KÜRESEL VE ŞEKİLSİZ Ti6Al4V TOZLARINDAN SİNTERLENMİŞ GÖZENEKLİ TABLETLERİN BASMA MEKANİK DAVRANIŞLARI Mustafa Güden 1,2 Egemen Akar 1, Emrah Çelik 2, Sinan Cetiner 3, Alptekin Aydın 3 1 Makina Mühendisliği Bölümü,İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Gülbahce Köyü, Urla, İzmir 2 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Programı ve Malzeme Araştırma Merkezi,İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Gülbahce Köyü, Urla, İzmir 3 Hipokrat A.Ş., 47/6 Sok., No:1, Pınarbaşı, İzmir ÖZET Küresel ve şekilsiz Ti6Al4V alaşım tozlarından basılarak sinterlenmiş, %34-54, açık gözeneğe sahip tabletler hazırlanmıştır. Tozlar farklı soğuk presleme basınçlarında basılarak 12 o C de 2 saat sinterlenmiştir. Tabletlerdeki gözenek yüzdesi, uygulanan basınç ve toz şekline göre belirlenmiştir. Tabletlerin basma altındaki mekanik özellikleri belirlenerek daha önce saf Ti tozu ile hazırlanan tabletlerin mekanik özellikleri ile karşılaştırılmıştır. %4 veya daha az gözeneğe sahip tabletlerde akma gerilmesinin insan kortikal kemiği ile uyuştuğu bulunmuştur. Tabletlerin basma altında kırılma davranışları da mikroskobik yöntemlerle gözlenmiştir. GİRİŞ Biyo-uyumlu metalik malzemelerden (örneğin Ti ve Ti6Al4V) hazırlanmış gözenekli implantların kemikle daha fazla etkileşim göstermesi beklenmektedir. Bunun nedenleri arasında, açık hücreli gözeneklerden vücut sıvısının her yöne kolayca taşınması ve kemiğin gözenekler içinde gelişip büyümesi bulunmaktadır [1]. Gözenekli malzemelerde elastisite modülü gözenek miktarı ile ayarlanabilmektedir. Bulk metalik malzemelere göre elastisite modülünün daha düşük olması nedeni ile elastisite modülü farklılığından kaynaklanan ve implantın gevşemesine neden olan gerilme koruması (stress shielding) etkisi gözenekli malzeme kullanımı ile azalacak ve implantların kullanım süreleri artacaktır [2]. Biyomedikal uygulamalarda yaygın kullanım potansiyeli bulunan açık hücreli Ti köpükler, toz metalurjisi yöntemlerinden boşluk yapıcı madde kullanım metodu ile daha önce hazırlanmıştır [3-5]. Bu metodla son şekillerinde, kullanılmaya hazır homojen gözeneğe ve yüksek gözenek yüzde miktarlarına (%6-8) sahip, elastisite modülleri kemiğinki ile kıyaslanılabilir açık hücreli Ti köpükler elde edilmiştir [3-5]. İmplant ve kemik arasındaki elastisite mödülü uyumsuzluğunun yanında, mukavemetuyumsuzluğunun da azaltılması ile çoklu-malzeme sistemi diye adlandırılan kemik-implant malzeme sisteminin daha uyumlu çalışması sağlanmaktadır. Bu alanda dünya çapında bir çok çalışma yapılmaktadır. Oh ve diğerleri [6] toz metalurjisi yöntemiyle hazırlanmış sinterlenmiş Ti toz tabletlerinin elastisite ve kayma modüllerinin ve eğilme mukavemetlerinin insan kemiği özellikleri ile kıyaslanabilir olduğunu bidirmişlerdir. Aynı çalışmada insan kemiğinin mekanik özelliklerine benzer özelliklere sahip %3 gözeneğe sahip sinterlenmiş Ti tabletlerinin gözenek miktarının kemik gelişimi için önerilen gözenek miktarlarına oldukça benzer olduğu saptanmıştır. Bununla birlikte, Ti tozunun düşük mukavemeti nedeniyle hazırlanan Ti tabletlerinin akma gerilmelerinin, insan kortikal kemiği dayanımından daha düşük olduğu vurgulanmıştır [6]. Tablet mukavemetini arttırmanın bir yolu ise biyo-uyumlu ve mukavemeti daha yüksek Ti alaşım tozlarını, örneğin Ti6Al4V, kullanmaktır. Bu çalışmanın amacı insan kortikal kemiği yerine kullanılabilecek yüksek mukavemete sahip gözenekli yapıların ticari üretilen Ti6Al4V tozları ile hazırlanması ve özelliklerinin belirlenmesidir. Deneysel Çalışmalar Sinterlenmiş tabletler iki ayrı Ti6Al4V alaşım tozu ile hazırlanmıştır; atomize edilmiş küresel tozlar () ve şekilsiz tozlar (). Tozların kimyasal kompozisyonu ASTM 158-1 standartıyla uyumludur [7]. nın tane boyutları 74-25 m aralığında ve ortalama tane boyutu ise 14 m dir. nin tane boyutları 4-4 m aralığında ve ortalama tane boyutu ise 17 m dir. Her iki toz da 1-2 m tane aralığında elenmiştir. Elinmiş tozlardaki ortalama tane boyutu 17 1 m civarındadır.
