Farklı yüzey işlemlerinin metalik implant malzemeler üzerine etkileri

Abstract

İnsan vücudunda kullanılacak implant malzemelerin etkin ve sağlıklı bir biçimde kullanımını sağlamak için fonksiyonelliğin dışında bazı özelliklerin o malzeme tarafından karşılanması gerekir. Bunlar, yeterli mekanik özellikler ve biyouyumluluk, yüksek aşınma-korozyon direnci ve osseointegrasyondur.İmplant malzeme olarak en yaygın kullanılan metaller, 316L paslanmaz çelik ve Ti6Al4V alaşımıdır. Her iki malzeme de yüksek korozyon direncine sahip olmalarına rağmen, tribolojik özellikleri yetersiz olduğu için implant olarak kullanımları esnasında aşınma ürünleri oluşabilir. Bu ürünler ise iltihaplanmaya ve kemik kayıplarına sebep olabilir. Ayrıca bu iki malzeme vücut sıvısıyla temas anında zararlı metal iyonları salıverebilir. Bu hasarlar sonrası ise cerrahi operasyona ihtiyaç duyulmaktadır. Söz konusu operasyonlar, hastada ağrıya sebep olmanın yanı sıra çok büyük bir maliyeti de beraberinde getirmektedirler. Ayrıca cerrahi operasyonların başarı oranı daha önce gerçekleştirilen operasyonlara nazaran oldukça düşüktür. Dolayısı ile implant olarak kullanılan malzemelerin kullanım ömürlerinin artırılması zorunludur. Bu amaç doğrultusunda, 316L paslanmaz çeliği ve Ti6Al4V alaşımı üzerine plazma nitrürleme, TiAlN ince film kaplama ve Al2O3 kaplama işlemleri uygulanmıştır. Farklı yüzey işlemi uygulanmış malzemelerin yapısal, mekanik, tribolojik ve elektrokimyasal özellikleri, sırasıyla XRD, SEM, optik mikroskop, düzlem ve kazımalı yorulma, çizme testi, pim-disk aşınma, potansiyostat ve impedans ölçüm cihazları ile araştırılmıştır. Ayrıca kazımalı yorulma test sonuçları sonlu elemanlar analizi sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, üç farklı yüzey işlemi için de aşınma direnci iyileştirilmiş, fakat bu yüzey işlemlerinin kullanılabilmesi için korozyon özelliklerine dikkat edilmesi gerektiği tespit edilmiştir. Uygulanan her bir yüzey işlemi sonrası yüzeyde oluşan yapıların doğrudan mekanik, tribolojik ve korozyon özelliklerini etkilediği görülmüştür. Her bir yüzey işleminde bu üç özelliğin de aynı anda iyi olması mümkün olmadığı için implanttan öncelikli olarak istenen ve beklenen özelliklerin belirlenmesi ve buna göre en uygun yüzey işleminin seçilmesi gerektiği kanaatine varılmıştır.

An implant material should provide some properties beyond functionality to ensure effective and healthy usage. These properties are biocompatibility, mechanical properties, high wear-corrosion resistance and osseointegration.Metallic materials which are mostly used as implant materials are 316L stainless steel and Ti6Al4V alloy. Despite these two materials have high corrosion resistance, their tribological properties are insufficient. Wear products are most likely to be generated during usage since these materials have low wear resistance. These products may cause bone loss and/or inflammation. Besides, these metallic materials may release harmful metallic ions into the body fluids. After these damages, surgical operations are needed. These operations not only cause pain in patients but also they bring high cost. In addition, the success rate of surgical operations is lower than previously realized. Therefore, the increase of usage life of materials used as implant is required. For this purpose, 316L stainless steel and Ti6Al4V alloy were plasma nitrided, TiAlN thin film coated and Al2O3 coated. Structural, mechanical, tribological and corrosion properties of the materials subjected to surface treatments with various process parameters were examined with XRD, SEM, optical microscope, plain and fretting fatigue, scratch test, pin-on-disk wear test, potentiostat and impedance measurement equipments. Also, fretting fatigue test results was compared with finite element analysis results. It was observed as the result of this study that three different surface treatments improved wear resistance but corrosion properties must be taken into account. It was also obtained that the structures formed on the surface after treatments strictly affects mechanical, tribological and corrosion properties. Since all these three properties cannot be optimum for any surface treatment, an act of compromise is necessary according to the properties expected for the implant.