Titanyum Sert Doku İmplant Yüzeylerinin Magnezyum Katkılama İle Modifikasyonu

Abstract

Geniş kapsamlı bir tanımlama ile biyomalzemeler çoğunlukla tıbbi veya tıbbi olmayan amaçlarla kullanılan, yaşama ve büyüme yeteneğinde olmayan ve biyolojik sistemler ile etkileşime girmeye yatkın tüm malzemeleri içermektedir. Biyomalzemeler genel olarak metalik, seramik, polimerik ve kompozit materyallerden oluşmaktadırlar. Bu materyal tiplerinin beraber kullanıldığı sistemler de literatürde mevcuttur. Sert doku biyomalzemeleri, tüm dünyada ihtiyaç duyulan sert doku yaralanmaları, hastalıklar veya yaşlılık kaynaklı sağlık sorunlarının tedavisinde sert doku implantlarının fabrikasyonunda kullanılan malzemelerdir. Özellikle yük mukavemeti gibi üstün mekanik özelliklerinden dolayı metalik biyomalzemeler bu alanda yaygınlıkla uygulanmaktadırlar. Paslanmaz çelik, kobalt-krom ve titanyum alaşımları sert doku biyomalzemelerinin yapımında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Metalik biyomalzemeler üzerine yapılan bilimsel çalışmalar genellikle toksisitenin düşürülmesi, korozyon direncinin arttırılması, aşınma direncinin arttırılması, biyouyumluluğun geliştirilmesi , elastik modül değerinin doğal kemik yapısıyla karşılaştırıldığında uygunluğunun arttırılması , biyoaktivitesinin arttırılması, yüksek dayanıklılık, düşük kalıntı oluşturma ve iyi osteoentegrasyonun sağlanması üzerinde durmuştur. Titanyum (Ti) ve alaşımları tam eklem protezleri veya diş implantları gibi alanlarda en sık kullanılan metallerdendir. Ancak metalik biyomalzemelerin karşılaştığı temel sorunlar Ti için de geçerlidir. Bu sorunlar genellikle korozyon dirençliliğin düşük olması veya uygulanan biyomalzemenin uygulama bölgesindeki çeşitli aşınma ve sürtünme kaynaklı problemlerden etkilenmesi ile oluşur. Bu sorunların çoğu uygulanan biyomalzemenin, özellikle uzun dönem kullanım gerektiren uygulamalarda başarısızlığa uğramasına neden olur. İmplantın görevini yapamaz hale gelmesi, ikinci bir operasyonu gerekli kılar ve bu operasyonlar uygulama yapılan kişilere acı vermesinin yanında daha düşük başarı oranlarına ve yüksek maliyete sahiptirler. Magnezyum (Mg) çeşitli medikal uygulamalarda uzun bir kullanım tarihi olan ve bahsi geçen Ti yüzey özellik yetersizliklerinin bir çaresi olarak son yıllarda popülaritesi artan biybozunur ve biyouyumlu bir metalik elementtir. Mg vücutta en fazla bulunan katyon olmasının yanında kemik dokusunun doğal yapısında da bulunmaktadır. Bu özelliği Mg tabanlı biyomalzemelerin aynı zamanda yüksek biyouyumluluğa ve yüksek doku etkileşimi yeteneğine sahip olmasını da sağlamış olur. Mg doğal kemik dokusu ile karşılaştırıldığında diğer geleneksel metalik biyomalzemelerden yaklaşık 3 kat daha iyi elastik modül değerlerine sahiptir. Bu özellikleri bakımından avantajlı olan Mg, saf olarak kullanıldığı uygulamalarında yüksek korozyona ve bunun sonucu olarak belirli stokiyometrik denklemlere bağlı olarak fizyolojik ortamda hidrojen gazı oluşumuna neden olmaya eğilimli olduğundan, istenilen özellikleri sağlayabilmesi için diğer malzemelerle birlikte kullanılması daha uygun olabilmektedir. Bu tezde yukarıda bahsedilen sorunlara bir çözüm olarak, Ti yüzeylerin Mg ile kontrol edilebilir biçimde modifiye edilerek in vivo performansı iyileştirilmiş sert doku implantları elde edilmesini amaçlanmıştır. Bu amaçla bilinen bir kaplama tekniği olan katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi (katodik ark FBB) ile Ti yüzeylerinin modifikasyonu ve aynı zamanda Mg’un Ti yüzeylerinde, yüzey altında veya alt-ara yüzeylerinde depolanarak korozyon miktarının fizyolojik ortamlarda kontrol edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaca yönelik olarak 1cm2 Ti altlıklar kimyasal olarak temizlenmiş ve katodik ark FBB yöntemi için tasarlanan Mg ve Ti katodları arasında bulunan, bir perde sistemi üzerinde sabitlenmiştir. Kaplama denemeleri toplam kaplama süreleri sabit tutularak, farklı katod akım değerleri ve iyon bombardımanı zamanlarında gerçekleştirilmiştir. İlk olarak katod akım değerleri sabit tutulmuş ve iyon bombardımanı zamanları kademeli olarak değiştirilmiştir. Bu sayede iyon bombardıman zamanının kaplamaların ihtiva ettiği Mg miktarı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Daha sonra iyon bombardıman zamanı ve Ti katod akım değeri sabit tutularak, Mg katod akım değerleri düşürülerek seri denemeler ile üretilen yeni kaplamalardaki Mg oranlarının düşürülmesi sağlanmıştır. İlk adım, kaplama sonrası yapılan elementel analizler ışığında atomik Mg oranlarının % 10 ve altına indirilmesinin başarılmasıyla tamamlanmıştır. Bu oranın üstündeki Mg miktarlarının korozyonu hızlandırdığı bilindiğinden % 10 ve altı hedefinin gerçekleştirilmesi önemlidir. Bu adımdan sonra Mg un Ti yüzey altında gerçekten depolanıp depolanmadığı ve depolandıysa kaplama kalınlığı ile karşılaştırıldığında ne kadar kalınlıkta Mg içeren ara yüzey oluşturulduğunun tayini yapılmıştır. Bu yapılan ölçümler ışığında Mg’un en fazla oranda bulunuduğu 27.1 ± 1.2 at. % Mg içeren kaplama da ~0,50 µm derinliğe kadar ve en düşük oranda bulunduğu 3.8 ± 0.7 at. % Mg içeren kaplamalarda ~0,75 µm derinliğine kadar tespit edilebildiği GDOES ve 3D optik profilometre analizlerinin sonuçları doğrultusunda ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca yapılan XRD analizlerinden kaplama sonrası birçok titanyum ve titanyum-magnezyum oksit zengini bir yüzey yapısına kavuşulduğu düşünülmektedir. Elde edilen kaplamaların hücre canlılığı ve hücre proliferasyonu açısından performanslarının ölçülmesi amacaıyla yapılan MTS deneyleri sonucunda, düşük Mg içerikli kaplamalarının hücre proliferasyonu açısından daha iyi olduğu ve en az Mg içeriğine sahip olan 3.8 ± 0.7 at. % Mg içeren kaplamada en yüksek hücre proliferasyonun olduğu görülmüştür.Ayrıca bu sonuç saf titanyumdan (0 at. % Mg) daha iyi performans göstermiştir. MTS deneyi sonucunda elde edilen veriler, kaplama üzerine fikse edilen hücrelerin SEM vasıtasıyla görüntülenmesi ile de desteklenmiştir. Elde edilen bu olumlu sonuçlar Ti yüzeyler içerisine ve üstüne ayarlanabilir oranlarda biyobozunur ve biyouyumlu özellikteki Mg’un yerleştirilebildiği ve bu yöntemin biyomalzeme özelliklerinin modifikasyonunda kullanılabileceği ortaya konmuştur.