Toz tabletler oda sıcaklığında çelik bir kalıp içerisinde silindir şeklinde farklı basınçlarda preslenmiştir (1 mm boy ve 15 mm çap). Herhangi bir bağlayıcı kullanılmadan 4 MPa lık basınçlara kadar şekillenmemektedir. Daha düşük basınçlarda şekillendirmeyi sağlayabilmek için PVA çözeltisi bağlayıcı olarak kullanılmıştır. Kullanılan basınçlar sırasıyla için 2, 3, 4, 5 MPa ve için 5, 1, 2, 4 MPa dır. Ayrıca, 2 MPa basıncın altında nın şekillenmediği ve nin de 4 MPa basıncın üstüne çıkıldığında yüzeyinde çatlakların oluştuğu gözlenmiştir. Hazırlanan tabletler %99,998 saflığındaki Argon gazı altında yatay tüp fırında 12 o C de 2 saat sinterlenmiştir. Sinterleme sıcaklığı ve zamanı daha önce Ti köpük ve tablet üretimine yönelik yapılan çalışmalardan yararlanılarak belirlenmiştir [3,6]. Ayrıca karşılaştırma amacı ile 4-75 m tane boyutu aralığındaki den oldukça yoğun tabletler hazırlanarak 135 o C de 2 saat sinterlenmiştir. Tabletlerin gözenek miktarı daha önceki benzer bir çalışmada kullanılan [8] Archimede prensibi ile hesaplanmıştır. Ortalama gözenek boyutu numunelerin parlatılmış kesitlerinden alınan mikroskobik resimlerden liner keşişim metodu ile hesaplanmıştır. Son olarak, 1 mm yüksekliğinde 15 mm çapında hazırlanmış silindirik tabletler.2 mm/dakika basma hızında test edilmiştir. Sonuçlar ve Tartışma ve den hazırlanan tabletlerdeki gözenek miktarları ve ortalama gözenek boyutları presleme basınçlarıyla birlikte Tablo 1 de sıralanmıştır. Gözenek miktarları, tabletlerinde %41 ile %34 arasında ve tablerinde ise %54 ile %43 arasında değişmektedir. Benzer basınçlarda (2-4 MPa) tabletlerinin gözenek miktarları tabletlerinin gözenek miktarlarından daha düşük olduğu Tablo 1 de görülmektedir. nin şekilsiz parçacık yapısı gözenek miktarının bu tabletlerde yüksek olmasına neden olmaktadır. Gözenek miktarı ayrıca presleme basıncı ile de değişmektedir. Basıncın artması ile parçacıklar arasındaki kontak alanların artması tabletin yoğunluğunun artmasına neden olmaktadır. Ortalama gözenek boyutu tabletlerinde 98-8 m aralığında, tabletlerinde ise 81-53 m aralığındadır. ve B tabletlerin parlatılmış yüzeylerinden çekilen optik mikroskop resimleri Şekil 1 ve 2 de sırasıyla gösterilmektedir. tabletlerindeki yüksek gözenek miktarları bu şekillerde açıkca görülmektedir. Tablo 1 Sinterlenmiş tabletlerde gözenek miktarı ve ortalama gözenek boyutlarının presleme basıncı ile değişimi. Presleme Basıncı (MPa) Gözenek Miktarı (%) Ortalama Gözenek Boyutu ( m) Gözenek Miktarı (%) Ortalama Gözenek Boyutu ( m) 5-54 1-51 9 (1-3) 2 41 81 (16-272) 49 87(1-3) 3 4 82(16-2) 46 85(1-3) 4 38 63(16-2) 43 8(1-3) 5 34 53(16-2) 1* 1 *Toz boyutu 75 m den küçük, 135 o C de sinterlenmiş. Şekil 1 tabletlerin parlatılmış kesitlerinden çekilmiş optik mikroskop resimleri %41 (2MPa) %4 (3MPa) (c) %38 (4MPa) (d) %34 (5MPa)
