Evaluation of bioimplants surface nano-micro design by chemical mechanical polishing against alternative methods

Yaklaşık 10 yıldır, biyomalzemeler, sağlık alanında kullanılan ürünlerin 300,000 olarak tahmin edilen temsili bir kısmını oluşturmaktadır. Biyomedikal cihazlar (biyosensörler, kan dolaşım tüpleri, hemodiyaliz sistemleri gibi), implante edilebilir malzemeler (sütürler, plaklar, kemik ikameleri, tendonlar, meshler veya ekranlar, kalp kapakçıkları, lensler, diş gibi), ilaçların salınması için ürünler (filmler, deri altı implantlar ve parçacıklar şeklinde), böbrek, karaciğer, pankreas, akciğerler ve deri gibi yapay organlar, pansuman ürünleri gibi birçok ürün biyomalzemelere örnek verilebilir. Biyomalzeme terimi, son yıllarda farklı yazarlar tarafından farklı şekillerde tanımlanmıştır. Bu inceleme kapsamında, biyomalzemeler; biyolojik sistemler (biyolojik sıvılar da dahil), teşhis, aşı, cerrahi veya terapötik uygulamalar ile bağlantılı cihazlar olarak tanımlanmaktadır ve kimyasal veya kimyasal kaynaklı olduğu kadar sentetik veya doğal kökenli bileşiklerden de oluşabilir. İmplant olarak kullanılmak üzere işlenmiş domuz kalp kapakçıkları ve insan derisi flapları gibi çok fazla üretilmeyen hem katı hem de jel, macun ve hatta sıvı formundaki doğal malzemeler bunlara örnek verilebilir. Bu alanda en biyouyumlu materyal titanyumdur. Yüksek biyouyumluluk, düşük yoğunluk oranı, düşük esneklik katsayısı ve paslanmaz çeliğe kıyasla üstün aşınma direnci sayesinde titanyum alaşımı, özellikle protezlerde, kardiyovasküler ve kırıkların sabitlenmesi için kullanılan cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Titanyum, uzun süreli implantlar için önemli bir özellik olan osseintegrasyon için daha uygundur. Titanyumun, implantı çevreleyen dokularla azaltılmış veya var olmayan reaksiyonu, genellikle metal yüzeyinde nanometrik kalınlıkla olan titanyum dioksit filmi (TiO2) tarafından oluşturulan pasivasyondan kaynaklanmaktadır. Implant materyalleri için yüzey işleme teknikleri materyalin özelliklerini de etkiler, ve implantasyonda enfeksiyona neden olabilecek ve biyouyumluluk oranı üzerinde etkili olabilecek kontaminasyona sebep olabilir. Başarılı, uzun ömürlü bir implantı etkileyen en önemli faktörler yüzey pürüzlülüğü ve kimyadır. Biyouyumluluğun arttırılması ve mekanik bağlanmanın (ankraj) sağlanması ve bunun sonucunda birincil stabilitede başarılı bir biyo-implant için, literatürde farklı yöntemlerle koruyucu bir yüzey oksit tabakası oluşturulmuştur. Son yıllarda üretimde kullanılan yöntem, kimyasal dağlama ile ilişkilendirilen kumlama yöntemidir ve istenilen oranda yüzey pürüzlülüğü elde etmek için titanyum yüzeylerin düzenlenmesinde yaygın olarak kullanılır. Kumlama yöntemi, işlem yapılan bölgeye mikro bir pürüzlülük kazandırmak için özel parçacıkların püskürtülmesinden oluşur. Bu parçacıklar, implant yüzeyine yapışabilir ve bu da kontaminasyona neden olabilir. Bununla beraber, yüksek ısıda plazma kaplama veya lazerle yüzey işleme gibi diğer alternatif yüzey yapılandırma yöntemleri de maliyetlidir. Bu araştırma kapsamında, silindirik yüzeyli diş implantı gibi biyoimplant yüzeylerini işlemek için implant malzeme yüzeylerinin işlenmesi için literatürde var olan yöntemlere alternatif olarak, Üç Boyutlu Kimyasal Mekanik Cilalama/Düzlemleme (3-D CMP) prosesi oluşturulmuştur. Aslında CMP prosesi, aynı anda yüzeyi hem mekanik hem de kimyasal olarak düzlemleyebilen yarıiletkenler endüstrisinde kullanılan yöntemlerden biridir. İşlem sırasında kullanılan slurry içerisindeki aşındırıcı kimyasallar mekanik kesme etkisi yaratarak yüzey temizliğinde nanometrik seviyede aşınım sağlar. Slurrynin kimyasal bileşenlerini oluşturan stabilizatörler, PH ayarlayıcılar ve oksitleyiciler, yüzeyi kaplayabilen ve biyouyumluluğu artırabilen pasif oksit filminin oluşum sürecini hızlandırmak için birleştirilirler. CMP genel olarak pürüzsüz yüzeyler oluşturmak amaçlı kullanılmaktadır, fakat bu araştırmada; slurry partiküllerinin yoğunluğu, cilalama pedi materyalinin özellikleri, ped materyali türü, oksitleme hızı ve yoğunluğu olmak üzere işlem bileşenlerinin değişkenleri, mühendise, tedavi edilen bölgedeki pürüzlülük oranını kontrol etme imkanı verir. CMP tedavisinin asıl amacı, tek tip bir koruyucu film oluşturmaktır. 3-D CMP uygulamasının; insan vücudu çevresiyle temas halinde olan biyo-implantların yüzeyindeki organik ve inorganik kirlenmeyi azalttığına, peri-impantitis oluşumunu engellediğine ve iyon salınımı sayesinde vücut içinde yan etkileri azaltarak enfeksiyon riskini azalttığına inanılmaktadır. Literatürdeki çalışmada, titanyum alaşımları üzerinde CMP uygulamasının TiO2 filmleri ürettiği ve pürüzsüz bir yüzey oluşturduğu belirtilmiştir. Ancak, bu bileşim doğal yolla oksitlenir ve bu süreç de yavaş bir süreçtir ve CMP uygulaması bu süreci hızlandırmaktadır. Titanyum oksit filminin biyouyumluluğa, hücre adezyonuna ve bakteri ve osteo-oluşumunun önlenmesine katkı sağladığı bilinmektedir. Fakat, anotlama yöntemi gibi benzer yöntemlerde oluşturulan oksit filmler; oluşan boşlukları ilaç bırakma noktaları olarak kullanma avantajına sahip olan kalın gözenekli film yapılarına yol açmıştır. Diğer bir yandan, bu gözeneklilik korozyon önleme sürecini etkileyebilir. Bundan dolayı, bu araştırmada, 3-D CMP yöntemi, implant yüzeyinde istenilen pürüzlülük oranını sağlamak ve organik ve inorganik kontaminasyonu önlemek için implant malzemesi olarak kullanılan Ti-plakalar üzerinde uygulanmıştır. Bunun yanı sıra, CMP ile tedavi edilmiş yüzeylerin tepkilerine göre istenilen yüzey pürüzlülüğü oranı ve biyouyumluluğu; yüzey ıslanabilirliği ve korozyon direnci, elektrokimyasal analizler, optimal yüzey parametreleri ve biyomekanik değerlendirmeler yollarıyla değerlendirilmiştir.