Investigation of In-Vitro Properties of NiTi Alloy After Micro Arc Oxidation

Öz

As material science is integrated into medical science as in other fields, the variety, development and usage areas of biomaterials increase. One of the biomaterials in this variety is NiTi alloys. This study was focused on the coating of TiO2 layer by using the method of Micro Ark Oxidation with the aim of the improvement of surface and mechanical properties of Shapedmemory and bio material NiTi alloy. Structural properties of the coatings were analysed by of SEM and XRD. In vitro ability was investigated by soaking the coated NiTi samples in simulated body fluid (SBF) at temperature 37 °C for various time periods. After soaking, Ni+2 release was applied to the media where coated and uncoated shape-memory NiTi samples are available, and its control was made by means of ICP-MS device. The results also show that Toxic and carcinogenic effects of Ni+2 release is significantly reduced by the TiO2 coating. Thus, it is observed that the properties that limit the use of NiTi alloys has been substantially fixed by MAO coating. It was found that the bioactive properties of the TiO2 coated NiTi substrate increased by MAO method and at the end of the 72 hour, there was no statistically any cytotoxicity in cell viability compared to the NiTi substrate

Anahtar Kelimeler

• NiTi,MAO,in-vitro test,MTT test,in-vitro cytotoxicity,Ni+2 release

NiTi Alaşımının Mikro Ark Oksidasyon Sonrası İn-Vitro Özelliklerinin Araştırılması

Öz

Malzeme biliminin diğer alanlarda olduğu gibi tıp bilimine entegre olmasıyla biyomalzemelerin de çeşitliliği, gelişimi ve kullanım alanları artmaktadır. Bu çeşitlilik içerisinde yer bulan biyomalzemelerden biride NiTi alaşımlarıdır. Bu çalışma; şekil hafızalı NiTi alaşımının yüzey ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacı ile Mikro Ark Oksidasyon (MAO) yöntemi kullanılarak TiO2 kaplamasının büyütülmesi üzerine odaklanmıştır. Büyütülen kaplamaların yapısal özellikleri SEM ve XRD cihazları kullanılarak analiz edilmiştir. Biyoaktivite özellikleri yapay vücut sıvısı (SBF) içerisinde bekletme testi analizi ile tespit edilmiştir. SBF içerisinde bekletme testleri sonrasında kaplanmış ve kaplanmamış şekil hafızalı NiTi altlıkların, bulundukları ortama Ni+2 salınımı kontrolü ise ICP-MS cihazı ile tespit edilmiştir. Büyütülen oksit tabakasıyla NiTi alaşımlarının kullanımını sınırlayan özellikleri önemli derece giderildiği gözlenmiştir. MAO yöntemiyle TiO2 kaplanmış NiTi altlıkların biyoaktif özelliklerinin arttığı ve 72. saatin sonunda hücre canlılığında NiTi altlığına kıyasla istatistik olarak herhangi bir sitotoksisiteye sahip olmadığı tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• NiTi,MAO,İn-vitro test,İn-vitro Sitotoksisite,Ni Salınımı,MTT test

