Pirinç kabuğu kökenli silika içerikli MgO, SrO ve Al2O3 ilaveli 45S5 biyoaktif cam üretimi ve karakterizasyonu
Production of 45S5 bioactive glass obtained silica from rice husk ash doped with MgO,SrO and Al2O3 and its characterization
Yazar: ZEYNEP ANIL KONUKOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Silika (SiO2), elektronik, seramik ve polimer malzeme endüstrisinde yaygın olarak kullanılan temel bir ham maddedir. Günümüzde ayrıca silika biyomalzeme üretiminde biyoaktif cam, diş dolgu kompozitleri üretimi gibi alanlarda da kullanılmaktadır. SiO2 genellikle silikat çözeltilerinden elde edilmektedir. Silikat çözeltiler ise kuvartzın 1400-1500°C gibi yüksek sıcaklıklarda ergitilmesi ya da cevher zenginleştirme gibi yüksek enerji gerektiren proseslerden sağlanmaktadır. Silika saf olarak ayrıca laboratuvar şartlarında SiO2 kaynağı olarak tetraetilortosilikat(TEOS) gibi başlatıcılar kullanılarak da elde edilmektedir.  Ancak bu başlatıcıların kullanılmaları ekonomik değildir.  Bu başlatıcıların kullanıldığı yöntemlere alternatif olarak SiO2 içeren tarımsal atıkların kullanımı gündemdedir. Bu atıklar arasında en dikkat çekici olan çeltiğin beyaz pirince işlenmesi sırasında yan ürün olarak elde edilen pirinç kabuğudur.  Pirinç kabukları yaklaşık % 20 oranında silika içermekte olup yakılmaları ile elde edilen pirinç kabuğu külü  (RHA) ise yanma koşullarına bağlı olarak %87-97oranında amorf silika içermektedir. RHA?nın sırasıyla asit ile yıkama ve alkali ekstraksiyon işlemlerine tabi tutulması ile saf silika üretilebilmektedir. Ülkemizde ve Dünya?da pirinç kabuklarının yakılması çevre kirliliğine ve pek çok sektörde kullanım potansiyeli olan değerli bir hammaddenin de kaybına sebep olmaktadır. RHA düşük oranda metalurji sanayinde değerlendirilmektedir.  Silis kaynağı olarak pirinç kabuğu ve külünün değerlendirilmesi ile ilgili bilimsel çalışmalar devam etmektedir.
Silikanın kulanım alanları içerisinde yer alan biyoaktif camlar kemik bozuklukları ve kemik onarımında, kemik dolgu materyali ve çene yüz cerrahisinde kemik grafiti yapı malzemesi olarak kullanılmaktadır.  Biyoaktif camların yapısında temel olarak silisyum, kalsiyum, fosfor ve sodyum oksitleri bulunmaktadır. Yapısına eklenen metal iyonları biyoaktif camların özelliklerini (mekanik, biyoaktivite, hücre çoğalması) etkilemektedir. Biyoaktif camlar vücut sıvısı içerisinde yüksek oranda biyoaktivite gösteren, doku ile cam arasında hidroksiapatit tabakası oluşturarak canlı dokulara (kemik, kas, ligament) bağlanabilen inorganik malzemelerdir. Biyoaktif camların biyoaktivite seviyeleri apatit tabakası oluşum oranına, camın kimyasal kompozisyonuna ve yüzey genişliği, por hacmi ve büyüklüğü gibi morfolojik parametrelere bağlıdır. 
