DOĞAL VE SENTETİK OLARAK ÜRETİLEN HİDROKSİAPATİTİN ELEKTROFOREZ YÖNTEMİ İLE TİTANYUM ANA-YAPI ÜZERİNE KAPLANMASI Önder ALBAYRAK*, Mehmet İPEKOĞLU*, Çınar ÖNCEL**, Sabri ALTINTAŞ* *Boğaziçi Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü, İstanbul, E-mail : ondera@boun.edu.tr altintas@boun.edu.tr **Sabancı Üniversitesi, Malzeme Bilimleri ve Mühendisliği Bölümü, İstanbul ÖZET Elektroforez yöntemi ile titanyum ana-yapı üzerine hidroksiapatit kaplanmış, kaplama malzemesi olarak doğal kemikten ve kimyasal sentezleme ile üretilen hidroksiapatit tozları kullanılmıştır. Kalsinasyon işleminin ve kaplamada kullanılan voltajın etkisini incelemek amacıyla tozlar kalsine edilmeden önce ve sonra kullanılmış; 30 saniye süresince 0, 100 ve 200 V uygulanarak kaplama yapılmıştır. Üretilen tozların parçacık boyutları ve morfolojileri kalsinasyon işleminden önce ve sonra taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiş; kaplama için hazırlanan süspansiyonlarda değerine göre zeta potansiyel analizleri yapılmıştır. Elde edilen kaplamalar sinterlenme işleminden önce SEM analizine tabii tutularak çatlak oluşumları ve kaplama yüzey morfolojileri karşılaştırılmış, kalsine edilmeksizin kullanılan tozlarla yapılan kaplamalarda çatlak oluşumu gözlemlenmiştir. Uygulanan voltaj değeri arttıkça kaplama yüzeyindeki çatlakların daha belirgin hale geldiği ve büyüdüğü gözlemlenmiştir. Anahtar kelimeler: Elektroforetik kaplama, hidroksiapatit kaplama, hidroksiapatit üretimi NATURALLY DERIVED AND SYNTHESIZED HYDROXYAPATITE COATING ON TITANIUM SUBSTRATES BY ELECTROPHORETIC DEPOSITION METHOD ABSTRACT Naturally derived and synthesized hydroxyapatite (HA) powders were obtained and used as coating material for electrophoretic coating on titanium substrates. In order to investigate the effects of calcination and applied voltage, coatings were produced in ethanol with uncalcined and calcined powders at 0, 100 and 200 V during 30 s. Particle size and morphology of the obtained powders were characterized by scanning electron microscopy (SEM). Prepared suspensions for electrophoretic coating were characterized by zeta potensial at various values. Coating surfaces were analysed by SEM before sintering process, and effects of calcination process and usage of different voltages on the surface morphology and crack occurancy were investigated. The cracks were observed to grow with the increasing value of the applied voltage. Keywords: Electrophoretic coating, hydroxyapatite coating, hydroxyapatite preparation GİRİŞ Biyomalzemeler içinde hidroksiapatit (HA), Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2, yüksek biyouyumluluğu ve kimyasal açıdan kemikle benzerliği dolayısıyla öne çıkmaktadır [1,2]. HA, mükemmel biyouyumluluğuna rağmen zayıf mekanik dayanımı nedeniyle, kullanım alanı olarak kuvvet gerektirmeyen implant uygulamalarıyla kısıtlı kalmıştır. Ortopedi ve diş implantları gibi - 480 -
