Rf Plazma İşleminin Paslanmaz Çeliklerin Yüzey Özellikleri Ve Polimer Elektropüskürtme İşlemi Üzerindeki Etkisi

Abstract

Bu tez çalışmasında, biyomedikal malzemesi olarak kullanılan 316LVM paslanmaz çelik malzemenin yüzeyine biyobozunabilir ve ilaç salımı gerçekleştirebilen poli(laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) polimerinin elektropüskürtme yöntemi ile kaplanması sırasında karşılaşılan ıslanma problemlerini plazma yöntemi ile aşılması amaçlanmaktadır. Elektropüskürtme, basit ve maliyeti düşük bir düzenek ile karmaşık şekle sahip malzemelerin kaplanmasına olanak sağlayan bir metottur. Ancak, bu yöntem ile paslanmaz çelik yüzeylerine polimer kaplandığında, homojen olmayan kaplama ve yetersiz yüzeyi ıslatma sorunları gibi konular ortaya çıkabilmektedir. Bu tez çalışması öncesinde de yapılan fizibilite çalışmalarının sonuçları, elektropüskütme kaplama proses parametreleri optimize edilmesine rağmen, elektropüskütme yöntemi ile ilaç içeren PLGA polimeri, 316 LVM paslanmaz çelik yüzeyine kaplanmaya çalışıldığında, polimerin metal yüzeyini yeterince ıslatamadığını ortaya koymaktadır. Elektropüskürtme yönteminde, kaplama çözeltisinin özellikleri değiştirilerek kaplama kalitesinin iyileştirildiği bilinmektedir. Elektropüskürtme, özellikle kaplama çözeltisinin akış hızı ve elektrik potansiyeli ile optimize edilebilmesine rağmen, çözeltinin iletkenliği, vizkozitesi gibi sıvının özellikleri elektropüskütme yönteminde önemli rol oynamaktadır. Buna karşın, bir kaplama formülü, medikal alanda bir tıbbi cihaza uygulandığında, verifikasyon, validasyon, biyoyumluluk, hayvan ve klinik çalışmalar gibi uzun ve maliyetli süreçlerden geçip onayları alındıktan sonra iyileştirme veya değişiklik yapılması gerekebilir. Bu durumda, kaplama çözeltisinin özelliklerinin değiştirilmesi, birçok çalışmanın tekrarını gerektirdiğinden, kaplama çözelti formülünün içeriğinin değiştirilmesi arzu edilmemektedir. Bundan dolayı, bu tez çalışması, 316 LVM paslanmaz çelik yüzeyinin elektropüskütme yöntemi ile polimer malzeme ile kaplama uygulaması esnasında, kaplama çözeltisinin özellikleri değiştirilmeden, polimer kaplamanın metal yüzeyini yeterince homojen şekilde ıslatabilmesi için çözüm arayışını kapsamaktadır. Elektropüskütme ile kaplama prosesi öncesinde, metalin yüzey özellikleri modifiye edilmesi ile ıslanabiliğini iyileştirilmesi ile ilgili literatürde kapsamlı bir araştırma bulunmadığından, bu doktora tezi, teknolojik bir probleme çözüm bulması adına önem arz etmektedir. Bu teknolojik soruna ise polimer kaplama çözeltisi özelliklerini değiştirmeden, paslanmaz çelik yüzeyinin fiziksel ve/veya kimyasal özelliklerini plazma yöntemi ile modifiye edilerek, yüzeyin ıslanabilirliği iyileştirerek çözüm aramaktadır. Ayrıca, farklı gazlar kullanılarak yapılan plazma işleminin yüzey morfolojisi ve kimyasında yaptıkları değişimler ile kaplamanın ıslatma özellikleri arasında ilişkinin kurulması bilimsel ve teknolojik açıdan son derece önemlidir. Ayrıca, plazma işlemi, malzeme yüzeyinin ıslanma özelliklerinin iyileştirilmesi açısından geçici bir etki yarattığından, yüzey ıslanabilirliği zamanla plazma öncesine yeniden geri dönmekte ve yüzey temas açısı değerleri artmaktadır. Bu durum, plazma işleminin endüstride kullanımını kısıtlamaktadır. Bundan dolayı, hidrofilik özelliğe sahip Poli(2-hidroksi etil metakrilat) (PHEMA) polimerinin, plazma işlemi uygulanmış 316 LVM paslanmaz çelik üzerine elektro püskütme yöntemi ile kaplanılması düşüncesi, yenilikçi bir yaklaşım katmaktadır. Elektropüskürtme yöntemi ile PHEMA, paslanmaz çelik yüzeyine kaplandığında yüzey kalıcı olarak yüksek hidrofilikliğe sahip olacağı ön görülmüştür. İlaç içeren ana kaplama PLGA polimerinin, PHEMA polimer yüzeyine elektropüskütme yöntemi ile zamandan bağımsız olarak, istenildiği zaman kaplama fikri, çalışmaya yenilik katmaktadır. Bu yaklaşım, PLGA polimerinin, PHEMA üzerine tekrar plazma işlemine gereksinim duyulmadan elektropüskütme yöntemi ile kaplanmasına imkan verecektir. Böylece bu yöntem, sadece üretim verimliliği açısından değil aynı zamanda yeni projeleri başlatıcı olması açısından da yenilikçi bir çözüm önerisi olmuştur. Bu hedefler doğrultusunda, tez çalışması kapsamında, vakum radyo frekansı (RF) plazma işlemi, Ar, O2 ve Ar/O2 karışımı gazları kullanılarak elektroparlatma ve pasivasyon yapılmış 316LVM paslanmaz çelik (SS) yüzeyine uygulanmıştır. Temas açısı ölçümleri, hem Ar hem de O2 plazma işlemlerinin önemli derecede SS yüzeyinin ıslatılabilirliğini iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca, paslanmaz çelik yüzeyinin temas açısı değerlerindeki zamanla değişimini belirlemek için Ar, O2 ve Ar/O2 plazma gazları için yaşlanma çalışması gerçekleştirilmiştir. Yaşlanma sonuçlarına göre, Ar/O2 plazma gazı sonrasında temas açısı değerlerinin, Ar veya O2 plazma gazına kıyasla, daha yavaş artış gösterdiği analiz edilmiştir. RF plazma işlemleri tarafından ortaya çıkan fiziksel ve kimyasal etkilerin, SS yüzeylerin ıslanabilirliğine olası olan rolleri tartışılmıştır. SS üzerinde Ar ve/veya O2 plazması tarafından oluşan fiziksel ve kimyasal etkiler, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), yüzey profilometresi ve X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ile incelenmiştir. AFM ve yüzey profilometrisi analizi, Ar, O2 ve Ar/O2 plazma işlemlerinin, elektroparlatılmış referans numune ile karşılaştırıldığında, daha pürüzsüz yüzey meydana getirdiğini ortaya koymuştur. Ancak, en düzgün topografi, diğer tüm plazma gazı seçenekleri içerisinde, O2 plazma işlemi ile elde edilmiştir. Fe 2p, Cr 2p, Mo 3d ve O 1s XPS spektrumlarına göre yüzeylerin XPS analizleri, Ar plazmanın ana rolünün, metal bileşiklerin değerliklerinde herhangi bir fark olmaksızın, oksit-hidroksit tabakasının inceltmesi ve kirliliklerin ortadan kaldırılması olduğunu göstermiştir. Buna karşın, O2 ve Ar/O2 plasma işlemleri ise türlerin en yüksek değerliklere (Cr VI, Fe III and Mo VI) yükseltgenmesi ile birlikte oksit tabasının kalınlaşması ile sonuçlanmıştır. Diğer oksidasyon yöntemleri (elektrolitik ve yüksek sıcaklık) ile karşılaştırıldığında, RF plazma oksidasyonu en yüksek değerlikli oksitlerin (Cr VI, Fe III ve Mo VI) kararlı formlarının oluşumunu sağlamaktadır. Ayrıca, O2 veya Ar/O2 gazları ile uygulanan RF plazma işlemi sonucu oluşan suda çözünebilir oksitlerin rolü analiz edilmiş ve plazma işleminin kimyasal özellikleri üzerindeki etkisini gösteren literatürdeki diğer çalışmalardan farklılık yaratılmıştır. Bu çalışmada, Ar ve O2 gazları ile uygulanan plazma işlemi sonrasında numuneler distile suda yıkanmıştır. Yıkanan numuneler 15 dakika kuruması için bekletildikten sonra temas açısı ölçümleri alınmış ve Ar veya O2 plazma işlemi sonrasında yıkama işlemi yapılmayan numunelere ait temas açısı ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Ar plazma işlemi sonrasında yıkanan ile yıkanmayan numunelerin temas açısı değerlerinde önemli bir fark bulunmazken, O2 plazması sonrasında yıkanan numunelerin temas açısı, yıkanmayan numunelere göre oldukça yüksek çıkmıştır. Bu, O2 plazması sonucunda oluşan yüksek değerliklere sahip suda çözünebilir oksitlerin suda çözünerek yüzeyden uzaklaştırıldığını göstermiştir. Bu sonuçlar, Ar plazmasının paslanmaz çelik yüzeyinde kimyasal olarak herhangi bir değişiklik yaratmadan fiziksel bir değişime sebep olduğunu; O2 plazmanın ise suda çözünebilir oksit bileşikler oluşturarak yüzeyde kimyasal bir değişime neden olduğunu doğrulamaktadır. Vakum RF plazma işlemi görmüş 316 LVM paslanmaz çelik üzerine PLGA-sirolimusun elektropüskürtme ile kaplama uygulamaları, yukarıdaki karakterizasyon çalışmalarının sonuçları ile tutarlılık göstermiştir. Ar, O2 veya Ar/O2 gazları ile vakum RF plazma işlemi, elektropüskürtme ile PLGA kaplamanın ıslanabilirliğini iyileştirmiş ve paslanmaz çelik yüzeyi, PLGA ile tamamen kaplanmıştır. Ancak, Ar veya O2 plazma işlemleri ile kıyaslandığında, en homojen kaplama yüzeyi, Ar/O2 plasma işlemi sonrasında yapılan elektropüskürtme ile kaplamada elde edilmiştir. Ancak medikal alanda bir paslanmaz çelik malzemeden yapılmış tıbbi üründe plazma işlemi uygulanacaksa, O2 veya Ar/O2 gazları ile plazma işlemi sonucunda oluşan Cr(VI) toksit içerikli olduğundan kullanımı uygun olmayacaktır. Bundan dolayı, tıbbi ürün uygulamalarında da Ar plazma kullanılması tercih edilmelidir. Plazma işleminin geçici etkisinin üstesinden gelmek için, PLGA ve 316 LVM SS sübstratı arasında kalıcı hidrofilik tabaka olarak