Çözelti yanma sentezinde farklı yakıtlar kullanılarak hidroksiapatit üretimi

Abstract

Biyomalzemeler, hastalıklı, hasarlı veya arızalı doku ve organların işlevlerini kısmen veya tamamen yerine getirmek maksadıyla tasarlanan, kullanımı antik dönemlere kadar uzanan malzemelerdir. Önemi ve kullanım alanı her geçen yıl artış gösteren biyomalzemeler, biyolojik sisteminkine çok benzeyen özelliklere sahip olan, yeterince kararlı, uygun biyoaktiviteye sahip maddelerdir. Günümüzde seramik, metalik, polimerik ve kompozit alt başlıkları altında incelenen biyomalzemeler, tıpta yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Belirtilen 4 başlıktan seramik biyomalzemeler: biyoinert, biyoaktif ve biyoemilebilir olmak üzere 3'e ayrılmaktadır. Biyoaktif seramik başlığında incelenen hidroksiapatit, apatitin üyelerinden biridir ve kimyasal formülü Ca10(PO4)6(OH)2'dir. Kimyasal olarak kemik mineraline benzediği için dikkat çekici bir kemik onarım malzemesidir. Hidroksiapatitler üstün biyoaktivite, mükemmel biyouyumluluk ve yüksek oranda kemik oluşturma potansiyelin ile dikkat çekicidir. Bu nedenle hidroksiapatitin metalik kemik implantları üzerine biyoaktif kaplama, kemik kusurlarının onarımı, orta kulak implantı, diş malzemeleri ve doku mühendisliği sistemleri gibi çeşitli biyomedikal uygulamalar için yaygın olarak kullanılır. Hidroksiapatit üretimi için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan yöntemler: çöktürme, hidroliz, emülsiyon, hidrotermal yöntem, sol-jel yöntemi, mekanokimyasal yöntem ve katı hal sentezidir. Bu yöntemlere alternatif olarak son yıllarda çözelti yanma sentezi ile üretim dikkat çekmektedir. Çözelti yanma sentezi, yakıt-oksitleyici-sıcaklık üçgeninden hareketle düşük alev sıcaklığının sağladığı tutuşma ile başta oksitliler olmak üzere çeşitli karmaşık yapıda bileşiklerin üretilebileceği yüksek sıcaklığa ekzotermik reaksiyonlar sayesinde ulaşma ilkesi ile dikkat çeken, hızlı ve basit bir yöntemdir. Bu çalışmada, 4 farklı yakıt kullanılarak çözelti yanma sentezi yoluyla hidroksiapatit üretimi amaçlanmıştır ve bu yakıtların hidroksiapatit üretim verimleri incelenmiştir. Yakıt olarak; üre, glisin, maleik asit ve etilen glikol yakıt/oksitleyici oranı (φ)=1 olacak şekilde kullanılmıştır. Fırın sıcaklığı= 500 oC, karıştırma hızı= 500 devir/dakika, karıştırma sıcaklığı= 25 oC, karıştırma süresi= 30 dakika, Ca/P oranı= 1.67 olacak şekilde 4 farklı yakıt ile deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Sentez reaksiyonları sonucunda elde edilen ürünler X-ışını difraksiyon analizleri sonuçlarına göre saf HA değil, çoğunluğu HA/ β-TCP'den oluştuğu için bu tozlar 600 oC, 900 oC ve 1100 oC sıcaklıklarda 2 saat kalsine edilerek kalsinasyon sıcaklığının daha saf hidroksiapatit elde edilmesine olan etkisinin gözlemlenmesi amaçlanmıştır. X-ışını kırınım analizi sonuçlarına göre, 600 oC'de gerçekleştirilen kalsinasyondan sonra saf hidroksiapatit elde edilmiştir. 900 oC ve 1100 oC'de gerçekleştirilen kalsinasyonlardan sonra yapılarda β-TCP fazı bulunmuştur. Maleik asit ve etilen glikol kullanılarak φ =1 oranında üretilen çözelti yanma sentez ürünlerine SEM ve BET analizleri uygulanmıştır. Etilen glikol kullanılarak üretilen numunelerde küresel morfolojiye ek olarak uzun-ince kristal morfolojisi gözlemlenmiştir. Elde edilen nihai ürünler nano boyutlarda (52.89 nm ve 171.2 nm) olup, BET yüzey alanı 5.3560 m²/g olarak hesaplanmıştır. Maleik asit kullanılarak üretilen numunelerde SEM analiz sonuçlarına göre nano yapı (226.1 nm, 442.2 nm ve 305.9 nm) elde edilmiş ve yüksek porozite varlığı tespit edilmiştir. BET yüzey alanı 5,3666 m²/g olarak hesaplanmıştır. Çalışmada, değişen yakıt/ oksitleyici oranının hidroksiapatit üretim verimine etkisini gözlemlemek amacıyla yakıt olarak maleik asit kullanılarak φ=1.5, 2, 2.5 ve 3 oranlarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalardaki diğer parametreler (fırın sıcaklığı, karıştırma hızı, karıştırma sıcaklığı, karıştırma süresi, Ca/P oranı) sabit tutulmuştur. X-ışını kırınım analizi sonuçlarına göre, artan yakıt/oksitleyici oranı ile yapıdaki HA fazının saflığının arttığı gözlemlenmiştir. Ancak farklı φ oranı deneylerinden elde edilen tüm numunelerde hidroksiapatite ek olarak yapıda β-TCP fazı bulunmuştur. Son ürünlerin morfolojisinin, karıştırma süresi ve sıcaklığa bağlı olarak değişimini gözlemlemek için karıştırma sıcaklığı 80 oC, karıştırma süresi 10 saat olacak şekilde yakıt olarak maleik asit kullanılarak sol-jel yanma sentezi deneyleri gerçekleştirilmiştir. SEM analizi sonuçlarına göre sol-jel yanma sentezi deneylerinde elde edilen partiküllerde yüksek gözeneklilik gözlenmiş ve nano boyutlu (175.8 nm ve 288.8 nm) ürünlerin elde edildiği belirlenmiştir. Ayrıca elde edilen tozların BET yüzey alanı 2.6306 m²/g olarak ölçülmüştür. Ekzotermik reaksiyonlar sonucunda elde edilen maksimum alev sıcaklıklarının hesaplanması için çeşitli çalışmalar bulunmaktadır, ancak bu çalışmalarda kullanılan termodinamiksel yaklaşımlar genellikle adyabatik koşulları gözeterek hesaplama yapmaktadır. Adyabatik koşullara göre yapılan maksimum alev sıcaklığı hesaplamaları, artan yakıt miktarı ile sürekli artan alev sıcaklığı sonuçları vermektedir, fakat bu durumun deneysel çalışmalarla karşılaştırıldığında gerçekçi olmadığı görülmüştür. Bu noktada, çözelti yanma sentezi reaksiyonları sonucunda oluşan maksimum alev sıcaklığını etkileyen su, yanma süresi ve ışıma yoluyla sıcaklık kaybı gibi parametreleri de dahil ederek hesaplama yapan, bu şekilde daha gerçekçi sıcaklık sonuçları verdiği düşünülen SCSTempCal adlı program kullanılmıştır. Programa üre, glisin, etilen glikol ve maleik asitin termodinamiksel verileri eklenerek hesaplamalar yapılmıştır.