler yapı geliştirilmesi ve plazma yüzey modifikasyonu
Growth of nanotubular structures on Ti surfaces and plasma surface modification
Yazar: HALE ARSLAN
Danışman: PROF. DR. FATİH ÜSTEL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Anahtar kelimeler: Anodizasyon, TiO2 nanotüp, plazma yüzey modifikasyonu, ilaç yükleme, ilaç salımı

Artan trafik kazaları, dünya nüfusu, yaşlanma ve doğuştan gelen sakatlıklar bireylerin yaşam konforunu azaltmaktadır. Bu olumsuzluklara alternatif rekonstrüktif ortopedik uygulamalar yükselen bir ivme ile titanyum gibi biyouyumlu malzemeleri hayatın içerisine çekmiştir. İmplantasyon sonrası iyileşme periyodunun kısaltılmasına yönelik, titanyum biyomalzemelerin özelliklerinin (osseointegrasyon vb.) geliştirilmesine dair yoğun araştımalar yapılmaktadır.

Sunulan tez çalışmasında, Ti esaslı implantların yüzey işlevselliğini artırmak ve lokal ilaç dağıtıcısı olarak kullanımını geliştirmek amacıyla, Ti esaslı altlık malzemesi anodizasyon işlemine tabi tutularak yüzeyinde TiO2 nanotüp tabakası (TNT) büyütülmüştür. Bunun için öncelikle ön anodizasyon çalışmaları yapılmış ve "Ti6Al4V altlık, ağ.%0,5 NH4F ve hac. %10 H2O içeren etilen glikol (EG) elektroliti, 40 V potansiyel ve 1 saat süre" optimum anodizasyon parametreleri olarak belirlenmiştir. 

Hastalığın bulunduğu noktaya hedeflenmiş ilaç dağıtımı, son yıllarda tedavi süreçlerinde yaşanan yeniliklerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu bağlamda, TNT tabakası ilaç rezervuarı olarak kullanıma uygundur. Yüzeyin ıslanma davranışının iyileştirilerek ilaç yükleme ve salım özelliklerinin geliştirilmesi için, büyütülen TNT yapılarına vakum plazma yüzey modifikasyon işlemi uygulanmıştır. Plazma modifikasyon işlemi ile yüzeyin ıslanma karakteri hidrofobik yapıdan hidrofilik yapıya dönüştürülmüştür.

Yüzey modifikasyon işlemi uygulanmış ve uygulanmamış TNT numunelerine iki farklı yöntemle model ilaç (Gentamicin) emdirilmiş ve plazma yüzey modifikasyonunun ilaç yükleme ve salım davranışı üzerine etkileri ortaya konmaya çalışılmıştır. Buna göre, modifiye edilmiş numunelerin ilaç salımı daha yavaş gerçekleştiğinden; plazma modifikasyon işleminin yüzey ıslanabilirliğini iyileştirmesine bağlı olarak, modifiye edilmiş numunelere yüklenen ilacın nanotüplerin iç kısımlarına ulaştığı sonucuna varılmıştır. 

Çalışmanın sonuçları, Ti esaslı implantlara verimli (tüplerin derinlerine) ilaç yükleme ve uzun süreli salım sağlamak açısından gelecek vaad etmektedir.

Abstract:
Keywords: Anodization, TiO2 nanotube, plasma surface modification, drug loading, drug release

Increasing traffic accidents, world population, aging and congenital disability reduce the comfort of individuals. Alternative reconstructive orthopedic applications to these disadvantages have attracted biocompatible materials such as titanium into the life with a rising acceleration. Intensive researches are conducted on the development of properties of titanium biomaterials (osseointegration, etc.) for shortening the recovery period after implantation.

In this study, TiO2 nanotube layer (TNT) was grown on the Ti-based substrate material surface by anodization in order to increase the surface functionality of Ti-based implants and to improve their use as a local drug dispenser. For this purpose, preliminary anodization studies were performed. According to the results, "Ti6Al4V substrate, ethylene glycol (EG) electrolyte containing 0.5% NH4F and 10% H2O, 40 V potential and 1 hour period" were determined as optimum anodization parameters.

The targeted distribution of drugs to the disease site is one of the innovations experienced in the treatment processes in recent years. In this regard, the TNT layer is suitable for use as a drug reservoir. In order to improve the drug loading and releasing properties of TNT structures by improving the wetting behavior of the surface, vacuum plasma surface modification was applied to the TNT surface. By the plasma modification technique, wetting character of the surface was changed from hydrophobic to hydrophilic.

TNT samples treated and untreated by plasma surface modification were loaded with a model drug (Gentamicin) by two different methods and the effects of plasma surface modification on drug loading and release behavior were investigated. Accordingly, because the drug release of modified samples is slower as the plasma modification process improved the surface wettability, it was concluded that the drug loaded to the modified samples reached the deeper of the nanotubes.

The results of the study are promising for efficient drug loading (deeper into the tubes) and long-term drug release of Ti-based implants.