yüksek dayanım gerektiren uygulamalarda metal implantlar (Ti, Ti6Al4V, 316L paslanmaz çelik) kullanılmakta [3-], metal implantların mekanik avantajları ile HA in biyouyumluluğunu birleştirmek amacıyla, metal implantların HA ile kaplanması üzerine çalışmalar yapılmaktadır [6-8]. Metal yüzeye biyoseramik kaplama konusunda değişik yöntemler olmasına rağmen elektroforez yöntemi en etkili ve verimli yöntemlerden birisidir [9-11]. Bu yöntem, düzeneğinin kurulumundaki kolaylık, düşük ekipman fiyatı ve kompleks yapıların kaplanmasındaki avantajlarıyla büyük ilgi çekmekte; yaklaşık 1 mm/dak gibi yüksek hızlarda kaplama yapılabilmektedir [10-12]. Uygun şekilde elektrot kullanımıyla kompleks şekiller üzerine muntazam kaplama yapılabilmektedir. Kaplama morfolojisi kontrolü; elektroforez parametreleri, seramik parçacık boyutu ve şekliyle oynanarak sağlanabilmekte, kaplama zamanı ve voltaj değiştirilerek kaplama kalınlığı ayarlanabilmektedir [13-1]. Elektroforez kaplama, malzemenin, DC elektrik alanı uygulanan kararlı süspansiyondan direkt olarak şekillendirilmesiyle yapılan iki aşamalı kolloidal bir işlemdir. İlk aşamada, kararlı süspansiyondaki elektrik ile yüklenmiş seramik parçacıklar, elektrik alanı etkisiyle elektrotlardan birine doğru hareket etmeye başlarlar. İkinci aşamada ise parçacıklar ana-yapı üzerine tutunarak, kaplamayı oluştururlar. Ayrıca, seramik-metal arasındaki adezyon dayanımını arttırmak amacıyla sinterleme işlemi gerekmektedir [16] Bu çalışmada, kalsinasyonun ve kaplama esnasında uygulanan voltajın kaplama yüzeyinde çatlak oluşumu üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Kaplama malzemesi olarak, kimyasal sentez yöntemiyle ve hayvan kemiğinden doğal yolla elde edilen HA tozları, kalsine edilmeden önce ve sonra kullanılmış, kaplama aşamasında her bir numune için üç değişik voltaj değeri (0, 100 ve 200 V) uygulanmıştır. Hazırlanan kaplama süspansiyonlarında a göre zeta potansiyel analizi yapılarak, kullanılacak değeri belirlenmiştir. SEM yardımıyla, elde edilen tozlar ve kaplama yüzeyleri incelenmiştir. 2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1. HA Tozu Eldesi HA tozları üretiminde, kimyasal sentez yöntemlerinden, reaksiyon sonucu HA haricinde yabancı elementler oluşmaması ve çıktı olarak HA haricinde sadece su bulunması dolayısıyla, asit-temelli metod kullanılmış; Wei nin [17,18] bahsettiği prosedür uygulanmıştır..0 g Ca(OH) 2 (~%99, Merck, Almanya) manyetik karıştırıcı üzerindeki 200 ml deiyonize suda çözündürülmüş, 4.669 g sıvı H 3 PO 4 (%8, Merck, Almanya), 9. 10 u geçmeyecek şekilde, manyetik karıştırıcı üzerindeki Ca(OH) 2 solüsyonuna eklenmiştir. H 3 PO 4 eklenme aşamasından sonra elde edilen çökelti santrifüj - dekantasyon işlemleri kez uygulanmış, her birinden sonra elde edilen çökelti 00 ml deionize su içinde süspansiyon haline getirilmiştir. Beşinci tekrardan sonra elde edilen çökelti 12 saat boyunca 100 C lik fırında kurutulmuştur. Elde edilen tozlar, son olarak, 1000 C lik fırında 1 saat (300 C/saat ısıtma hızı) kalsine edilmiştir. Kurutma ve kalsinasyon işlemlerinden sonra tozlar agat havanda 30 dakika boyunca elle öğütülmüştür. Fosforik asit ilavesinden sonra elde edilen süspansiyon 1 gün boyunca manyetik karıştırıcı üzerinde bekletilmiştir. Prosedür 30 C ve 8 C de yapılarak iki farklı numune elde edilmiş, kalsine aşamasından önce ve sonra kaplama çalışmalarında kullanılmışlardır. Numunelerin kodlanmasında ilk terim üretim aşamasındaki süre (1: 10 dakika, 2: 1 gün), ikinci terim sıcaklık (A: 30 C, B: 8 C), üçücü terim ise kurutma (100) veya kalsinasyon (1000) hakkında bilgi vermektedir. - 481 -
