Biomimmetic Coating of 316L Stainless Steel with Microdeformation Areas on The Surface

Öz

In this study, the effects of controlled patterns formed through surface microdeformation process on the biomimetic calcium phosphate coating of 316L stainless steel, commonly used biomedical materials for orthopedic implants, were tested via static immersion experiments in simulated body fluid. Among the different patterns that were formed, the pattern consisting of narrower inter indent spacing and lower indent depth was found to show the optimum properties. Surface roughness and new structure formation (structures with oxide and calcium-phosphate) behaviors were not directly correlated, and it was suggested that this behavior stemmed from the effect of the microdeformation patterns on the dislocation mechanism as an important factor in increasing the surface energy. After the 3-days immersion period, in comparison with the control sample it was determined that the microdeformation patterns formed on the sample surfaces, which triggered dislocation mechanisms, positively affected the precipitation of oxide and calcium-phosphate structures by increasing the roughness and surface energy on the sample surface.

Anahtar Kelimeler

• Biomimetic coating
• 316L stainless steel;
• surface processing
• microdeformation

Proje Numarası

FHD-2021-1693

Yüzeyinde mikrodeformasyon alanları oluşturulan 316L paslanmaz çeliğin biyomimetik olarak kaplanması

Öz

Yapılan çalışmada ortopedik implantlarda genellikle tercih edilen biyomedikal bir malzeme olan 316L paslanmaz çelik yüzeyinde mikrodeformasyon işlemi ile kontrollü olarak desenleme yapılmış ve elde edilen farklı yüzey desenlerinin malzemenin biyomimetik yöntemle kalsiyum fosfat kaplanmasına olan etkisi statik daldırma deneyleri ile sentetik vücut sıvısı içinde test edilmiştir. Oluşturulan desenler arasında izler arası aralığın dar ve iz derinliğinin daha düşük olduğu desenin optimum özellik gösteren yüzey olduğu gözlemlenmiştir. Artan yüzey pürüzlülüğü ile numune yüzeylerinde yeni yapıların (oksit ve kalsiyum fosfatlı yapı) oluşumunda pürüzlülükle doğrudan bağlantı kurulamamış ve durumun oluşturulmuş mikrodeformasyon bölgelerinin dislokasyon mekanizması üzerindeki etkisinin de yüzey enerjisini arttırmada rol oynamasından kaynaklandığı düşünülmüştür. 3 günlük daldırma süresinin ardından kontrol numunesi ile diğer numuneler kıyaslandığında numune yüzeylerinde oluşturulan mikrodeformasyon desenlerinin dislokasyon mekanizmasını tetikleyerek numune yüzeyinde pürüzlülüğü ve yüzey enerjisini arttırmasıyla oksit ve kalsiyum-fosfatlı yapıların çökelmesi için olumlu sonuç verdiği saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Biyomimetik kaplama
• 316L paslanmaz çelik
• yüzey işlemi
• mikrodeformasyon

Destekleyen Kurum

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü (ESOGÜ-BAP)

Proje Numarası

FHD-2021-1693

Teşekkür

Bu çalışma Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü (ESOGÜ-BAP) tarafından FHD-2021-1693 numaralı proje kapsamında desteklenmiştir.

Kaynakça

1. [1] Güven Ş.Y., “Biyouyumluluk ve Biyomalzemelerin Seçimi”, Süleyman Demirel Üniv. Müh. Bilimleri ve Tasarım Der., 2:303–311, (2014).
2. [2] Tüylek Z., “Nanotıp ve Biyomateryal Kullanımı”, Müh. Beyinler Der., 1:41–52, (2017).
3. [3] Güner A.T., Meran C., “Ortopedik İmplantlarda Kullanılan Biyomalzemeler”, Pamukkale Üniv.Müh. Bilimleri Der., 26:54–67, (2020).
4. [4] Williams D.F., “On the Mechanisms of Biocompatibility”, Biomaterials, 29:2941–2953, (2008).
5. [5] Uzer B., Toker S.M., Cingoz A., Bağcı-Önder T., Gerstein G., Maier H.J., Canadinc D., “An Exploration of Plastic Deformation Dependence of Cell Viability and Adhesion in Metallic Implant Materials”, Journal of the Mech. Behavior of Biomed. Mater., 60:177–186, (2016).
6. [6] Manam N.S., Harun W.S.W., Shri D.N.A., Ghani S.A.C., Kurniawan T., Ismail M.H., Ibrahim M.H.I., “Study of Corrosion in Biocompatible Metals for Implants: A Review”, Journal of Alloys and Compounds, 701:698-715, (2017).
7. [7] Yavuz H.İ., Yamanoğlu R., “β tipi Ti alaşımlarının özellikleri üzerine bir derleme: mikroyapı, mekanik, korozyon özellikleri ve üretim yöntemleri”, Politeknik Der. (2021).
8. [8] Bauer S., Schmuki P., Mark K., Park J., “Engineering Biocompatible Implant Surfaces Part I: Materials and Surfaces”, Progress in Materials Science, 58:261-326, (2013).

