biyomalzemeler (2)

7/30/2019 Biyomalzemeler (2)

1/58

T.C.

FIRAT NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

METALK BYOMALZEMELER

YKSEK LSANS SEMNER

Yeim YILMAZ

Anabilim Dal: Mekanik Metalurji Ana Bilim Dal

Danman: Yrd. Do. Dr. Hlya DEMRREN

ELAZI 2011


2/58

T.C.

FIRAT NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

METALK BYOMALZEMELER

YKSEK LSANS SEMNER

Yeim YILMAZ

Anabilim Dal: Mekanik Metalurji Ana Bilim Dal

Bu Yksek Lisans Semineri Tezi, 30/11/2011 tarihinde aada belirtilen jri

tarafndan oybirlii / oyokluu ile baarl / baarsz olarak deerlendirilmitir.

Yksek Lisans Semineri Tezinin kabul, Frat niversitesi Fen Bilimleri Enstits

Ynetim Kurulunun //2011 tarih ve . sayl kararyla

onaylanmtr.

Tez Danman : Yrd. Do.Dr. Hlya DEMRREN

Dier Jri yeleri : Prof. Dr. Mehmet H. KORKUTYrd. Do. Dr. Ali Kaya GR


3/58

II

NSZ

Yksek lisans almamda beni destekleyen ve akademik alma srecime balang

yapmam salayan Frat niversitesi Mekanik Metalurji Ana Bilim Dal Bakan Sayn

Hocam Prof. Dr. Mehmet KORKUT a teekkrler ederim. Bu almann nerilmesinde,

ynlendirilmesinde ve derlenmesinde katklarn esirgemeyen ve beni her konuda

aydnlatan Frat niversitesi Teknoloji Fakltesi Metalurji ve Malzeme Mhendislii

retim yesi Sayn Hocam Yrd. Do. Dr. Hlya DEMRREN e teekkrlerimi

sunmay bor bilirim.

Ayrca maddi ve manevi desteklerini hibir zaman esirgemeyen aileme ok teekkr

ederim.

Yeim YILMAZ

ELAZI- 2011


4/58

III

ZET

Gnmzde byk gelimelerin olduu bir bilim dal da Biyomalzeme Bilimidir.

Biyomalzemeler temel olarak tbbi uygulamalarda kullanlmakla birlikte biyoteknoloji

alannda da kullanlmaktadr.

Biyomalzemeler, insan vcudundaki canl dokularn ilevlerini yerine getirmek

amacyla kullanlan doal ya da sentetik malzemelerdir. Biyomalzemeler, srekli olarak

veya belli bir sre iin vcut iinde akkanlar ile temas halindedir. Vcudun bu

malzemelere kar verdii tepkiler son derece fakldr.

Son yllarda, biyomalzeme/doku etkileimleri zerine nemli almalar yaplmtr.

Vcudun doal dokularnn yeniden yaplanmasn salayacak ve vcut svlar ile uyumlu

biyomalzemeler gelitirilmektedir.

Metal ve alamlarnn biyomalzeme alanndaki pay byktr. Metalik biyomalzeme

retiminde eitli malzemeler ve soy metaller kullanlmaktadr. Metalik biyomalzemeler;

kristal yaplar, stn mekanik zellikleri ve vcuda uyum gstermeleri bakmndan ok iyi

malzemelerdir. nsan vcudundaki eitli iyonlar, metalik malzemeler iin korozif bir

ortamdr. Uygun seilmeyen bir metalik malzeme vcutta korozyon sonucu znmekte vedoku ierisine girerek zarar vermektedir.

Bu almann konusu metalik biyomalzemelerdir. Metalik biyomalzemeler

tanmlanm ve snflandrlmtr. Kimyasal bileimleri hakknda ksaca bilgi verilmitir.

Ayrca fiziksel, mekanik ve korozyon zellikleri anlatlmtr. Biyouyumluluklar hakknda

temel olmas iin ncelikle biyolojik zelliklerine deinilmi daha sonra biyouyumluluk

zellikleri anlatlmtr.

Anahtar Kelimeler: Metalik biyomalzemeler, biyouyumluluk, fiziksel, kimyasal ve

mekanik zellikler, yorulma, korozyon ve anma


5/58

IV

SUMMARY

In these days, a branch of science occuring in the great developments is biomaterial

science. Biomaterials are mainly used in the medical practices, besides that they are being

used in the biotechnological areas.

Biomaterials, which are used for supporting or performing the functions of live

tissues in human bodies, are natural or synthetic materials. Biomaterials contact with the

fluids in the body for a definite period or continually. Reactions which are occured in the

body to these materials, are extremely different.