Şekil 2 tabletlerin parlatılmış kesitlerinden çekilmiş optik mikroskop resimleri %54 (5MPa) %51 (1MPa) (c) %49 (2MPa) (d) %43 (4MPa) Sırası ile, ve tabletlerin gerilme-birim şekil değiştirme grafikleri Şekil 3 ve de verilmiştir. ve B tabletleri benzer gerilme-birim şekil değiştirme davranışları göstermektedirler. Gerilmenin maksimuma ulaştığı noktalar (basma mukavemeti) Şekil 3 de oklarla gösterilmiştir. Tabletler basma mukavemeti sonrasında kayma bandı ile dayanımlarını kaybetmektedirler. Şekilsiz tozlardan hazırlanmış tabletlere göre küresel tozlardan hazırlanan tabletler benzer birim şekil değiştirme miktarlarında daha yüksek gerilmeler göstermektedirler. Basma mukavemeti sonrası bölgede kayma bandı oluşumu ile şekil değişimi yoğunlaşması ve gözenek çöküşü oluşmaktadır. Bu grafiklerde maksimum gerilmenin olduğu şekil değiştirme değeri, kırılma şekil değişimi olarak kabul edilir. Şekil 3 ve de görüldüğü gibi tabletlerin elastisite modülü gerilme-şekil değiştirme grafiğinin lineer bölgesinden ve akma gerilmesi ise liner bölgenin sona erdiği nokta olarak hesaplanmıştır. Gerilme (MPa) 35 3 25 2 15 1 5 E akma gerilmesi 5 MPa (34%) 4 MPa (38%) 3 MPa (4%) 2 MPa (41%) Gerilme (MPa).5.1.15.2.25.3.35.4.5.1.15.2.25.3.35.4 Birim Sekil Degistirme Birim Sekil Degistirme Şekil 3 Basma gerilme-birim şekil değiştirme garfikleri ve tabletleri. 14 12 1 8 6 4 2 E akma gerilmesi 4 MPa (43%) 3 MPa (46%) 2 MPa (49%) 1 MPa (51%) 5 MPa (54%) Basma mukavemeti (MPa) 6 5 4 3 2 1 Elastisite Modülü (GPa) 1 2 3 4 5 6 3 35 4 45 5 55 6 Gözenek (%) Gözenek (%) Şekil 4 Gözenek miktarı ile basma dayanımı ve elastisite modülünün değişimi. 1 8 6 4 2
Akma Gerilmesi (MPa) 6 5 4 3 2 1 kortikal kemik Ti tablet 374 m) [8] 1 2 3 4 5 6 Gözenek (%) Şekil 5 Gözenek miktarı ile ile akma gerilmesinin değişimi. Tabletlerin basma mukavemetinin gözenek miktarı ile değişimi Şekil 4 da gösterilmiştir. Bu şekilde görüldüğü gibi tabletlerinin basma mukavemeti 3 ile 12 MPa arasında değişirken Toz A tabletlerinki 12 ile 3 MPa arasında değişimektedir. Şekil 4 da görüldüğü gibi %1 gözeneğe sahip tabletlerinin basma mukavemeti 5 MPa ın üzerindedir. Yine aynı grafikte benzer gözenek miktarına sahip (%4-42) ve B tabletlerinin basma mukavemetleri birbirlerine oldukça yakın gözükmektedir. Bu ise çalışılan tabletlerin basma mukavemetlerinin tane şeklinden çok gözenek miktarından etkilendiğini göstermektedir. Tabletlerin elastisite modülünün gözenek miktarı ile değişimi Şekil 4 de gösterilmiştir. Basma mukavemetine benzer olarak elastisite modülü değerleri gözenek miktarının azalması ile artış göstermektedir. Çalışılan tabletlerin elastisite modülleri.5 ve 7 GPa