Biyomedikal Uygulamalar için Gözenekli Ti6al7nb İmplant Alaşımlarının Hidrotermal Yöntemlerle Yüzey Aktivasyonu ve Karakterizasyonu

Abstract

Biyomedikal malzemeler insan vücudundaki kemik, organ ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla vücudun birçok bölgesinde kullanılmaktadır. Son zamanlardaki medikal alanlardaki ilerlemelerle birlikte insanların ortalama ömrü yükselmiş, dolayısıyla uzun ömürlü ve vücuda uyumlu biyomedikal malzeme arayışları artmıştır. Yükselen ortalama insan ömrü ile özellikle vücutta değişik yüklere maruz kalan diz ve kalça gibi eklem bölgelerinde ve yapay diş kökleri ile protezlerinde kullanılan biyomedikal malzeme ihtiyacı ivmelenerek artmaktadır. Kullanılan biyomedikal malzemeler arasında polimerik malzemeler düşük mekanik dayanımlarından, seramik malzemeler de düşük kırılma tokluğuna bağlı olarak kırılgan olmalarından dolayı yüke maruz kalan bu bölgelerde kullanılamamaktadır. Bu tür uygulamarda titanyum, titanyum alaşımları, Co-Cr alaşımları ve paslanmaz çelik gibi metalik esaslı biyomalzemeler tercih edilmektedir. Biyomedikal uygulamalarda kullanılan metalik malzemelerin yüksek aşınma, korozyon ve yorulma dayancına sahip olması, biyouyumluluğun yüksek olması ve vücut kemiğine benzer mekanik özellikler sergilemesi beklenmektedir. Co-Cr alaşımları ve paslanmaz çelikler kemiğe nazaran yüksek elastik modülleri nedeniyle vücutta mekanik uyumsuzluğa neden olmaktadırlar. Bu tür biyomalzemelerin vücutta kullanılmaları durumunda implant ve kemik farklı miktarlarda yük taşımakta, az yük taşıyan kemik zamanla zayıflayarak kemik dokusu kaybı yaşanmaktadır. Bu yüzden elastik modülleri kemiğe (1-40 GPa) daha yakın titanyum ve Ti6Al4V alaşımı (105-110 GPa) gibi titanyum alaşımlarının kullanımı artmıştır. Fakat, klinik deneyler Ti6Al4V alaşımında uzun vadede vanadyum salınımının olabileceğini gösterdiği için bu alaşımın yerine yeni nesil Ti6Al7Nb alaşımları geliştirilmiştir. Her ne kadar titanyum ve titanyum alaşımlarının mekanik özellikleri vücut kemiğine yakınlık gösterse de tam olarak bir uyum sağlanamamaktadır. Son zamanlarda titanyum ve alaşımlarının gözenekli yapıda üretimi ile vücut kemiğinin mekanik değerlerine ulaşılabildiği görülmüştür. Genellikle toz metalurji tekniklerinin kullanıldığı bu çalışmalarda yapıdaki düşük erime noktasına sahip üre veya polimerik tozların uçurulmasıyla gözenekli yapı elde edilmekte ile gözenek miktarı ile de mekanik özellikler ayarlanabilmektedir. Bunun yanında implantta açık hücreli gözenekli yapının varlığı vücut sıvılarının akışına imkan sağlamakta ve kemik hücrelerinin büyümesine olanak sağlamaktadır. Fakat, kemik hücrelerinin yüzeye tutunması ve sıkı bir implant-kemik dokusu oluşumu için tek başına gözenekler yeterli değildir. Bu yüzden gözenekli malzemelerde kemik hücrelerinin yüzeye tutunmasını sağlayan farklı yapılarda ve kalınlıklarda TiO2 fazının veya farklı titanat fazların oluşumunu sağlayan ve sıklıkla gözenekli titanyum numunelerde kullanılan kimyasal yöntemlerle yüzeyler aktive edilmektedir. Bu çalışmada ise vücut kemiği mekanik özelliklerine benzer, kemik büyümesine uygun gözenek büyüklüğü ve miktarına sahip gözenekli Ti6Al7Nb alaşımlarının toz metalurji ile üretimi ve gözenekli yüzeylerin kemik hücrelerinin büyümesine olanak sağlayacak şekilde hidrotermal