Biyomedikal uygulamalar için ASTM F75 kobalt-krom alaşımının yüzey modifikasyonu

Kobalt-krom alaşımları yük taşıma kabiliyetleri ile beraber sahip oldukları yüksek aşınma ve korozyon dirençleri sayesinde biyomedikal alanda oldukça tercih edilen malzemelerdir. Özellikle kalça ve eklem implantlarında kullanılan bu malzemeler mekanik açıdan üstün özelliklere sahip olmasına rağmen biyolojik olarak implante edildiği bölge ile yüksek bir uyumluluk göstermez. Bu noktada karşımıza çıkan ve biyoaktivite adı verilen özellik implant malzemenin vücut içerisinde bulunduğu bölge etkileşime geçerek dokunun kendi üzerinde herhangi bir toksit etki yaratmadan büyümesine olanak sağlaması olarak tanımlanır. Günümüzde kobalt-krom alaşım- larının yüzeylerinin kendisini çevreleyen doku ile biyolojik yönden daha uyumlu yani biyoaktif hale getirmek için birçok çalışma yapılmaktadır. Kobalt-krom malzemelerin yüzeyleri biyoaktif camlar ya da biyokaktivite yönünden daha üstün özelliklere sahip metaller ile kaplanarak modifiye edilmeye çalışılmaktadır. Titanyum ve alaşımları metalik malzemeler içerisinde biyoaktivite konusunda en iyi özelliklere sahip olanlardır. Titanyum ve alaşımlarının yüzeylerinde oluşabilen TiO2 filmi biyoaktif bir yapı olmakla beraber korozyona karşı dirençlidir. Bununla beraber titanyum içerisine farklı metaller eklenerek mekanik yönden daha avantajlı alaşımlar oluşturulmak istense de titanyum ve alaşımları henüz kendi başına yük taşıyan implantlarda tercih edilmemektedir. Özellikle yorulma ve aşınma konusunda yetersiz kalmaları titanyum ve alaşımlarının en büyük dezavantajlarıdır. Titanyum alaşımları yüzeyinde oluşan oksit filmi düşük yüklerde bile olsa aşınmaya maruz kaldığında yüzeyden kolayca kalkabilmekte ve tüm özelliğini kaybedebilmektedir. Titanyumun bu dezavantajını geliştirmek amacıyla yüzeyinde mekanik ve kimyasal açından daha kararlı bir oksit tabakası oluşturmak için çalışmalar yapılmaktadır. Termal oksidasyon, mikroark oksidasyon ve anodik oksidasyon bu amaçla titanyum ve alaşımlarına uygulanan oksit oluşturma yöntemleridir. Termal oksidasyon ile yüzeyde oluşturulan oksit tabakası oksijenin titanyum içine difüzyonu ile oluşan difüzyon alanı ile desteklenir. Yüzeydeki oksit tabakasının görece sert oksijen difüzyon alanı ile desteklenmesi aşınma konusunda yapıya ekstra bir direnç sağlar ve termal oksidasyonu diğer oksidasyon yöntemlerinden bir adım öne taşır. Çalışmada ASTM F-75 biyomedikal kobalt-krom alaşımı yüzeyi soğuk dinamik gaz püskürtme yöntemi ile titanyum ve titanyum matrisli kompozit kaplamalar ile kaplanmış, kaplanan numuneler 600°C' de 60 saat boyunca termal oksidasyona maruz bırakılarak yüzeydeki titanyumun oksidasyonu gerçekleştirilmiştir. Böylece iki adımlı proses sonucunda kobalt-krom alaşımı yüzeylerinde TiO2 (rutil) ağırlıklı bir yapı oluşturulmuştur. Çalışmada kullanılan soğuk dinamik gaz püskürtme tekniği toz halindeki kaplama bileşiminin altlık malzeme yüzeyine ses üstü hızlar ile çarptırılarak tozların plastik deformasyonu sonucu kaplama oluşması temeline dayanır. Çalışmada ASTM F75 biyomedikal kobalt-krom alaşımı yüzeyi soğuk dinamik gaz püskürtme tekniği ile beş farklı toz bileşimi ile kaplanmıştır. Bu kaplamaların bileşimleri kütlece %95Ti- %5Al, %90Ti-%5Al-%5Zn, %90Ti-%5Al-%5ZnO, %90Ti- %5Al-%5ZrO2 ve %90 Ti-%5Al-%5Ag'dir. Kaplamada bulunan yüksek titanyum oranı kobalt-krom alaşımı yüzeylerini biyokativite yönünden geliştirilmesi amaçlı iken Zn, ZnO, ZrO2 ve Ag gibi diğer katkılar kaplamaya antibakteriyel etki kazandırmak