Kaynakça

1. [1]. Park J. and Bronzino J., “Biomaterials : Principlesand Applications” pp:22-26, CRC Pres. (2002). [2]. Özcan, T., “Biyonanoimplantların Biyouyumluluğu” Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, (2010). [3]. Güven., Ş.Y., “Ortopedik Malzemelerin Biyouyumlulukları ve Mekanik Özelliklerine Göre Seçimi”, 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi, Balıkesir, (2010). [4]. Enderle, J. D., Blanchard, M.S. and Bronzino, D.J., “Introduction To Biomedical Engineering”.(Second edition) P:1-29, (2005). [5]. Gümüşderelioğlu, M., “Biyomalzemeler”, Bilim ve Teknik Dergisi, Temmuz Sayısı, s. 2-4, 23, TÜBİTAK, (2002). [6]. Niinomi, M., “Recently Metalic Materials for Biomedical Applications”, Metalurgical and Materials Transactions; Warrendale pp:477-486 (2002). [7]. Otsuka, K. and Kakeshita, T., “Science and Technology of Shape-Memory Alloys: New Developments”, MRS Bulletin, (2002) [8]. Hodgson, D.E., Shape Memory Applications, Inc., Wu, M.H., Memory Technologies, and Biermann R.J., Harrison Alloys, Inc.,( 2002). [9]. Kurita, T., Matsumoto, H. and Abe, H., , Phase transformation behavior of Ti-rich NiTi alloy by a calorimetric method, Journal of Materials Science, 39, 4391-4392, (2004). [10]. Toptaş, E., Şekil Hafızalı Metaller İle Aktüatör Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2006). [11]. Ercan, E., Nikelce Zengin Niti Şekil Hatırlamalı Alaşımın Oksidasyon Davranışının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (2014). [12]. Poncet, P.P., NiTiNol Medical Device Design Considerations, Memry Corporations, http:// http://www.memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals 01/08/2015 [13]. Ibrahim, A. and Hamdy, A.S., Microstructure, Corrosion, and Fatigue Properties of Alumina-Titania Nanostructured Coatings. Journal of Surface Engineered. Materials and Advanced Technology, 1, 101-106 (2011). [14]. Akbaba, G.B., Biyomedikal Teknolojilerde Kullanım Potansiyeli Olan Bazı Nanomateryallerin İn Vitro Biyouyumluluklarının Araştırılması. Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum (2013). [15]. Özalp, Y., Özdemir, N., Biyomateryaller ve Biyouyumluluk. Ankara Üniversitesi Eczacılık Fakültesi Dergisi, 25-2, 57-72. Ankara, (1997). [16]. Vangölü, S.Y., Mikro Ark Oksidasyon ve Hidrotermal İşlemle Ti6al4v Alaşımı Üzerinde Hidroksiapatit Oluşumu; İn Vitro ve İn Vivo Şartlarda Kullanımının Araştırılması. Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, (2011) [17]. Uzun, İ.H. ve Bayındır, F., Dental Materyallerin Biyouyumluluk Test Yöntemleri, Gazi Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi, 28(2): 115-22, (2011). [18]. Putnam K.P, Bombick D.W. and Doolittle D.J., Evaluation of eight in vitro assays for assessing the cytotoxicity of cigarette smoke condensate. Toxicol In Vitro 16: 599-607, (2002). [19]. Wataha, J.C., Principles of biocompatibility for dental practitioners. J Prosthet Dent. 86: 203-209, (2001). [20]. Şüküroğlu S., NiTi alaşımının mikro ark oksidasyon (MAO) sonrası in-vitro özelliklerinin araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, (2015). [21]. SUKUROGLU S., Yasar TOTIK, Ebru Emine SUKUROGLU , Ridvan KUCUKOSMAN, “In-Vitro Properties of MAO Coated NiTi Implant Material” 3rd International Conference on Advanced Engineering Technologies,Bayburt, 789-798, (2019). [22]. Zhang, Z. Zhang Y., Chang L., Jiang Z., Yao, Z., Liu X., Effects of Frequency on Growth Process of Plasma Electrolytic Oxidation Coating, Materials Chemistry and Physics, 132, 909-915, (2012). [23]. Parfenov, E.V., Yerokhin, A.L., Matthews, A., Frequency response studies for the plasma electrolytic oxidation process, Surface and Coatings Technology, 201, 21,8661–8670, (2007). [24]. Matykina, E., Berkani, A., Skeldon, P., Thompson, G.E., Real-time imaging of coating growth