Investigating the microstructural and mechanical properties of the novel metallic materials used in interdisciplinary fields and constructing a relationship with the biocompatibility in biomedical applications

Bu tezde disiplinler arası uygulamalarda kullanılan üstün özellikli metal malzemeler mikroyapı ve mekanik özellikleri ilişkilendirilerek derinlemesine incelenmiştir. Bu amaçla yapısal ve biyomedikal alanlarda kullanılan malzemeler mekanik testler ile deforme edilmiş ve mikro yapı evrimleri farklı mikroskopi teknikleri ile incelenmiştir. Ayrıca incelenen bu özellikler implant malzemelerin biyouyumluluklarının değerlendirilmesine de dahil edilmiştir. Öncelikle, farklı gerinimlere deforme edilmiş potansiyel implant malzemelerde mikro yapı evriminin hücre davranışına olan etkisi incelenmiştir. Yapılan mikroskopi analizleri beyin tümörü hücrelerinin en iyi yapışma ve canlılığı en yüksek gerinime deforme edilmiş, kayma ve ikiz mekanizmalarının etkileşiminin fazlaca görüldüğü örnek üzerinde sergilediğini göstermiştir. Özellikle bu etkileşimin sağladığı yüksek enerji sayesinde hücre yapışmasında görev alan proteinlerin implant yüzeyine yapışması kolaylaşmıştır. Bu çalışma implant malzemelerin mikro yapılarının değiştirilmesiyle daha iyileşmiş hücre davranışı ve buna bağlı olarak daha başarılı bir tedavi elde edilebileceğini göstermiştir. Bu çalışma farklı hücre tiplerinin de aynı sonucu verip veremeyeceğini incelemek amacıyla başka bir hücre tipiyle devam ettirilmiştir. Beyin tümörünün aksine fibroblast hücreleri plastik deformasyonla paralel olarak gelişmiş bir hücre davranışı göstermemiştir. Bunun nedenleri arasında ECM proteinlerinin yapışmasındaki başarısızlık veya hücre boyu veya yüzey pürüzlülüğünün uyumsuzluğu gösterilebilir. Bu çalışma implant malzeme seçiminin metal malzemenin temas edeceği dokuya özel olarak seçilmesi gerekliliğini göstermiştir. Metal malzemelerin biyouyumluluklarını etkileyen tüm parametrelerin anlaşılması amacıyla daha detaylıca incelemeler yapılmıştır. Özellikle Nikel-Titanyum (NiTi) diş tellerindeki gerçek yükleme koşullarının ex situ deneylere dahil edilmesiyle oluşan gerilimli korozyon çatlakları nedeniyle Ni iyon salınımındaki artış gösterilmiştir. Diş teli ve braket temas noktalarında biriken gerilim asidik ortamın aşındırıcı etkisiyle birlikte tel yüzeyinde çatlaklara neden olmuştur. Bu çalışmanın devamında diş tellerinin yüzeyindeki koruyucu oksit tabakasının çözünme-yeniden oluşma döngüsü incelenmiştir. Sonuçlar Ni iyon salımının oksit tabakasının çözünmesiyle arttığını ve yeniden oluşmasıyla azaldığını göstermiştir. Bu çalışmalar malzemelerin biyouyumluluklarının değerlendirilmesinde gerçek kimyasal ve yükleme koşullarının ex situ deneylere katılmasının ve koruyucu oksit tabakasının detaylıca incelenmesinin gerekliliğini göstermiştir. Metalik implant malzemelerin biyouyumluluklarının detaylıca değerlendirilesinin ardından yük altında karmaşık kayma ve ikiz mekanizması aktivitesi gösteren malzemelerin mikro yapı ve mekanik özelliklerini anlamak için ilave deneyler yapılmıştır. Bu amaçla çok taneli ve tek taneli metal örnekler tane sınırı etkileşimleri etkisi altında ve tane sınırı olmayacak şekilde test edilmiştir. Bu çalışmalar kayma mekanizmasının ikiz mekanizması ile engellendiğini, birincil ikizlerin içinde oluşan nano ikizler sayesinde malzemelerin güçlendiğini ve bunların sayesinde malzemelerin daha yüksek miktardaki deformasyona dayanabildiğini göstermiştir Bu tezde yapılan çalışmaların sonuçları malzemelerin mekanik özelliklerinin iyi bir şekilde anlaşılabilmesi için mikro yapılarının detaylıca incelenmesi gerektiğini göstermiştir. Ayrıca metalik implantların biyouyumluluk değerlendirilmelerinde mikro yapı ve mekanik özelliklerin dahil edilmesinin büyük önem taşıdığı belirtilmiştir.