arasında değişmekte olup kemiğin elastisite modülü aralığı ile (1-2 GPa) [9] kıyaslanabilir değerlerdedir. Gözenek miktarı %5 civarında olan tabletlerin basma mukavemetleri (~5 MPa) süngersi kemik mukavemeti (3-2MPa) [1] ile kıyaslanabilir seviyelerdedir. Bununla birlikte kortikal kemiğin akma gerilmesi süngersi kemikten daha yüksektir (14-121 MPa) [11]. Çalışılan toz tabletlerde %4-42 gözeneğe sahip ve B tabletlerinin akma gerilemsi 1 MPa ın üzerindedir (Şekil 5) ve dolayısı ile kortikal kemik değişimi için gerekli mukavemeti sağlamaktadırlar. Şekil 5 teki verilere uygulanan liner interpolasyon yüzde gözenek miktarı (P) ile akma gerilmesi ( y ) arasında aşağıdaki ilişkiyi vermektedir ( MPa) 62.39 11.337 * P (1) Ayrıca, karşılaştırma amacı ile daha önce Oh ve diğerleri [6] tarafından bildirilen Ti tabletlerin (374 m) %,2 akma gerilmelerinin gözenek miktarı ile değişimi de Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5, sadece %25 den daha düşük gözeneğe sahip saf Ti tabletlerin insan kortikal kemiği için gerekli mukavemeti sağlayabildiğini göstermektedir. Diğer taraftan, daha kuvvetli Ti6Al4V tabletlerin kullanımı ile kritik gözenek miktarı %4 a yükselmektedir (Şekil 5). Boşluk yapıcı madde ile üretilmiş olan, %52 ve 43 gözenek miktarına sahip Ti köpüklerin akma gerilmeleri yaklaşık olarak 2 ve 3 MPa olarak bildirilmiştir [5]. Benzer gözenek miktarında (%51-43) Ti6Al4V tabletlerin akma gerilmeleri yaklaşık olarak 5 ve 12 MPa dır. Bu iki farklı malzeme grubu arasındaki mukavemet farklılığı deformasyon modlarındaki farklılıktan ileri gelmektedir. Metal köpüklerde deformasyon genellikle plato gerilmesi bölgesinde hücre duvarı katlanması ve/veya çökmesi ile gerçekleşir. Fakat üzerinde çalışılan tabletlerde ise kırılma aşağıda açıklanacağı gibi kayma bantlarının oluşumu ile gerçekleşmektedir. Hazırlanan tabletlerin ortalama gözenek boyutları yeni kemik dokusunun tutulması ve gelişmesi ve hücre sıvılarının geçişi için gerekli olan optimum gözenek boyutundan (2-5 m) [12] daha düşüktür. Gözenek miktarını arttırmadan ve/veya mukavemeti düşürmeden, ortalama gözenek boyutunu arttırmanın alternatif yolları arasında tane boyutunu arttırmak ve daha sonra incelenecek olan boşluk yapıcı madde eklenmesi bulunmaktadır. Tabletlerin kırılması kayma bantları oluşumu ile gerçekleşmiştir (Şekil 6). Bantlar yükleme eksenine 45 o açı ile diagonal olarak oluşmaktadırlar. Kayma bandı oluşumunun ardından yüksek gözeneğe sahip tapletler (>%49) küçük parçalara ayrılarak kırılmışlardır. Fakat daha düşük gözeneğe sahip tabletlerde (%34-38) ise, kayma bandı içinde sabit gerilme değerinde deformasyon yüksek şekil değiştirme miktarlarına kadar devam etmektedir (Şekil 3). Bu deformasyon davranışı metal