Hard tissue biomaterials have a great demand from all over the world according to increasing health care issues including hard tissue injuries, diseases or ageing. The most common materials for hard tissue biomaterial applications are metals due to their superior mechanical properties especially for load bearing applications. Titanium (Ti) and its alloys are commonly used as hard tissue biomaterials, such as implants for total joint replacements or dental applications, since the discovery of their potential as biomaterials. However they encounter problems such as lack of corrosion and wear resistance in long term applications. The waste majority of these problems end up with implant failures and consequent revision surgeries, which are painful for the patients and also expensive. In this thesis, magnesium (Mg) was used to address the potential issues of titanium based hard tissue biomaterials. Mg is a biocompatible and biodegradable metallic element so that it is considered as a good candidate for improving titanium surface properties. On the other hand, pure Mg cannot be used because of its rapid corrosion behavior in physiological media. Cathodic arc physical vapor deposition technique which is the one of the main techniques for coating technology was used to modify Ti surfaces by Mg. The aim was to adjust Mg amounts on and within the layers of the new structured surfaces to be able to control corrosion behavior and the biocompatibility of the modified surface. Fine control of atomic Mg percentages below 10 at % was aimed to achieve this goal. Second step was to determine the structural layer components of created modified surfaces and determine the depth of Mg deposited layers on the surface. The analysis of the surfaces was mainly made optical profilometer, GDOES and XRD. Both duration and current values were changed to determine their effect on doping and Mg amounts ranging from 27.1 ± 1.2 at. % in ~0.50 µm depth to 3.8 ± 0.7 at. % in ~0.75 µm depth were found using optical profilometer and GDOES analysis. XRD profiles also showed a metal oxide rich structure formation including titanium and titanium oxides. MTS assay of the coatings showed that lower Mg contents in the coatings were better for cell poliferation and viability. 3.8 ± 0.7 at. % Mg containing coating showed the best performance for cell proliferation even than pure Ti (0% at. Mg). Results are promising for improving present Ti based hard tissue biomaterials by this relatively practical approach including Mg.