In recent years, important works have been done in the interaction of

biomaterials/tissue. Biomaterials have been developed adaptable with the body liquids and

to provide again generation of the natural tissues of body

Metal and its alloys are of great importance in the biomaterial area. Several materials

and noble materials are used in the production of metallic biomaterials. Metallic

biomaterials are very good materals in respect to crystalstructures, the excellent

mechanical characters and biocompatibility. Various ions in human body are a corrosive

environment for metallic materials. Unsuitable metallic material decomposes in the body

as a result of corrosion and damages it by means of participating in the tissue.

The subject of this study metallic biomaterials. Metallic biomaterials are classified

and defined. It is given shortly information about the chemical composition. In addition,

the physical, mechanical and corrosion properties of biomaterials are described. Primarily

it is mentioned on biological characteristics in order to form base about biocampatibilty,

later biocompatibility properties are explained.

Keywords: The metalic biomaterials, biocompatibilty, the physical, chemical and

mechanical properties, fatigue, corrosion and wear


6/58

V

NDEKLER

Sayfa No

NSZ ................................................................................................................................ II

ZET ................................................................................................................................. III

SUMMARY ........................................................................................................................ IV

NDEKLER................................................................................................................... V

TABLOLAR LSTES ................................................................................................... VIII

EKLLER LSTES ......................................................................................................... X

SEMBOLLER LSTES ................................................................................................... XI

KISALTMALAR LSTES ............................................................................................ XII

1. GR ................................................................................................................. 1

2. METALK BYOMALZEMELER................................................................ 4

2.1. Paslanmaz elikler............................................................................................. 5

2.1.1. Bileimi............................................................................................................... 5

2.1.2. Fiziksel zellikleri.............................................................................................. 8

2.1.3. Paslanmaz elikleri leme................................................................................. 8

2.1.3.1. Haddeleme ve Isl lem ..................................................................................... 82.1.3.2. Yzey oksit tabakasn giderme .......................................................................... 9

2.1.4. Mekanik zellikler........................................................................................... 10

2.1.5. Yorulma ............................................................................................................ 13

2.1.6. Korozyon ve Anma ........................................................................................ 13

2.1.6.1. Korozyon eitleri............................................................................................ 14

2.1.6.1.1. Homojen Dalml Korozyon .......................................................................... 14

2.1.6.1.2. ukurcuk Korozyonu........................................................................................ 142.1.6.1.3. Aralk Korozyonu ............................................................................................. 15

2.1.6.1.4. Tane Snr Korozyonu ..................................................................................... 16

2.1.6.1.5. Tane i Korozyon ............................................................................................ 16

2.1.6.1.6. Galvanik Korozyon ........................................................................................... 17

2.1.6.1.7. Mekanik Zorlamal Korozyon .......................................................................... 17

2.1.6.1.7.1. Gerilmeli Korozyon .......................................................................................... 17

2.1.6.1.7.2. Hidrojen Bozunmas ......................................................................................... 18

2.1.6.1.7.3. Yorulmal Korozyon ......................................................................................... 18


7/58

VI

2.1.6.1.7.4. Srtnme ve Erozyonlu Korozyon ................................................................... 19

2.1.6.1.8. Biyolojik Korozyon .......................................................................................... 19

2.1.6.1.9. Fretaj Korozyonu .............................................................................................. 20

2.1.6.1.10. niform Korozyon............................................................................................ 20

2.1.7. Biyolojik zellikleri ......................................................................................... 21

2.2. CoCrTabanl Alamlar................................................................................. 22

2.2.1. Fiziksel zellikler............................................................................................. 23

2.2.2. Mekanik zellikleri .......................................................................................... 23

2.2.3. Yorulma ............................................................................................................ 24

2.2.4. Korozyon ve Anma ........................................................................................ 25


2.3. Titanyum ve Titanyum Alamlar.................................................................... 27

2.3.1. Bileimi............................................................................................................. 27

2.3.2. Fiziksel zellikleri............................................................................................ 28

2.3.3. Titanyum ve Titanyum alamlarn leme ...................................................... 29

2.3.3.1. Scak lem ve Isl lemler.............................................................................. 29

2.3.3.2. Yzey oksit tabakasn giderme ........................................................................ 30

2.3.4. Mekanik zellikleri .......................................................................................... 302.3.5. Yorulma ............................................................................................................ 31

2.3.6. Korozyon ve Anma ........................................................................................ 32


2.4. Di Restorasyon Malzemeleri........................................................................... 34

2.4.1. Amalgamlar ...................................................................................................... 34

