H-BN ilavesinin zirkonya ile toklaştırılmış alumina seramiklerinin mekanik ve biyouyumluluk özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi

Abstract

Biyoseramikler kimyasal ve mekanik özellikleri sebebi ile kas ve iskelet sistemini etkileyen bozuklukların tedavisinde kullanılmaktadırlar. Seramik ve cam malzemeler tıpta uzun zamandır kullanılmasına rağmen implantasyon uygulamaları için mekanik özellikleri yetersiz kalmıştır. Bu yetersizliğin ana sebebi seramik malzemelerin sahip olduğu düşük kırılma tokluğu değeridir. Düşük kırılma tokluğu uzun vadede yavaş ilerleyen çatlak oluşumunu ve nihai olarak implantın görevini yerine getirememesine, hatta deforme olmuş implantın vücuda zarar vermesine yol açar. Bu sebeple, kompozit yapıların oluşturulması ile bu negatif özelliklerin üstesinden gelinmeye çalışılmaktadır. Alüminyum oksit (Al2O3), yüksek korozyon direnci, yüksek sertlik, kimyasal inertlik, düşük elektriksel ve termal iletkenlik, iyi biyouyumluluk gibi özellikleri sebebiyle çeşitli mühendislik uygulamalarında ve biyomalzeme olarak vücut içinde kullanılmaktadır. Ancak düşük kırılma tokluğu kullanım alanlarını sınırlamaktadır. Bu sorunun giderilmesi amacıyla alüminaya MgO, SiC, ZrB2, ZrO2 gibi mikron altı boyutlardaki ikincil faz partikülleri ilave edilmektedir. Bu ilaveler matrisin tane sınırlarına yerleşerek aşırı tane büyümesini önleyip alüminanın dayanımını arttırırlar. Zirkonyum oksit (ZrO2) esaslı seramikler uzun yıllardır biyomedikal endüstrisinde kullanılan malzemelerdir. Zirkonya seramikleri sıcaklığın etkisi ile allotropik değişim gösterir ve bu değişimler dönüşüm toklaşması mekanizması ile kırılma tokluğunu arttırır. Söz konusu faz dönüşümü sırasında %4-5'lik bir hacim değişimi gerçekleşir ve bu %14-15'lik bir kayma gerilmesi ortaya çıkarır. Bu dönüşüm ilerleyen bir çatlağın çevresinde gerçekleşirse çatlağa karşıt kuvvet oluşturacağından istenen bir sonuç alınır; ancak vücut sıvıları ile temas eden yüzeylerde oluşan çatlak, mikro çatlak oluşumuna ve yüzey pürüzlülüğüne yol açabilir. Zirkonyanın faz dönüşüm mekanizmasını kontrol etmek için zirkonyaya stabilize edici oksitler (MgO, CaO, Y2O3) ilave edilir ve sinterleme sıcaklığı ile oda sıcaklığı arasındaki faz dönüşümü engellenir. Bu oksitler arasında en yaygın olarak kullanılan stabilizatör itriyum oksittir (Y2O3). Sahip oldukları üstün özellikleri bir araya getirilen alümina ve itriyum oksitle stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) seramikleri pek çok yapısal uygulamada monolitik alümina ve zirkonya seramiklerine göre tercih edilmektedir. Grafenin bulunması ve bilim dünyasına getirdiği yeniliklerin ilgi görmesi ile iki boyutlu malzemeler üzerine teorik ve deneysel çalışmalar hızlanmıştır. Son zamanlarda değişik karbon kaynaklarının kompozitler için takviye malzemesi olarak kullanımı ile ilgili birçok çalışma yapılmaktadır. Yapılan bu çalışmalar karbon kaynaklarının, Al2O3-YSZ kompozitlerinin kırılma tokluğunu arttırdığını göstermiştir. İki boyutlu hegzagonal bor nitrür (hBN), mekanik ve kimyasal özellikleri açısından grafen ile benzerlik göstermektedir. Bu çalışmada hBN'nin grafene nazaran sahip olduğu daha iyi oksidasyon direnci, işlenebilirlik özellikleri ve matris tozları ile aynı renkte olması sebebi ile bu çalışmada Al2O3-YSZ matrisine farklı oranlarda ilave edilerek yoğunlaşma, mikroyapı, mekanik özellikler ve biyouyumluluk üzerine etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS, 7.40 MK VII, SPS Syntex Inc.) tekniği kullanılarak öncelikle hacimce %20 ve 30 ZrO2 ve %30 YSZ içeren Al2O3-esaslı kompozitler 1350⁰C'de, 40 MPa basınç altında 5 dk bekleme süresi ile üretilmiştir. En iyi yoğunlaşma davranışına ve en yüksek mekanik özelliklere sahip bileşim (%30 YSZ içeren) matris olarak seçilmiştir. Daha sonra, hacimce %30 YSZ içeren bileşime farklı oranlarda hBN (hacimce, %1, 2, 3, 4 ve 5) ilavesi yapılarak bileşimler hazırlanmış ve SPS yöntemi ile 1350⁰C'de, 40 MPa basınç altında 5 dk bekleme süresi ile sinterlenmişlerdir. Sinterleme sonucunda 50 mm çapında, 4 mm yüksekliğinde silindirik numuneler elde edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında numunelerin relatif yoğunlukları ve mekanik özellikleri ölçülmüş, sinterleme davranışları belirlenmiş, faz analizleri, mikroyapı karakterizasyonu yapılmış ve biyouyumluluk testleri gerçekleştirilmiştir. İkili kompozitlerin faz analizleri sonucu yapılarında metastabil tetragonal zirkonya kristalleri olduğu gözlenmiştir. Üretilen üçlü kompozitlerde, relatif yoğunluk değerlerinde istatistiksel bir değişime rastlanmamıştır. Sistemde en yüksek relatif yoğunluk, %30 YSZ içeren ve hBN ilavesi olmayan numunede %99,9 olarak ölçülmüştür. Yapılan faz analizlerinde artan hBN oranı ile sinterleme sonrası yapıda görülen monoklinik zirkonya oranı artmaktadır. Vickers sertlik değerlerinde %4 BN katkısına kadar istatiksel bir değişime rastlanmamıştır ancak artan BN miktarı ile düşüş gözlenmiştir. En yüksek kırılma tokluğu %3 BN içeren numunede 7,5 MPa.m1/2 olarak ölçülmüştür. Biyouyumluluk testleri sonucunda hBN katkısının biyouyumluluk özellikleri üzerine olumsuz bir etkisinin olmadığı sonucuna ulaşılmıştır.