düşünülen hidrofilik PHEMA polimer, PLGA kaplama uygulamalarında zamandan bağımsız ıslanabilirlik sağlamıştır. PHEMA’nın en iyi ıslanabilirliği ise Ar plasma işlemi ile elde edilmiştir. Bu sonuç, temas açısı ölçümleri ile doğrulanmıştır. Bu sonuç, oksijen plasma gazının, PHEMA polimer zincirlerinin metal yüzeyine bağlanmasında olumsuz etki yarattığını göstermiştir ve bunun olası nedenleri olarak gösterilen polimer yapısı ve plazma sonucunda oluşan yüzey topografisi tartışılmıştır. Ar, O2 veya Ar/O2 gazları ile plazma işlemi uygulanmış paslanmaz çelik üzerine kaplanan PHEMA üzerine PLGA polimeri kaplanmıştır. Ar plazma işlemi sonrasında en homojen PHEMA kaplama elde edildiğinden, elektropüskütme yöntemi ile PLGA kaplaması da Ar plazma işleminden sonra kaplanmış PHEMA polimer üzerine kaplanmıştır. Sonuç olarak, PLGA-sirolimus, elektropüskürtme ile plazma işlem görmüş paslanmaz çelik üzerine veya PHEMA arayüzey kaplama tabasına başarıyla ve homojen bir şekilde herhangi bir kaplama hatası olmayacak şekilde kaplanmıştır. Ayrıca, uygulanan farklı gazlar ile RF plazma işlemi sonucundaki oluşan fiziksel ve kimyasal etkiler analiz edilmiş ve bu karakterizasyon çalışmaların sonuçları ile elektropüskürtme kaplama yöntemiyle kaplanan polimerlerin ıslatma özellikleri arasında ilişkilendirme yapılmıştır. Böylece, tez çalışması sonucunda elde edilen sonuçlar, hem teknolojik hem de bilimsel açıdan önemli katkılar bulunmuştur.

Vacuum radio frequency (RF) plasma treatment was conducted on electropolished and passivated 316LVM stainless steel (SS) surface by using Ar, O2, Ar/O2 mixture gases. Contact angle measurements revealed that both Ar and O2 plasma treatments significantly increased the wettability of the SS surface by water. Additionally, aging study was carried out for Ar, O2 and Ar/O2 plasma gases to determine the changes in contact angle values on stainless steel surface by time. The possible roles of physical and chemical effects induced by RF plasma treatments, on the wettability of SS surfaces were discussed. The physical and chemical effects induced by Ar and/or O2 plasma on SS were investigated via Atomic Force Microscopy (AFM), surface profilometry and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). AFM and surface profilometry analyses revealed that Ar, O2 and Ar/O2 plasma treatments resulted in smoother surface when compared to reference electropolished sample. However, the smoothest topography was obtained by O2 plasma treatment among all other plasma gas options. XPS investigations of the surfaces with respect to Fe 2p, Cr 2p, Mo 3d and O 1s XPS spectra showed that the main role of Ar plasma was thinning of the oxide-hydroxide layer along with the removal of contamination without any definitive difference on the valence states of metal compounds. On the other hand, O2 and Ar/O2 plasma treatments resulted in thickening of oxide layer along with oxidation of the species to their highest valence states (Cr VI, Fe III and Mo VI). Compared to other oxidation methods (electrolytic and high temperature), RF plasma oxidation allows the formation of highest valent oxides (Cr VI, Fe III and Mo VI) in stable forms. The electrospray of PLGA-Sirolimus coating applications on RF plasma treated 316 LVM stainless steel were aligned with the results of characterization studies above. Vacuum RF plasma treatment with Ar, O2 or Ar/O2 gases improved the wettability of PLGA coating via electrospray and stainless steel surface was completely covered by PLGA. Compared to Ar or O2 plasma treatments, the most uniform coating surface was achieved by Ar/O2 plasma treatment. In order to overcome the temporary effect of plasma treatment, PHEMA hydrophilic polymer, which was considered as a permanent hydrophilic layer between PLGA and 316LVM SS substrate, provided a time independent wettability for PLGA coating applications. The best wettabilty of PHEMA was obtained by Ar plasma treatement, so this result showed that oxygen plasma gas negatively influenced on the bonding of polymer chains to the metal surface. Consequently, PLGA was successfully and uniformly coated by electrospray on plasma treated SS surface or PHEMA coating interface layer without any coating defects.