2.4.1.1. Amalgamlarn Bileimi..................................................................................... 35

2.4.1.2. Korozyon ve Anma ........................................................................................ 352.4.2. Soy Metaller...................................................................................................... 36

2.4.2.1. Alamlarn Bileimi ......................................................................................... 36

2.4.2.1.1. Altn-Platin-Paladyum (Au-Pt-Pd) Alamlar ................................................. 36

2.4.2.1.2. Altn-Paladyum-Gm (Au-Pd-Ag) Alamlar:............................................. 36

2.4.2.1.3. Altn- Paladyum (Au- Pd) Alamlar:.............................................................. 36

2.4.2.1.4. Paladyum-Gm (Pd-Ag) Alamlar: ............................................................ 36

2.4.2.2. Fiziksel ve Mekanik zellikleri ....................................................................... 37

2.4.2.2.1. Au-Pt-Pd Alamlar ......................................................................................... 37


8/58

VII

2.4.2.2.2. Au-Pd-Ag Alamlar........................................................................................ 38

2.4.2.2.3. Au-Pd Alamlar .............................................................................................. 38

2.4.2.2.4. Pd-Ag Alamlar .............................................................................................. 38

2.4.3. NiCr Alamlar ................................................................................................ 38

SONU ............................................................................................................ 41

KAYNAKLAR ................................................................................................ 42

Z GEM ................................................................................................... 45


9/58

VIII

TABLOLAR LSTES

Sayfa NoTablo 2.1. eitli tbbi uygulamalar iin uluslararas paslanmaz elik standartlarnn

karlatrlmas................................................................................................... 7

Tablo 2.2.Tbbi aletler iin seilen eliklerin fiziksel zellikleri ........................................ 8

Tablo 2.3.eitli paslanmaz elikler iin tavsiye edilen sl ilemler.................................. 9

Tablo 2.4. Tbbi aletlerde kullanlan eliklerin mekanik zellikleri................................... 11

Tablo 2.5.Cerrahi implantlar iin eliklerin mekanik zellikleri....................................... 12

Tablo 2.6.Cerrahi implantlar iin tellerin mekanik zellikleri .......................................... 12

Tablo 2.7. Tbbi aletlerde sl ilemin eliklerin mekanik zellikleri zerindeki etkisi ..... 12

Tablo 2.8. X2CrNiMo 7133 paslanmaz eliklerinde merdiven metodu ile yorulma limiti

(2xl06dngler)................................................................................................ 13

Tablo 2.9. Oda scaklndaki 1M NaCl zeltisinde paslanmaz elik eitlerinin bozulma

potansiyelleri ve etkilerinin toplam ................................................................. 21

Tablo 2.10. Kemik (fare kalasna eitli zamanlarda eklemelerden sonra) ve

X2CrNiMo17133 vida implantlar arasnda sl ilemin (oksidasyon) kayma

mukavemetine etkisi ......................................................................................... 22

Tablo 2.11. Dkm Co alamlarnn kimyasal bileimi .................................................... 23

Tablo 2.12. CrCo alamlarnn fiziksel zellikleri............................................................. 23

Tablo 2.13. CoCr nin dkm ve toz metalujjisi alamlarnn(pm) mekanik zellikleri... 24

Tablo 2.14. CoCr alam eitlerinin yksek devirlerde yorulma dayanm....................... 25

Tablo 2.15. Co29Cr5Mo alamlarnn 0.1 M NaCl ierisinde elektrokimyasal verilerinin

pH etkisine nemi ............................................................................................. 26

Tablo 2.16. Cp-Co, cp-Cr, cp-Ni ve NiCrCo alamlarn biyouyumluluu; toz halindetasarlanan L-32 hcrelerinin hayatta kalma oran ............................................ 27

Tablo 2.17. Titanyum alamlarnn (+) kimyasal bileimi (%arlk) ........................... 28

Tablo 2.18. Titanyum alamlarnn(+) fiziksel zellikleri............................................. 29

Tablo 2.19. Titanyum alamlarnn(+) mekanik zellikleri........................................... 31

Tablo 2.20. Titanyum ve titanyum alamlarnn yksek devirlerde yorulma dayanm ve

dnme yorulma dayanm (Whler erisi)........................................................ 32

Tablo 2.21. Titanyum ve titanyum alamlarnn 0.1M NaCl zeltisi ierisinde ve farkl

koullar altnda elektrokimyasal verileri .......................................................... 33