9. [9] Kişioğlu Y., Çelik T., “Kalça protezi stabilitesinin harmonik cevap analizi ile değerlendirilmesi”, Politeknik Der., 23(1): 81-84, (2020).
10. [10] Kılınç Y., Ergüven S.S., Erkmen E., “Dental İmplant Yüzey Özellikleri ve Biyolojik Ortamla Etkileşimler: Bölüm I: Doku İmplant Etkileşimleri ve Moleküler Olaylar”, ADO Klinik Bilimler Der., 5:816–820, (2011).
11. [11] Uzun G., Keyf F., “İmplantların Yüzey Özellikleri ve Osseointegrasyon”, Atatürk Üniv. Diş Hekimliği Fak.Der., 2007:43–50, (2007).
12. [12] Akdemir M.S., “Osseointegrasyonu Arttıracak Hidroksiapatit/Siklodekstrin Kompozit Taşıyıcıların Geliştirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Biyomühendislik Anabilim Dalı, (2015).
13. [13] Şahin C., Korkmaz C., Uzun G., “Osseointegrasyon, Yüzey Pürüzlülüğü ve Nanoteknoloji”, Atatürk Üniv. Diş Hekimliği Fak. Der.i, 25:174–181, (2015).
14. [14] Hayran Y., Soylu E., Akbulut N., Tümer K.M., “İmplant Yüzey Şekillendirme Teknolojileri”, Türkiye Klinikleri Journal Oral Maxillofac Surg-Special Topics, 2:98–105, (2016).
15. [15] Köse S., Cora Ö.N., Sofuoğlu H., “Mikro İmalat Yöntemiyle Yüzey Şekillendirmenin Dental İmplant Uygulamalarındaki Osseointegrasyona Etkisi”, Süleyman Demirel Üniv. Müh. Bilimleri ve Tasarım Der., 2:221–227, (2014).
16. [16] Gül C., Mutaf S., Durmuş H., “Ti6Al4V alaşımı üzerine sol-jel yöntemi ile yapılan hidroksiapatit kaplamalarda oksalik asitin korozyon dayanımına etkisi”, Politeknik Der., 23(4): 1395-1402, (2020).
17. [17] Habibovic P., Barrere F., Blitterswijk C.A., Groot K., Layrolle P., “Biomimetic Hydroxyapatite Coating on Metal Implants”, Journal of the American Ceramic Society, 85:517–522, (2002).
18. [18] İzmir M., Tufan Y., Ercan B., “Anodize Ti-6Al-7Nb’un Simüle Edilmiş Vücut Sıvısı ile Etkileşimi”, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 34:495–504, (2019).
19. [19] Wu C., Chen M., Zheng T., Yang X., “Effect of Surface Roughness on the Initial Response of MC3T3-E1 Cells Cultured on Polished Titanium Alloy”, Bio-Medical Mater. and Eng., 26:155–164, (2015).
20. [20] Uzer B., “Modulating the Surface Properties of Metallic Implants and the Response of Breast Cancer Cells by Surface Relief Induced via Bulk Plastic Deformation”, Frontiers in Materials, 99:1–10, (2020).
21. [21] Panchmahal Steel Limited Inspection Certificate, Standard: EN 10204 / 3.1, Certificate no: 88339, (2017).
22. [22] Koju N., Sikder P., Ren Y., Zhou H., Bhaduri S.B., “Biomimetic Coating Technology for Orthopedic Implants”, Current Opinion in Chemical Eng., 15:49–55, (2017).
23. [23] Yılmaz B., Evis Z., Güldiken M., “Titanyum Alaşımının Biyomimetik Yöntemle Kalsiyum Fosfat Kaplanması”, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 29:105–109, (2014).
24. [24] Venkatsurya P.K.C., Thein-Han W.W., Misra R.D.K., Somani M.C., Karjalainen L.P., “Advancing Nanograined/Ultrafine-Grained Structures For Metal Implant Technology: Interplay Between Grooving Of Nano/Ultrafine Grains And Cellular Response”, Mater. Sci. and Eng. C, 30:1050–1059, (2010).
25. [25] Toker S.M., Sugerman G., Frey E.C., “Effects of Surface Characteristics on the in Vitro Biocompatibility Response of NiTi Shape Memory Alloys”, Academic Platform Journal of Eng. and Sci., 7:112–116, (2019).
26. [26] de Jonge L.T., Leeuwenburgh S.C.G., Wolke J.G.C., Jansen J.A., “Organic–Inorganic Surface Modifications for Titanium Implant Surfaces”, Pharmaceutical Research, 25:2357–2369, (2008).
27. [27] Ünal E., Özçatal M., Taktak Ş., Evcin A., Kayalı Y., “Saf Titanyum İmplantın Asit ve Alkali İşlemler ile Yüzey Modifikasyonu”, Afyon Kocatepe Üniv. Fen ve Müh.Bilimleri Der., 15:6–13, (2015).
28. [28] Toker M. S., Battal E., Demir Z., Çevik K. E., “Mikrodeformasyon ile Yüzey Özellikleri Değiştirilen 316L Paslanmaz Çeliğin Sentetik Vücut Sıvısı ile Etkileşimi”, Düzce Üniv. Bilim ve Teknoloji Der., 8:2455–2467, (2020).