Doç. Dr. Fatih ÇALIŞKAN Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fak. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği EABD

Transkript

1 SİLİSYUM NİTRÜR Silisyum nitrür (Si3N4) doğada nadir olarak görülmektedir olmayan bir oksit seramik, ancak göktaşı kaya parçacıklarında bulunmuştur, çünkü doğal olarak ortaya çıkar. Sentetik Si3N4 ilk kez 1859 yılında Deville ve Wöhler geliştirdiği oldu, ama neredeyse bir yüzyıldır bir meraktan biraz daha fazla ileriye gidemedi. Çeşitli refrakter uygulamalar için geliştirildiği zaman malzemenin ticari ilgisi, 1950'li yıllarda artmıştır. İlerleyen yıllarda dünya çapında bir çaba ile, içten yanmalı motorlar ve yüksek sıcaklıklı gaz türbinlerinde kullanmak için Si3N4 geliştirmeye başlatılmıştır. Sonuç olarak, şimdi tarihinin en fazla çalışılan seramiklerinden biridir. Bu malzeme özellikleri iyi anlaşılmış ve onun ticari kullanımı büyük ölçüde genişlemiştir. Ortopedik cerrahide Si3N4 kullanımına ilişkin klinik veriler, gelecekte kullanılabilir hale gelir gibi görünüyor. Biyomedikal uygulamalarda bu malzemenin kullanımına yönelik gerekçesine genel bir bakış yararlı olacaktır.si3n4 kompozit yapılmıştır. Boyun tutucular ve omurga füzyon cihazları başarılı kısa vadeli klinik sonuçlarla halen kullanılmaktadır. Kaynak malzeme, hem de omurga disk cerrahisi, protez kalça ve diz eklemleri için yatak olarak Si3N4 yapılmıştır. Cerrahi plak ve vidalarda geliştirilmiş ve test edilmiştir. Silisyum Nitrür ün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Toz halinde üretilen Si3N4 malzemeler α ve β Si3N4 olmak üzere iki farklı poliformik yapıda kristallenmekte ve her iki yapıda da hegzagonal kristal kafes yapısına sahiptir. Uzun yıllar α- Si3N4, β- Si3N4 ün bir silisyum oksinitrürü olarak kabul edildi. Ancak daha sonra α- Si3N4 ün gerçek bir poliform olduğu ve β- Si3N4 arasında 30 kj/mol kadar bir entalpi farkı tespit edildi. α- Si3N4 Yapısal olarak β- Si3N4 e çok benzemektedir.

2 α- Si3N4 ün kimyasal formülünde β- Si3N4 den farklı olarak 30 azot atomundan birinin yerini bir oksijen atomu almaktadır. β yapısı α nın eriyik veya buharlaşmasıyla meydana gelir. Silisyum nitrür, silisyum ile azotun 1200 C üzerinde doğrudan reaksiyonu ile üretilir. Nitrürleşme reaksiyonu şiddetli ekzotermik olup prosesin sıcaklığını kontrol etmede güçlük çıkarmaktadır. 3Si(k) + 2N2 α-si3n4 (1400 C) Silisyum nitrür normal basınç altında ergimez. Fakat azot ile sıvı silisyuma parçalanır. Ayrışma hızı 1800 C nin üzerinde oldukça şiddetlidir. Bu nedenle saf silisyum % 100 yoğunlaşması mümkün değildir. Bu konudaki gelişme ancak sinterleme katkı maddelerinin ilavesi ile sağlanır. Silisyum Nitrür Malzeme Özellikleri Si3N4 yapmak için kullanılan farklı işleme yöntemleri arasında, sırasıyla reaksiyon bağlar, sinterleme ve basınç destekli sinterleme olarak bilinen üç tipik stratejiler vardır. Reaksiyon ile bağlanmış Si3N4'ün işlenmesi silisyum(si)'u meydana getirilen bir toz gözenekli şeklinde bir maddenin nitrürleme ile seramik malzemenin üretilmesi için bir yöntemdir. Reaksiyon yapıştırma işleminde, şekil almış malzeme de, tipik olarak bir aradaki Si3N4 ve Si bağları partiküller oluşturmak için N2 ile reaksiyona girerek santigrat derece arasında bir sıcaklıkta N2 içinde ısıtılır. Elde edilen madde, nispeten düşük bir yoğunluğa ve yüksek bir gözenekliliğe (genellikle% 15-20) ve düşük esnekliğe (örneğin, MPa esneme esnekliğe) sahiptir. Si3N4 içinde çatlak meydana gelmesi durumunda, yapı içinde uzamış çubuk benzeri taneler daha geleneksel bir Si3N4 de sınırlı veya mevcut olan sertleşme mekanizmalarını sağlamak için sertleştirilmiştir. Yerinde