10/58

IX

Tablo 2.22. L132 hcrelerin titanyum ve titanyum alamlarnn etkisinde hayatta kalma

oran .................................................................................................................. 34

Tablo 2.23. Dental amalgamlarn kimyasal bileimi(%arlk) .......................................... 35

Tablo 2.24. Yksek altn ierikli dental dkm alamlarnn kimyasal bileimi .............. 37

Tablo 2.25. Di hekimliinde kullanlan NiCr alamlarnn (%arlka) kimyasal bileimi

.......................................................................................................................... 40

Tablo 2.26. Di hekimliinde kullanlan NiCr alamlarnn mekanik zellikleri.............. 40


11/58

X

EKLLER LSTES

Sayfa No

ekil 2.1.Yerleme yeriyle krk blgenin temas yerindeki ortopedik vidada oluan aralk

korozyonu SEM grnts ................................................................................. 15

ekil 2.2. 30 gn Ringer zeltisine daldrlan protez diin urad taneler aras

korozyonun SEM grnts ............................................................................... 16

ekil 2.3.Paslanmaz elikten imal edilmi kala protezinde meydana gelen gerilmeli

korozyon SEM grnts ................................................................................... 18

ekil 2.4. Paslanmaz elikten yaplm kala iindeki ivinin urad yorulmal

korozyonun SEM de mikro yap grnts....................................................... 19


12/58

XI

SEMBOLLER LSTES

Ag :Gm

Al :Alminyum

Au :Altn

Br : Bor

C : Korbon

Cl : Klor

Co : Kobalt

CoCr : Kobalt-krom

Cr : Krom

Cu :Bakr

Ecorr : Korozyon potansiyeli

gr/cm3

:Gram/santimetre kp

H2O2 : Hidrojen peroksit

Hg : Civa

M : Molar

mg/l : Miligram/litre

Mn : Mangan

Mn : Mangan

Mo : Molibden

MPa : Megapaskal

N : Azot

NaCl :Sodyum klorrNi : Nikel

O : Oksijen

Pd : Paladyum

Pt : Platin

Ta : Tantal

Ti : Titanyum

V : Vanadyum

Zn :inko


13/58

XII

KISALTMALAR LSTES

AFNOR : Association franaise de Normalisation

AISI : American Iron and Steel Institute

BSI : British Standards Institution

HV : Vikers sertlik lm

JIS : Japanese Industrial Standard

SEM : Taramal elektron mikroskobu


14/58

1. GR

Biyomalzemeler, insan vcudundaki canl dokularn ve organlarn fonksiyonlarn

yerine getirebilmeleri veya onlar desteklemek amacyla kullanlan doal ya da yapay

malzemelerdir.

Bilimsel anlamda yeni bir alan olmasna karn, uygulama asndan

biyomalzemelerin kullanm tarihin ok eski zamanlarna kadar uzanmaktadr. Msr

mumyalarnda bulunan yapay gz, burun ve diler bunun en gzel kantlardr. Altnn di

hekimliinde kullanm, 2000 yl ncesine kadar uzanmaktadr. Bronz ve bakr kemik

implantlarnn kullanm, milattan nceye kadar gitmektedir. Bakr iyonunun vcudu

zehirleyici etkisine karn 19. yzyl ortalarna kadar daha uygun malzeme

bulunamadndan bu implantlarn kullanm devam etmitir. 19. yzyl ortasndan itibaren

yabanc malzemelerin vcut ierisinde kullanmna ynelik almalarda ciddi ilerlemeler

kaydedilmitir. rnein 1880de fildii protezler vcuda yerletirilmitir. lk metal protez

1938de vitalyum (Co-Cr-Mo) alamndan retilmitir. 1960lara kadar kullanlan bu

protezler, vcut ierisinde metalik korozyona uradndan ciddi tehlikeler yaratmtr.

1972de alumina ve zirkonya isimli iki seramik yap herhangi bir biyolojik olumsuzlukyaratmakszn kullanlmaya balanm ancak inert yapdaki bu seramikler dokuya

balanamadklarndan zaman ierisinde nemlerini yitirmilerdir. Ayn yllarda Hench

tarafndan gelitirilen biyoaktif seramikler, (rnein biyocam ve hidroksiapatit) ile bu

problem de almtr. lk baarl sentetik implantlar, iskeletteki krklarn tedavisinde

kullanlan kemik plakalardr. Bunu 1950lerde kan damarlarnn deiimi ve yapay kalp

vanalarnn gelitirilmesi, 1960larda da kala protezleri izlemitir. Kalp ile ilgili

cihazlarda esnek yapl sentetik bir polimer olan poliretan kullanlrken, kalaprotezlerinde paslanmaz elik ne gemitir. Bunun yan sra, ilk olarak 1937de di

