MAX FAZI (Ti-Si-C VE Ti-Al-C) hammaddelerinin sol-jel yöntemi ile sentezlenmesi, max fazı ile güçlendirilmiş biyoinert seramiklerin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

İnsan ömrünün uzaması ve bireysel aktivite ihtiyacının artması implant malzemelerine olan gereksinimi artırmaktadır. Bu kapsamda uzun süreler boyunca kullanılması gereken total kalça artroplastisi (THA), kalça hastalıklarının tedavisinde etkili bir yöntemdir. Ancak, uygulama sonrasında periprostetik kırık, aşınma ve implant gevşemesi gibi komplikasyonlar görülebilmektedir. THA implantına sahip hastaların yaş ortalamasının gerilemesi ve ortalama yaşam süresinin uzaması nedeniyle ikincil cerrahi gereksinimlerinin olası artışı beklenmektedir. Özellikle asetabular bileşenlerde meydana gelen kırılma ve aşınmaya bağlı başarısızlık, revizyon hastalarının ~%0,25-11'i arasında değişmektedir. Günümüzde, hastaların gereksinim ve ihtiyaçlarına, klinik çıktılara daha fazla odaklanan, kalitesi yüksek implant malzemelerine yönelik talep hızla artmaktadır. THA uygulamalarında kullanılan implant malzemesinin seçimi hem hasta hem de sağlık sistemi açısından uzun vadeli sonuçlar üzerinde kritik bir etkiye sahiptir. Kalça implantlarında en sık kullanılan seramik esaslı ürünlerden biri, itriyum oksit ile stabilize edilen tetragonal zirkonya partikülleri (YSZ) içeren alüminyum oksit (Al₂O₃) esaslı kompozitlerdir. Bu biyoseramikler, kalça implantlarının femoral baş ve asetabular yuva kısımlarında yaygın şekilde kullanılmaktadır. Vücutta kullanımı olan seramiklerin, sahip oldukları birçok üstün ve gelişmiş özelliğe rağmen düşük kırılma tokluğu değerleri ve zor işlenebilir olmaları nedeniyle tek başına kullanımları sınırlıdır. Bu sorunun çözülebilmesi için geliştirilen yöntemlerden biri, kompozit yapılar oluşturmaktır. Bu bağlamda kullanılacak implantın biyouyumluluk özelliklerini koruyarak yapıya eklenen ikincil fazlar sayesinde, biyoinert matrislerin kırılma tokluğu, yoğunluk, aşınma dayanımı ve işlenebilirlik gibi özellikleri iyileştirilebilmektedir. Yapılan araştırmalarda, zirkonya ile toklaştırılmış alümina (ZTA) matrisinde eklenen tabakalı yapının, kırılma tokluğunu artırmada, tek boyutlu malzeme veya partikül formundaki ilavelere göre daha etkili olduğu belirlenmiştir. Bu durum, hem biyouyumlu hem de kendiliğinden tabakalı bir yapıya sahip olan, katkılandığı kırılgan matrisin işlenebilirliğini iyileştirebilen ve çeşitli toklaştırma mekanizmalarıyla matrisin kırılma tokluğunu artırabilecek MAX fazlarının, ikincil faz (katkı) olarak kullanım potansiyelini araştırma fikrini gündeme getirmiştir. MAX fazları, Mn+1AXn (n = 1, 2, 3) genel formülü ile tanımlanmaktadır. M bir geçiş metalini, A çoğunlukla IIIA ve IVA (Al, Ga, vb.) grubu elementini ve X ise karbon (C) veya azotu (N) belirtmektedir. MAX fazları üçlü karbür ve nitrürlerin çok kristalli, nano boyutlu ve tabakalı yapılarıdır. MAX fazları yapılarında hem seramik hem de metalik faz ve bu fazların özelliklerini bulundurmaktadır. Seramik fazlar MAX'a yüksek sertlik, iyi oksidasyon direnci, yüksek sıcaklık kararlılığı gibi özellikleri sağlamaktadır. Metalik fazlar ise işlenebilirlik, termal