2025-03-192025-03-19https://hdl.handle.net/20.500.12416/8631Biyomedikal 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.Biomedical materials are used in several parts of the body to fulfill the function or to support human’s bones, organ or tissues. The average life expectancy of people has increased due to the recent advancements in the medical field and therefore, the research on long lasting and biocompatible biomedical materials has been rosen. Due to increased life expectancy the need for biomedical materials especially used in load bearing parts in joint regions such as knee and hip and also in dental roots and dental prosthesis has been accelerated. Among the biomedical candidate materials polymers and ceramics cannot be used in load bearing areas due to their low mechanical strength and brittle fracture nature because of low fracture toughness properties, respectively. For this reason, in such applications, the metallic biomaterials such as titanium and titanium alloys, Co-Cr alloys and stainless steels are preffered. The metallic materials used in biomedical applications are required to exhibit high wear, corrosion resistance ang high fatigue strength, together with high biocompatibility and mechanical properties similar to that of bone. Co-Cr and stainless-steels cause mechanical mismatch in body because of their high elastic moduli compared to bone. When such materials are implanted in the body bone and implant materials carry different amounts of load and accordingly, bone tissue loss arises as bone carry less load. Therefore, use of titanium and titanium alloys having lower elastic modulus (105-110 GPa) and comparable to that of bone (1-40 GPa), has been increased. However, since in vivo experiments showed vanadium ion release during long term use of Ti6Al4V alloys, new generation Ti6Al7Nb alloys are developed. Although, titanium and titanium alloys exhibit similar mechanical properties to that of bone, complete mechanical match is never achieved. In recent years, on the other hand, it has been recognized that it is possible to get bone’s mechanical properties by introducing pores into titanium and titanium alloys. In such processes, generally porous structures are obtained by the use of P/M technique in which a low melting point carbamide or polymeric particle is evaporated and mechanical properties are adjusted by the porosity content. The presence of interconnected pores in these types of materials allows transfer of body fluid and bone ingrowth. However, the pores themselves are not sufficient for attachment of bone tissues on implant surface and to have a well bonded implant-bone structure. In porous materials to provide bone tissue attachement on implant surface, the surface of the implant material is activated by hydrothermal methods, commonly used in porous titanium parts, to get TiO2 or different titanate phases in distinct forms and with different thicknesses. In this study, it is planned to manufacture porous Ti6Al7Nb alloys by powder metallurgy, which have similar mechanical properties to that of bone, proper pore size and pore content for ingrowth of bone, and also it is aimed to activate the porous surfaces by hidrothermal methods to facilitate bone attachment on porous surfaces. Instead of commonly used laser forming and loose powder sintering techniques, porous Ti6Al7Nb alloys will be manufactured by powder metallurgical space holder technique. It will be a novelty to use a technique which is patented by project manager and previously utilized to manufacture porous titanium, Ti6Al4V and TiNi alloy. In this technique, magnesium powders will be used as spacer particles and porous Ti6Al7Nb alloys will be manufactured by removal of magnesium from compacted Ti6Al7Nb-Mg powder mixtures at low temperature and finally, the samples will be sintered at elevated temperatures. Throughout this study it is targeted to get porous alloys having elastic moduli in the range of 1-40 GPa, bone’s elastic moduli. In addition, studies will be carried out to produce porous Ti6Al7Nb alloys, that have porosity content varying between 40% and 70%, and pore size between 200 and 500 μm, suitable for bone ingrowth and transfer of body fluids. The surfaces of porous specimens will be activated by hydrothermal methods to facilitate bone tissue attachment on the surfaces. In this method, which will be utilized for the first time in porous Ti6Al7Nb alloys obtained by space holder technique, surfaces will be activated by keeping the specimens in NaOH and CaCl2 aqeous solutions at various temperatures and with an additional heat treatment in air. During these studies, experiments will be conducted to form sodium and calcium titanate phases which are suitable for bone tissue attachment. On the other hand, apetite forming abilities of titanate phases formed on the surfaces will be tested in simulated body fluid and suitability of these phases for bone tissue attachment and growth will be investigated. Usually, in hydrothermal processes the underlying microstructure of samples are not taken into account and the effect of microstructure on the formation of titanate phases is not known. Therefore, in this project the effect of various microstructures (lamellar structure, martensite, etc.) on the formation of titanate phases will be studied. For this purpose, the samples will be heat treated just after pore formation and sintering, and the effect of various phases on mechanical properties will also be investigated. Additionally, the optimum titanate layer properties that induce bone formation will be determined after keeping and testing the samples in moisture. In brief, the porous Ti6Al7Nb samples that are to be manufactured and activated by hydrothermal methods in this project will be complementary in biomedical materials and solve many problems in this field. Mechanical properties similar to that of bone will be tuned by adjusting the porosity content and body fluid transfer will be allowed by the use of interconnected pores. In addition, strong bone-implant bonds will be obtained in a short time by the attachment and growth of bone tissues on activated porous surfaces. The manufactured porous Ti6Al7Nb alloys will be used as an implant material in dentistry as a dental root and in hip and knee prosthesis.BiyomalzemeYüzey IşlemleriTi6Al7Nb AlaşımıGözenekMekanik ÖzelliklerBiomaterialSurface ProcessesTi6Al7Nb AlloyPorosityMechanical Properties