during plasma electrolytic oxidation of titanium, Electrochimica Acta, 53, 4, 1987-1994 (2007). [25]. Demirci, E.E., Manyetik Sıçratma (Cfubms) ve Mikro Ark Oksidasyon (MAO) Teknikleri İle Ti6Al4V Alaşımının Dubleks Yüzey Modifikasyonu, Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, (2014). [26]. Tillous, E.K., Toll-Duchanoy, T., Bauer-Grosse, E., Microstructure and 3D microtomographic characterization of porosity of MAO surface layers formed on aluminium and 2214-T6 alloy, Surface and Coatings Technology, 203, 13, 1850–1855, (2009). [27]. Lee, J.H., Kim, H.E., Koh, Y.H., Highly porous titanium (Ti) scaffolds with bioactive microporous hydroxyapatite/TiO2 hybrid coating layer, Materials Letters, 63, 23, 1995-1998, (2009). [28]. Wang, H., Liu, F., Zhang, Y., and Wang, F., Structure, corrosion resistance and apatite forming ability of NiTi alloy treated by micro-arc oxidation in concentrated H2SO4, Surface & Coatings Technology 206, 4054–4059, (2012). [29]. Wang, H., Liu, F., Zhang, Y., Yu, D., and Wang, F., Preparation and properties of titanium oxide film on NiTi alloy by micro-arc oxidation, Applied Surface Science, 257, 5576–5580, (2011). [30]. Yerokhin, A.L., Leyland, A., Matthews, A., Kinetcis Aspects of Aluminium Titanete Layer Formation on Titanium Alloys By Plasma Electrolytic Oxidation, Applied Surface Science, 200, 172-184, (2002). [31]. Yerokhin, A.L., Nie, X., Leyland, A., Matthews, A., Dowey S.J., Plasma electrolysis for surface engineering, Surface and Coatings Technology,122, 73,(1999). [32]. Wang, Y.M., Jiang, B.L., Lei, T.Q., Guo, L.X., Microarc Oxidation Coatings Formed on Ti6Al4V in Na2SiO3 System Solution: Microstructure, Mechanical and Tribological Properties, Surface & Coatings Technology 201, 82–89, (2006). [33]. Wang, Z.G., Zu, X.T., Feng, X.D., Mo, H.Q. and Zhou, J.M., Calorimetric study of multiple-step transformation in NiTi shape memory with partial transformation cycle, Material Letters, 58, 3141-3144, (2004). [34]. Yao, Z., Jiang, Y., Jia, F., Jiang, Z., Wang, F., Growth Characteristics of Plasma Electrolytic Oxidation Ceramic Coatings on Ti-6Al-4V Alloy Applied Surface Science, 254, 13, 4084-4091, (2008). [35]. Krishna, R. L., Somaraju K.R.C., The Tribological Performance Of Ultra-Hard Ceramic Composite Coatings Obtained Through Microarc Oxidation, Surface and Coatings Technology, 163–164 484–490, (2003). [36]. Ceyhan, T.,Gunay, V., Capoglu,Sayrak, A.H. ve Karaca, C., Production and characterization of a glass-ceramic biomaterial and in vitro and in vivo evaluation of its biological effects, Acta Orthop Traumatol Turc, 41(4):307-313, (2007). [37]. Günyüz, M.,Uğurlu, F., Çavuş, O., Baydoğan, M., Şener, C. ve Çimenoğlu, H., Mikro ark oksidasyon işlemi uygulanmış alaşımların in-vivo biyouyumluluk özelliklerinin incelenmesi, 51, 600, (2009). [38]. Ergün, G., Sağesen, M.L., Özgünlük, İ. ve Bek, B., Kron-köprü döküm alaşımlarının sitotoksisitelerinin in vitro değerlendirilmesi, AnkaraÜniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi 28(1): 73-81, (2001). [39]. Akpınar G.G., Can G. ve Can A., Dental döküm alaşımlarının fibroblastlarınmitotik aktivitesi üzerindeki etkisi, Ankara Üniversitesi Diş HekimliğiFakültesi Dergisi, 30(1): 51-56, (2003). [40]. Wataha JC., Biocompatibility of Dental Materials. In Anusavice KJ, ed. Phillip's Science Of Dental Materials. Missouri: Elsevier Science,: 171-202, (2003). [41]. Dreisbach R.H. and Robertson W.O., Handbook of Poisoning. Twelfth edition, 228-230, (1987). [42]. Huang, H.L., Hsing, H.W., Lai, T.C., Chen, Y.W., Lee, T.R., Chan, H.T., Lyu, P.C., Wu, C.L., Lu, Y.C., Lin, S.T., Lin, C.W., Lai, C.H., Chang, H.T., Chou, H.C., and Chan, H.L., Trypsin-induced proteomealte ration during cell subculture in mammalian cells. Journal of Biomedical Science, 17: 36, (2010).