Doğal kemikten HAP tozu elde etmek için dana femuru kullanılmıştır. Kemikler, kaynatılıp yumuşak dokularından ayrıştırılmış, iki ucu kesilerek ilikleri çıkartılıp temizlenmiştir. Bu kemiklerin yaklaşık 10 cm uzunluğundaki orta kısımları alınmış, testere yardımıyla dört eşit parçaya kesilmiş ve bu halka şeklindeki her parça da dört parçaya bölünmüştür. Bu parçalar 80 C de 4 saat kalsine edildikten sonra yarım saat agat havan içinde elle öğütülmüştür. 2.2. Elekroforez kaplama Elde edilen HA tozları kalsine edilmeden önce ve sonra kaplama malzemesi olarak kullanılmıştır. 0. g HA tozu ve 80 ml etanol kullanılarak elde edilen süspansiyon 1 dakika manyetik karıştırıcıda, 30 dakika ultrasonik banyoda bekletildikten sonra 30 dakika topaklanmış tozların çökmesi amacıyla dinlendirilmiş ve dekant edilerek 100 ml lik başka bir behere aktarılmıştır. Zeta potansiyel analizi sonucu elde edilen verilere göre süspansiyonun değeri ayarlanıp kaplama aşamasına geçilmiştir. Kullanılan elektroforetik kaplama düzeneği şematik olarak Şekil 1 de gösterilmiştir. Süspansiyon içine birbirlerine paralel olarak daldırılmış, güç kaynağına bağlı titanyum elektrodlar arası mesafe yaklaşık olarak 1 cm olacak şekilde ayarlanmıştır. Elektrodlara 30 sn boyunca 0, 100 ve 200 V uygulanmak suretiyle kaplama yapılmıştır. Anod ve katod olarak 10 1 mm boyutlarında titanyum kullanılmış, süspansiyon içindeki HA tozlarının pozitif yüklü olmasından dolayı, katod üzerinde kaplama gerçekleşmiştir. Metal ana-yapıların kaplama işlemine hazırlanmasında Wei nin [17,18] uyguladığı prosedür izlenmiş; kaplama öncesinde titanyum ana-yapılar 240-1000 grit arası SiC zımpara kağıtları kullanılarak parlatılmış; parlatılan numuneler, ultrasonik banyo içinde sırasıyla 30 dakika ticari bir deterjan içinde ve 1 dakika aseton içinde bekletilmiştir. Kaplama işlemine geçilmeden önce hacimsel olarak % lik nitrik asit (%69.0-71.0, Merck, Almanya) içinde 12 saat bekletilmiştir. Şekil 1. Elektroforetik kaplama düzeneğinin şemetik olarak gösterimi 2.3. Karakterizasyon HA tozları, morfolojik özelliklerinin ve parçacık boyutlarının belirlenmesi amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) (Model Supra 3VP, Leo) ile incelenmiş; numuneler gece boyunca 80 C de kurutulup, cihaza yerleştirilmeden önce karbon kaplanmışlardır. Kaplamada kullanılacak uygun değerlerini belirlemek amacıyla, hazırlanan süspansiyonların 3-12 değerleri arasında zeta potansiyel (Model Nano-ZS model, Malvern, İngiltere) analizleri yapılmış, ayarlanmasında HCl ve NaOH kullanılmıştır. 3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME - 482 -
Elektroforez yöntemi ile metal ana-yapı üzerine HA kaplanmasında, kalsinasyon işleminin kaplama üzerindeki etkisini incelemek amacıyla, üretilen tozlar kalsine edimeden önce ve sonra kaplama malzemesi olarak kullanılmışlardır. Parçacık boyutu ve boyut dağılımı kaplama verimliliğini etkilediğinden, kimyasal sentez yöntemi ve doğal kemikten (dana kemiği) elde edilen HA tozlarının SEM görüntüleri elde edilip Şekil 2 de gösterilmektedir. 