3 sertleşmiş malzeme boyunca bir çatlağın sonucu olarak, yayılması da daha zor hale gelir. Sağlam çubuk şeklinde taneler, yayılan bir çatlak veya uzatılmış tanelerinin sınırları boyunca çatlağın sapma ucunun arkasında çubuğa benzer tanelerin çekilmesi ile yayılan bir çatlağın köprü oluşturmasını azaltabilir. Geleneksel olarak üretilen kompozit bir malzeme içinde takviye edici lifli bir faz kadar aynı şekilde hızlı bir çatlak büyümesi için bir eğilim göstermiştir. Ortopedik Cerrahide Seramik Malzemeler Titanyum (Ti) alaşımları, kobalt-krom cilalı (CoCr) ve yüksek yoğunluklu polietilen (PE) gibi modern biyomalzemeler, klinik sonuçları artık öngörülebilir ve dayanıklıdır. Öyle ki, 1970'lerden beri hastalıklı kalça ve diz eklemlerinin protez değiştirilmesi devrim yarattı. Ancak, insan vücudunda protez yatakları ile ilgili bir uzun vadeli endişe protez çevresindeki eklem alanı, özellikle PE aşınma parçalarının biriken, mikroskobik aşınma kalıntısı için olumsuz biyolojik yanıttır. Protez çevresindeki kemik kaybı ve zamanından önce implantın gevşemesine neden olur, çünkü daha az yatak aşınması arzu edilir. 1970'li yıllarda PE yüzeye karşısında son derece parlak bir yüzey CoCr eklemlenme taşıyan bir çift modern kalça ve diz protezi ameliyatı başarıyla sonuçlandı. PE çapraz bağlanması aşınmayı azaltmak için tasarlanmış bir imalat stratejisidir. Başka bir aşınmaazaltma stratejisi tamamen kalça protezleri den PE yi ortadan kaldırmak ve yerine sabit rulman kombinasyonu ile sert kullanılmasıdır. Böyle bir örnek total kalça protezi operasyonlarında CoCr-üzerinde-CoCr eklemlenmeleri sorunudur. Bugün ortopedik cerrahide kullanılan mevcut seramik sınırlılıkları göz önüne alındığında, klinik altı aşınma oranları ile bir hastanın, yaşam süresini, ömrünü kısaltması daha zor ve daha güvenilir seramik malzemelere ihtiyaç vardır.

4 Eklem protezi ameliyatı küçük ölçekli rulmanlar boyut ve konfigürasyonlarda geniş bir cerrahi esneklik sağlayan güçlü, sert seramik malzeme isteyen, daha yaygın kullanılan yeni başarılı Asya piyasalarında da büyümektedir. Gelişmiş ülkelerde de, büyük eklem değiştirme ameliyatı daha genç ve aktif hastalarda gerçekleştiriliyor. Bu bireylerin periyodik yüklemenin birkaç on yıl dayanacak implantlar ve rulmanlar için bir talep yaratarak, her zamankinden uzun yaşam süresinin keyfini beklenir. Silisyum Nitrür ün Biouyumluluğu In vivo uygulamalar için kullanılan herhangi bir malzeme (yani, malzemenin bir kez vücut implante, dökme ya da parçacık biçiminde ya da toksisite reaktivitesini göstermek gerekir) bioinert olması gerekir. Bu tür stabilize ZrO2 ve AI2O3 olarak oksit seramikler ortopedik uygulamalarda seramik malzemeler olarak kullanılmıştır. Sitotoksisite deneyleri ile son kanıtlar, aşağıda özetlenen, Si3N4 de seramiklere benzer birolumlu biyolojik uygunluk profiline sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, Si3N4 olumsuz etkileri olmadan 3 yıldır omurga cerrahisinde implante edilmiş ve ISO biyouyumluluk testlerinin tam spektrum sonuçları onun biyouyumluluk geçerliliğini göstermektedir. Sitotoksisite testleri, hücre canlılığı ve morfolojisi değerlendirmesi doğrudan temas tahlilinde L929-farenin fibroblast hücre kültürü modeli uygulayarak yapılmıştır. Bu araştırmacılar, test edilen tüm Si3N4 malzemeler ile olumlu sonuçlarını bildirilmiştir. Hücre büyümesi, canlılığı ve morfolojisi Ti ile karşılaştırılabilir ve cilalı yüzeyler Si3N4 de hücre büyümesini teşvik etmek için ortaya çıkmıştır. Araştırmacılar Si3N4 de seramik biyomedikal uygulamalar için uygun olduğu sonucuna varılmıştır.

5 Ortopedik Cerrahide Silisyum Nitrür Seramik malzemeler ortopedik cerrahide kullanılmaktadır birkaç on yıl boyunca, düşük sürtünme ve geliştirilmiş aşınma nitelikleri açısından CoCr alaşımları içinde kendi avantajları vardır. Dünya çapında ortopedik cerrahide Si3N4 esaslı seramiklerin halen kullanılan mevcut Al2O3 esaslı seramiklere göre önemli farklılıkları olduğu doğrulandı ve kapsamlı olarak gözden geçirilmiştir. Si3N4 seramiklerin çekici bir özelliği, gözenekli bir alt tabaka ve sert bir dayanma yüzeyine şeklinde formüle edilmesi yeteneği ile ilgilidir. Gözenekli formda, Si3N4 iskelete dayanıklı biyolojik tespit için gereklidir. Doğrudan apozisyonel kemik büyümesini destekleyebilir. Si3N4, bu nedenle, aynı implant içinde, bir düzlem, ile başka bir düzlemde büyümesi gözenekli yüzey üzerinde düzgün bir eklem yüzeyiyle ortopedik implantlar için kullanılabilir. Sonuç olarak; yerinde sertleşme yöntemi ile hazırlanmış yoğun Si3N4 de seramiklere şu anda toplam kalça ve diz eklem yenilenmesi için yatak olarak kullanılan Al2O3 esaslı seramik ve kompozit için üstün mekanik özelliklere sahiptir. Metallerin aksine Si3N4, X-ışınlarına karşı yarı saydam ile manyetik olmayan bir varlığa sahip olduğundan, Si3N4 implantlar yakın yumuşak dokuların MR görüntülemesi için olanak sağlar.