için yapıya eklenmiştir. Hazırlanan kaplamalar 600 °C' de 60 saat termal oksidasyona maruz bırakıldıktan sonra kaplama karakterizasyonu kesit incelemeleri, EDS yüzey haritalama analizleri, X-ışınları analizleri, yüzey pürüzlülüğü ölçümleri ve sertlik ölçümleri ile yapılmıştır. Bununla beraber aşınma testleri ile kaplamaların tribolojik karakterleri incelenmiş, in-vitro biyoaktivite testleri ile kaplamanın kobalt-krom alaşımı yüzeyine kıyasla biyoaktivitesi araştırılmış ve antibakteriyellik testleri ile eklenen diğer ekletilerin (Zn, ZnO. ZrO2 ve Ag) yapıya kattığı antibakteriyel etki gözlemlenmeye çalışılmıştır. Kesit incelemelerinde üretilen tüm kaplamaların bir miktar porozite içerdiği fakat yüzeye sıkı bir tutunma karakteri gösterdiği dikkat çekmektedir. Termal oksidasyon sonrası yüzeyde yaklaşık 3 µm' lik bir oksit tabakası oluştuğu bu oksit tabakasının bazı yerlerde kırılmaya ve çatlamaya uğradığı kesti incelemelerinde diğer göze çarpan noktalardır. Yüzey haritalama analizlerinde yapıya eklenen üçüncül bileşenlerin (Zn, ZnO. ZrO2 ve Ag) gümüş hariç titanyum matris içerisinde homojen bir dağılım sergilediği görülmüştür. Yüzey pürüzlülüğü ölçümlerinde termal oksidasyon sonrası yüzey pürüzlülüğünde 5-6 kat bir artış olduğu görülmüştür. Literatür incelendiğinde meydana gelen bu artışın titanyumun termal oksidasyonu üzerine olan diğer çalışmalar ile paralellik gösterdiği tespit edilmiştir. X-ışınları analizlerinde yüzeyde oluşan oksit yapının yüksek miktarda Rutil (TiO2) içerdiği, bunula beraber yapıda bir miktar alümina da (Al2O3) oluştuğu görülmüştür. Kaplama sertliği ölçümleri 10 gr yük ile yüzeyden derinlik hassasiyetli cihaz ile alınmış, tüm kaplamaların sertliğinin ortalama 950 HV olduğu görülmüştür Bu durum kaplama bileşimine eklenen Zn, ZnO, ZrO2 ve Ag gibi eklentilerin sertlikte herhangi bir değişime yol açmadığı şeklinde yorumlanmıştır. Aşınma testleri kobalt-krom altlık malzemeye ve tüm kaplamalara üç farklı yükte (2-3-4N) 25m mesafede yapılmıştır. Kaplamalara yapılan aşınma testlerinde oluşan aşınma izlerinin derinlik-genişlik profilleri yüzeyin çok az aşınması ve kaplama pürüzlülüğü sebebi ile profilometre yardımı ile alınamamıştır. Oluşan izlerin optik mikroskop ve SEM fotoğrafları yüzeydeki aşınma miktarının düşüklüğü konusunda fikir verirken sürtünme katsayısı grafikleri oksit yüzeler ile alümina aşınma bilyası arasında aşınmadan daha çok oksit-oksit karakterli kayma meydana geldiğini göstermektedir. Kaplamalar aşınma performansı olarak kendi içlerinde karşılaştırıldığında çinko katkılı kaplama sahip olduğu düşük sürtünme katsayısı sayesinde en iyi sonuçları vermiştir. Üretilen kaplamalara biyolojik testler in-vitro biyoaktivite testi ve antibakteriyellik testi ile yapılmıştır. İn-vitro biyoaktivite testinde işlemsiz kobalt-krom ve kaplamalı numuneler üç hafta boyunca 36.5 °C' de yapay vücut sıvısında bekletilmiştir. Üç hafta sonunda numune yüzeylerinde biriken yapıların görüntüleri SEM ile alınmış elementel analizleri EDS modu ile yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde tüm kaplamaların farklı seviyelerde de olsa biyoaktif bir karakter sergilediği görülmüştür. Antibakteriyellik testlerinde sayısı bilinen miktarda E.coli bakterisi bulunduran ortama işlemsiz kobalt-krom ve beş farklı kaplamaya sahip numuneler bırakılmış bir süre beklenildikten sonra bakteri sayısındaki değişim incelenmiştir. Bu çalışmada en iyi sonucu işlemsiz kobalt-krom alaşımına göre gösterdiği %98 antibakteriyel etki ile gümüş katkılı kaplama göstermiştir.