2A kodlu numunede, yaklaşık 0 nm boyutlarında olan tozların kalsinasyon esnasında bir miktar sinterlenip parçacık boyutlarının yaklaşık olarak 300 nm mertebesine çıktığı görülmektedir. Doğal kemikten elde edilip 80 C de 4 saat kalsine edilen dana kodlu numunede parçacık boyutunda düzensiz bir dağılım gözlenmekte; 60 nm boyutlarındaki tozların yanısıra 1 mikron boyutlarında da tozlar bulunmaktadır. 2A-100 2B-100 2A-1000 dana Şekil 2. HA tozlarının SEM görüntüleri, 30 KX Elektroforez kaplama yönteminde, topaklanma oluşmaması açısından süspansiyon içindeki parçacıkların yüzey yükleri (zeta potansiyelleri) önemlidir. ± 30 mv aralığı dışındaki zeta potansiyel değerlerinde, kaplama kalitesi arttığından, hazırlanan süspansiyonların zeta potansiyel analizleri (Şekil 3) yapılmış; kaplamada kullanılacak değerleri 2A-100, 2B- 100, 2A-1000 ve dana kodlu HA tozları ile hazırlanan süspansiyonlar için sırasıyla 6.1,.61, 6.40 ve 6.70 olarak belirlenmiştir. - 483 -
4 3 1 - -1-2A-100 2B-100 4 3 1 - -1-4 3 1 - -1-2A-1000 dana 4 3 1 - -1 Şekil 3. HA/etanol süspansiyonunun değerine göre zeta potansiyel değişimi Kalsine edilmemiş (2B-100 kodlu) ve kalsine edilmiş (2A-1000 ve dana kodlu) toz numuneler ile yapılan kaplamalar, sinterleme işlemine tabii tutulmadan direkt olarak SEM de incelenmiş; 0X büyütmede elde edilen yüzey görüntüleri Şekil 4 de verilmiştir. Aynı şekilde, 2A-100, 2A-1000 ve dana kodlu numuneler ile elde edilen kaplamalar 1000X büyütmede incelenmiş; elde edilen SEM yüzey görüntüleri Şekil de sunulmuştur. - 2B-100 0 volt 2B-100 2A-1000 dana Şekil 4. Kaplama yüzeyi SEM görüntüleri: 0X büyütme - 484 -
2A-100 0 volt 2A-100 2A-100 200volt dana 0 volt 2A-1000 0 volt 2A-1000 Şekil. Kaplama yüzeyi SEM görüntüleri: 1000X büyütme Kalsine edilmemiş tozlar ile yapılan kaplamalarda çatlak oluştuğu, kaplamada uygulanan voltaj değeri arttıkça çatlakların daha belirgin hale geldiği Şekil 4 ve de görülmektedir. 2B- 100 kodlu numuneden elde edilen SEM görüntülerinde (Şekil 4), sabit gerilim uygulanarak elde edilen kaplamaların yüzeylerindeki çatlakların 0 volt kullanılarak elde edilen yüzeylerdeki çatlaklardan daha büyük olduğu; benzer durumun 2A-100 kodlu numune (Şekil ) için de geçerli olduğu görülmektedir. 2A-100 numunesine ait SEM görüntülerinde, kaplama yüzeyinde topkalanmış parçacıklar görülmekte; kaplamada kullanılan voltaj değeri arttırıldıkça, yüzeydeki topaklanmış parçacık sayısı ve boyutunun büyüdüğü gözlemlenmiştir. Düşük voltajlarda yapılan kaplamalarda ve kaplama işleminin başlangıcında ilk olarak küçük boyutlu tozlar metal yüzeye tutunmakta, süre ve/veya voltajın artmasıyla birlikte topaklanmış büyük parçacıklar da yüzey doğru hareket edip tutunabilmektedir. Benzer durum, boyut dağılımının geniş olduğu dana kodlu numunelerde de gözlenmektedir (Şekil ). Elde edilen sonuçlar özetlenecek olursa: Kalsine edilmemiş HA numuneleri ile yapılan kaplamalarda, sinterleme işlemi öncesinde, yüzeyde çatlak oluşmaktadır. Kalsine edilmiş numuneler ile yapılan kaplamalarda çatlak oluşumuna rastlanmamıştır. Yüzeylerde görülen çatlaklar, kaplamada uygulanan voltaj arttırıldıkça daha belirgin hale gelmekte, büyümektedirler. Kaplamada uygulanan voltaj değeri arttıkça, kaplama yüzeyindeki topaklanmış parçacık sayısı ve boyutu büyümektedir. Volt arttıkça, süspansiyon içinde bulunan topaklanmış parçacıklar da kaplama yüzeyine ulaşıp tutunabilmektedirler. Teşekkür Bu çalışma Boğaziçi Üniversitesi (B.Ü.) Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP-0A601D kodlu proje kapsamında) ve Devlet Planlama Teşkilatı (DPT-03K1200 kodlu proje kapsamında) tarafından desteklenmiştir. Katkılarından dolayı, Mersin Üniversitesinden Prof. Dr. Mustafa TEFEK e ve B.Ü. öğrencisi Işıl ULUÇ a teşekkür ederiz. - 48 -