Elde edilecek SiO2 45S5 biyoaktif camlarda SiO2 kaynağı olarak kullanılacaktır. Biyoaktif camlar ergitme yöntemine göre 1450 °C?de CaO, P2O5, Na2O5 kaynakları ve pirinç külü bazlı SiO2 ile üretilecektir. RHA SiO2 %3 oranında safsızlık olarak vücuda uyumlu çeşitli metal iyonlarını (Mg, Mn, Ti, Fe, Cu) içermektedir. Literatürde yapılan çalışmalarda kemik kırıklarının tedavisinde kullanılan biyoaktif camların biyoaktivitelerini ve mekanik özeliklerini iyileştirmek amacı ile Sr, Mg, Cu, K, Al, Zn, Ag gibi metal iyonları biyoaktif camlara katılmış ve etkileri incelenmiştir. Oysa bizim ürettiğimiz silika içerisinde zaten bu iyonların büyük bir çoğunluğu mevcuttur. Bu metal iyonlarını içeren pirinç kabuğu bazlı silikadan üretilen biyoaktif camların proje kapsamında mekanik özellikleri (Vickers), biyoaktivitesi (SEM, XRD, vücut sıvısı içersindeki davranışı) incelenmiştir.Projede üretilen silikalara stronsiyum, magnezyum ve aliminyum da ilave edilerek biyoaktif camların yukarda belirtilen mekanik ve in vitro özelliklerine olan etkileri incelenniştir. Bu iyonlarla modifiye olmuş biyoaktif camların hem ticari hem de RHA silikadan aynı yöntemle üretilen 45S5 biyoaktif camların mekanik ve biyoaktivite özellikleri arasındaki farklar incelenmiştir. 
Bu çalışmalarda, ekonomik değeri olmayan RHA?dan biyoaktif cam üretiminde kullanılabilecek saflık ve özelliklerde, ekonomik değeri olan SiO2 tozları üretilerek RHA?nın geri dönüşümü sağlanacak, ekonomi ve çevrenin korunmasına katkı sağlanmıştır.

Abstract:
Silica (SiO2) is a basic raw material which is widely used in electronics, ceramics and polymer material industries. Recently silica is also used in biomaterial (bioactive glasses and dental composites) production. Silica is obtained from silicate solutions which are produced by high energy requiring processes such as smelting quartz at high temperatures at 1400-1500°C and ore enrichment. Pure silica also can be produced in laboratory conditions from precursor molecules like tetraethylorthosilicate (TEOS). However, the use of these precursor molecules is not economically viable.  Recently, the use of agricultural waste materials containing SiO2 is considered as an alternative to these precursor. The most remarkable one of these agricultural waste materials is rice husk. Rice husks contain approximately 20% amorphous SiO2 and rice husk ash (RHA) which is obtained by burning the rice husks at different temperatures, contain approximately 87-97% SiO2. Pure silica can be produced from RHA by acid washing and alkali extraction processes, respectively. Burning rice husks cause environmental pollution and loss of valuable raw material which has use in different industrial and scientific applications. RHA is recycled in a low extent in metallurgical industry. Studies on the evaluation of rice husk and its ash as a silica source are in progress.
Bioactive glasses, which contain silica, are used as bone defect fillers for bone repair and restoration, and bone grafting during maxillofacial surgery. Bioactive glasses basically consists of silicon, calcium, phosphorus and sodium oxides. Metal ions added affect the properties (mechanical, bioactivity, cell proliferation) of bioactive glasses. Bioactive glasses are inorganic glasses that can bond to living tissues (bone, ligament, muscle ) through the formation of hydroxyapatite layer at the glass/tissue interface. The levels of bioactivity, that is, the rate of apatite layer formation, and the apatite like layer thickness depend on the glass chemical composition and on the morphological parameters, such as surface area, pore size, and pore volume.
Production of SiO2 from RHA will be done in a batch reactor by sodium hydroxide extraction and acidification of obtained silicate solution with hydrochloric acid. Produced SiO2 was used as SiO2 source in 45S5 bioactive glasses. These bioactive glasses were produced according to the melting method at 1450°C with CaO, P2O5, Na2O sources and RHA based SiO2. RHA SiO2 contains different metal ions (Mg, Mn, Ti, Fe, Cu) at 3% as impurity which are compatible to human body. Whereas, SiO2 which will be produced in this project contains clear majority of these ions. Within the aim of the project, mechanical properties (Vickers), bioactivity (SEM, XRD, behavior in artificial body fluid) of bioactive glasses, produced from RHA SiO2 that contain these metal ions, was  investigated. Besides naturally occurring impurities of produced SiO2  Sr, Mg, Al that are investigated previously was added to bioactive glasses and their effects on mechanical and in vitro properties (mentioned above) of bioactive glasses will be studied. 45S5 bioactive glasses produced from commercial SiO2 and RHA SiO2, which are modified with these ions, will be compared according to their mechanical and chemical properties.
In this study, valued SiO2 was produced from RHA, which is not an economically viable material, with purity and properties suitable to be used in bioactive glass. By doing so; recycling of RHA was provided and for the protection of the environment and economy contribution was done.