köpüklerin plato bölgesindeki davranışları ile oldukça benzerdir. Kayma bandında kırılma, ve B tabletlerde, Şekil 7 ve 8 da oklarla işaretlenen taneler arasındaki temas bölgelerinin yırtılması ile gerçekleşmektedir. tabletlerinde temas bölgeleri sünek kırılma göstermektir (Şekil 7). Aynı şekil üzerinde ok ile işaretlenmiş çatlakların bulunduğu ince tabakanın yüksek sinterleme sıcaklığında oluşan bir oksit tabakası olduğu düşünülmektedir. Bununla birlikte tabletlerinin temas bölgesindeki gevrek kırılmanın (Şekil 8) başlangıç tozunun yüksek miktarda oksijen ihtiva etmesi nedeniyle oluştuğu düşünülmektedir. Tozların mikro-yapısal morfolojisinin tabletlerin mekanik özellikleri ve yorulma performansları üzerine etkileri daha sonraki çalışmalarda irdelenecektir. Şekil 6 tabletlerde kayma bandı oluşumu. Şekil 7 ( %4 gözenek ) tabletlerin, taramalı elektron mikroskobu resimleri parçacık temas noktasında kırılma ve temas bölgesinde sünek kırılma. Şekil 7 ( %49 gözenek ) tabletlerin taramalı elektron mikroskobu resimleri parçacıkların temas noktalarındaki kırılmalar ve temas bölgesinde gevrek kırılma.
Sonuçlar Küresel ve şekilsiz tozlardan (1-2 m), %34-54 gözenek miktarı aralığında sinterlenmiş Ti6Al4V toz tabletleri presleme basıncı değiştirilerek hazırlanmıştır. Tabletlerdeki gözenek miktarı uygulanan soğuk presleme basıncı ve toz çeşidine bağlı olarak belirlenmiştir. Sonuçlar, %4-42 gözeneğe sahip tabletlerin mukavemeti insan kortikal kemiğinin mukavemeti ile kıyaslanabilir seviyelerde olduğunu göstermiştir. Kırılan örneklere yapılan mikroskopik çalışmalar kırılmanın kayma bantlarının oluşumu ile gerçekleştiğini göstermiştir. İYTE Makina Fakültesi, Gülbahçe Köyü, Urla, İZMİR Tel:232 75 6595, Fax: 232 75 655 E-Mail:mustafaguden@iyte.edu.tr KAYNAKLAR [1] Pillar R M, J Biomed Mater Res 1987:21:1. [2] Long M, Rack H J. Biomaterials 1998;19:1621. [3] Martin B, Stiller C, Buchkremer H P, Stöver D, Baur H. Adv Eng Mater 2;2:196. [4] Wen C E, Mabuchi M, Yamada Y, Shimojima K, Chino Y, Asahina T. Script Mat 21;45:1147. [5] Wen C E, Yamada Y, Shimojima K, Chino Y, Asahina T, Mabuchi M. J Mater Sci 21;13:397. [6] Oh I H, Nomura N, Masahashi N, Hanada S. Script Mat 23;49: 1197. [7] ASTM F 158-95, Standart specification for titanium and Ti6Al4V alloy powders for coating surgical implants. [8] Oh I H, Nomura N, Masahashi N, Hanada S. JIM Materials Transactions, 22;43:443. [9] Rho J, Khun-Spearing L, Zioupos P. Med Eng Phys 1998;2.92. [1] Tencer F, Jhonson KD. Biomechanics in orthopaedic trauma:bone fracture and fixation. London: Martin Dunitz Ltd;1994.p.31. [11] Burstein AH, Reilly DT, Martens M.J.Bone Joint Surg 1976;58:82. [12] Clemow AJT, Weinstein A M, Klawitter JJ, Koeneman J, Anderson J. J Biomed Mater Res 1981;15:73.