KAYNAKLAR 1. A. Afshar et. al., Some important factors in the wet precipitation process of hydroxyapatite, Materials and Design, 24, (2003), 197-202 2. M. İpekoğlu and S. Altıntaş, Sintering of Naturally Hydroxyapatite with Boron Oxide Addition, Twelfth International Conference on Composites/Nano Engineering, August 1-6, 200, Tenerife, Spain 3. J. Ma et. al., Colloidal characterization and electrophoretic deposition of hydroxyapatite on titanium substrate, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 14, (2003), 797-801 4. Ş. Gören et. al., Production of hydroxylapatite from animal bone, Key Engineering Materials, Volumes 264-268, (2004), 1949-192. M. İpekoğlu, Effects of calcination and particle size on the sintering of natural hydroxylapatite, M.Sc. Thesis, Boğaziçi University, Institute for Graduate Studies in Science and Engineering, (2004) 6. J.M. Gomez, E. Saiz, Novel bioactive functionally graded coatings on Ti6Al4V, Advanced Materials, 12, No:12, (2000) 7. A. Stoch et al, Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants, Journal of Molecular Structure, 96, (2001), 191-200 8. F.J. Gil et. al., Growth of bioactive surface on titanium and its alloys for orthopedic and dental implants, Materials Science and Engineering C, 22, (2002), 3-60 9. L.A. Sena et. al., Hydroxyapatite deposition by electrophoresis on titanium sheets with different surface finishing, Inc. J Biomed Mater Res, 60, (2002), 1 7 10. M. Wei et. al., Electrophoretic deposition of hydroxyapatite coatings on metal substrates: A nanoparticulate dual-coating approach, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 21, (2001), 39 48 11. P. Vuoristo, Coating structures and techniques for bio applications, Euroceram Seminar Biotechnical Engineering: Bioceramics, May 4th, (2001) 12. A. Nakahira et al, Green fabrication of porous ceramics using an aqueous electrophoretic deposition proces, J. Am. Ceram. Soc., 86, (2003), 1230-1232 13. P. Mondragon-Cortez and G. Vargas-Gutierrez, Electrophoretic deposition of hydroxyapatite submicron particles at high voltages, Materials Letters, 8, (2004), 1336 1339 14. J. Ma et. al., Electrophoretic deposition of porous hydroxyapatite scaffold, Biomaterials, 24, (2003), 30-310 1. I. Zhitomirsky and L. Gal-Or, Electrophoretic deposition of hydroxyapatite, Journal of materials science: materials in medicine, 8, (1997), 213-219 16. T.M. Sridhar et. al., Sintering atmosphere and temperature effects on hydroxyapatite coated type 316L stainless steel, Corrosion Science, 4, (2003), 2337 239 17. M. Wei, Electrophoresis of Hydroxyapatite on Metal Substrates, PhD thesis, University of New South Wales, (1997) 18. M. Wei et.al., Precipitation of hydroxyzpztite nanoparticls: Effects of precipitation method on electrophoretic deposition, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 16, (200), 319-324 - 486 -