şok direnci, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik gibi özelliklere sahip olmasına neden olmaktadır. MAX fazları, bu özellikleri ile yüksek sıcaklık, sensör, koruyucu kaplama, ince film, düşük sürtünmeli yüzey, biyomedikal uygulamalarında ve metalurji, otomotiv, havacılık-uzay sanayiinde kullanılabilmektedir. Bu kapsamda yapılan doktora çalışması iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamayı, Tix+1SiCx (TSC) ve Tiy+1AlCy (TAC) MAX fazlarının sol-jel yöntemi ve ısıl işlemi ile sentezlenmesi oluşturmuştur. TSC ve TAC MAX fazlarının ham maddelerinin sol-jel yöntemi ile sentezlenmesine yönelik bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. İlk aşama için sentezlenen MAX fazlarının yüksek saflıkta olmaları hedeflenmiş ve doktora çalışmalarının ikinci aşaması, sentezlenen MAX fazlarının biyoinert özellik gösteren Al2O3 ve ZTA (hacimce %20 ve %30 YSZ içeren Al2O3) matrislerine farklı oranlarda eklenmesi ile kompozit yapıların spark plasma sinterleme (SPS) ile üretilmesini kapsamaktadır. Sol-jel yöntemi ile sentezlenen MAX fazı ham maddelerinin ısıl işlem sonucunda yüksek verimde MAX fazı oluşturabilmesi için hem sol-jel hem de ısıl işlem aşamalarında optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Kullanılan başlangıç ürünlerinin stokiyometrik oranları (Ti:Si ve Ti:Al, 2:1 ve 3:1 gibi), nihai üründe elde edilen karbürlü yapının oluşması için ekstra karbon ilavesi, hidroliz oranı ile ham maddenin fırın ortamında kurutulması, sol-jel kısmındaki optimizasyonları kapsarken ısıl işlem esnasında yan ürünlerin (oksitli bileşikler, TiO2 ve Al2O3 gibi) oluşumunu engellemesi oksijen depolama görevi gören MnO2'nin fırın ortamına ilavesi, bu sıcaklıkta tozların işleme tabi tutulması ısıl işlemdeki optimizasyonlara örnek olarak verilebilir. Bu aşamada elde edilen önemli çıktılar, TSC'nin yüksek sıcaklık (1350°C) ve MnO2 ortamında yüksek verimde oluşmasıyken TAC oluşumununn termodinamik değil kinetik olarak gerçekleşmesidir. Bu da daha düşük sıcaklıkta (1250-1300°C) daha fazla bekleme sürelerinde oluşması anlamına gelmektedir. Buna ek olarak, Ti2AlC düşük sıcaklıkta kararlı iken 1250°C üzerindeki ısıl işlemlerde Ti3AlC2'ye dönüşmektedir. Deneysel çalışmaların ikinci aşamasında Dr.Sinter 20.000 A kapasiteli 7.40 MK VII, SPS Syntex Inc. spark plazma sinterleme (SPS) sistemi ile 50 mm çaplı kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen ikili kompozitlerin, SPS yöntemi ile yüksek yoğunluklarda üretilmesi hedeflenmiştir. Alümina ve ZTA matrisleri içerisine farklı hacim oranlarında katkılandırılan MAX fazlarının relatif yoğunlukları hesaplanmış ve ZTA (70-30) matrisinin daha yüksek densifikasyon değerlerine ulaştığı belirlenmiştir. Ti3SiC2 ve Ti3AlC2 MAX fazları aynı oranlarda (hacimce %0,5, 1, 3, 5) ve aynı SPS parametrelerinde (1350°C-60 MPa- 5dk) ZTA (70-30) matrisine eklenmiştir. Hacimce eklenen %3 MAX fazları her iki sistem için de en iyi sonuçları vermiş olup işlenebilirlik çalışmaları yalnızca bu kompozitler için gerçekleştirilmiştir. Bu doktora tezi 122M818 numaralı TÜBİTAK 1001 projesinin bir çalışması olup TÜBİTAK tarafından desteklenmiştir.