yöntemlerle aktive edilmesi planmaktadır. Gözenekli Ti6Al7Nb alaşımlarının üretiminde kullanılan lazer şekillendirme veya gevşek toz sinterleme yöntemlerinden farklı olarak boşluk yapıcı toz metalurji tekniği kullanılacaktır. Proje yürütücüsü tarafından patenti alınan, saf titanyum, Ti6Al4V ve TiNi alaşımlarında gözenek oluşturmak için kullanılmış olan bu yöntemin önerilen proje kapsamında gözenekli Ti6Al7Nb alaşımının üretiminde kullanılması bu anlamda bir yenilik olacaktır. Boşluk yapıcı olarak magnezyum tozunun kullanılacağı yöntemde, preslenerek şekil verilen Ti6Al7Nb-magnezyum toz karışımlarından magnezyum tozunun düşük sıcaklıkta sistemden uzaklaştırılmasıyla gözenekli yapı oluşturulacak ve yüksek sıcaklıkta sinterleme işlemi yapılacaktır. Bu aşamada vücut kemiği elastik modüllü değerleri olan 1-40 GPa arasında elastik modülüne sahip numunelerin üretimi hedeflenmektedir. Ayrıca, kemik hücrelerinin büyümesi ve vücut sıvısı transferine olanak sağlayacak şekilde gözenek miktarı ve büyüklüğü sırasıyla %40-70 ve 200-500 μm arasında değişen gözenekli Ti6Al7Nb numunelerinin üretilmesi için çalışmalar yürütülecektir. Üretilen gözenekli malzemelerin yüzeyleri ise kemik hücrelerinin yüzeyde tutunmasını sağlayacak şekilde hidrotermal yöntemler kullanılarak aktive edilecektir. Boşluk yapıcı yöntemle üretilmiş gözenekli Ti6Al7Nb alaşımlarında ilk defa uygulanacak olan yöntemde numuneler değişik sıcaklıklarda sodyum hidroksit ve CaCl2 sulu çözeltilerinde bekletilip ek ısıl işlemlerle gözenekli yüzeyler aktive edilecektir. Bu işlemlerde gözenekli yüzeylerde kemik büyümesine olanak veren sodyum titanat ve kalsiyum titanat fazlarının oluşturulması üzerine çalışılacaktır. Yüzeylerde oluşturulan titanat fazlarının apetit oluşturma potansiyelleri ise yapay vücut sıvısında test edilerek farklı tiatanat tabakalarının kemik büyümesine uygunluğu karşılaştırılacaktır. Hidrotermal işlemlerde genellikle numune iç yapısı dikkate alınmamakta ve iç yapının oksit ve titanat gibi fazların oluşumuna etkisi bilinmemektedir. Bu yüzden önerilen projede literatürden farklı olarak değişik iç yapıların (katmanlı yapı, martensit, vb.) hidrotermal işlemlerde titanat fazlarının oluşumuna etkisi araştırılacak ve bu maksatla gözenek oluşturma işleminden sonra numunelere farklı ısıl işlemler uygulanacak ve ayrıca bu fazların gözenekli numunelerin mekanik özelliklerine etkisi belirlenecektir. Ek olarak yüzeyde oluşturulan titanat tabakalarının kararlılıkları nemli ortamda test edilerek kemik büyümesine en uygun titanat tabakası özellikleri belirlenecektir. Özet olarak proje kapsamında üretilecek ve hidrotermal yöntemle yüzeyi aktive edilecek gözenekli Ti6Al7Nb malzemeler biyomedikal alanda birçok boşluğu dolduracak ve problemleri çözebilecek niteliktedir. Malzemedeki gözenek miktarı ile mekanik özellikler kemiğe benzer şekilde hassas olarak ayarlanabilecek, açık hücreli gözenekler sayesinde de vücut sıvılarının malzeme içinde akışına imkan sağlanabilecektir. Ayrıca, aktive edilmiş yüzeylerde kemik hücrelerinin tutunup büyümesine imkan verilerek çok daha kısa sürede kemik-impant bağı oluşturulabilecektir. Bu kapsamda üretilen gözenekli Ti6Al7Nb alaşımları dişçilikte yapay diş kökü olarak ve kalça, diz protezleri gibi alanlarda implant malzemesi olarak uygulama alanı bulabilecektir.