hekimliinde kullanlmaya balanan polimetilmetakrilat (di akrilii olarak da bilinir) ve

yksek molekl arlkl polietilen de kala protezi olarak kullanlmtr. II. Dnya

Savandan sonra, parat bezi (Vinyon N adyla bilinen poliamid) damar protezlerinde

kullanlmaya balanmtr. 1970lerde ilk sentetik, bozunur yapdaki ameliyat iplii

(poliglikolik asit) retilmitir. Ksacas, son 30 ylda 40 akn metal, seramik ve polimer,

vcudun 40dan fazla deiik parasnn onarm ve yenilenmesi iin kullanlmtr.

Biyomalzemeler, yalnzca implant olarak deil, ekstrakorporeal cihazlarda (vcut dna


15/58

2

yerletirilen ama vcutla etkileim halindeki cihazlar), eitli eczaclk rnlerinde ve

tehis kitlerinde de yaygn olarak kullanlmaktadr. Gnmzde, yzlerce firma tarafndan

ok sayda biyomalzeme retilmekte ve bu alanda azmsanmayacak ilerlemeler

kaydedilmektedir.

Biyomalzemeler, temel olarak tbbi ve biyoteknolojik alanlarda kullanlmaktadr. Tp

alanndaki ilerlemeler, implantlarn kullanmn yaygnlatrmtr.

Tbbi uygulamalarda kullanlan en nemli biyomalzemeler, baz metal ve

alamlarndan retilen metalik biyomalzemeler, biyoseramikler, polimer biyomalzemeler

ve kompozit malzemelerdir. zellikle nanoteknoloji, biliim teknolojileri ve imalat

yntemlerindeki ( hzl prototipleme) gelimelere paralel olarak mkemmel

biyomalzemelerin gelitirilmesine allmaktadr.

Dokulara gre pH deeri 1 ila 9 arasnda deien vcut akkanlar ile srekli olarak

veya bazen temas halindedir. Bu sebeple biyomalzemelerin korozyon dayanmlar byk

nem tamaktadr. Gnlk aktiviteler srasnda eitli gerilme deerlerine maruz kalrlar.

Vcudun bu malzemelere verdii tepkiler de farkl olmaktadr. Baz malzemeler

vcut tarafndan kabul grrken bazlar da reddedilebilmektedir. Dolays ile implant

malzemelerin bu deiken koullara dayankl olmas ve biyouyumluluk gstermesi

gerekmektedir.

Biyouyumluluk bir biyomalzemenin en nemli zelliidir. Biyouyumluluk; kullanm

srecinde malzemenin, vcut sistemine uygun cevap verebilme, vcutla uyuabilir, kendini

evreleyen dokularn normal fonksiyonlarna engel olmama ve iltihaplanma oluturmama

yetenei olarak tanmlanmaktadr. Biyouyumluluu en yksek olan biyomalzemeler,

metaller, seramikler, polimerler ve kompozitlerdir.

Biyomalzemelerin kullanm yerlerine gre uygun zellikleri tamas gerekmektedir.

Ortopedik uygulamalarda biyomalzemelerin, mekanik dayanmlarnn olmas, vcutsvlarn bnyelerine alp imemeleri, deforme olmamalar, korozyona uramamalar,

anmamalar, alerjik reaksiyonlara neden olmamalar ve zehirli rnler salglamamalar,

kolay ekillendirilebilir olmalar ve sterilizasyon ilemlerinde zelliklerini bozmamalar da

byk nem arz etmektedir.

Metallerin, salamlklar, ekillendirilebilir olmalar ve anmaya dayankl olmalar

baz uygulamalarda tercih nedeni olmakla birlikte biyouyumluluklarnn az olmas,

korozyona urayabilmeleri, dokularagre ok sert olmalar, younluklarnn ykseklii ve

metal iyonu vererek alerjik doku reaksiyonlarna sebep olmalar da kullanm alanlarn


16/58

3

snrlamaktadr. Metal protezlerin biyouyumluluu, vcut iersinde korozyona uramalar

ile ilgilidir. Korozyon, metallerin evreleri ile istenmeyen bir kimyasal reaksiyona girerek

oksijen, hidroksit ve dier baka bileikler oluturarak bozunmas ve hasara uramas

olarak tanmlanabilir. Daha da nemlisi, korozyon rnleri doku ierisine girerek hcrelere

zarar vermektedir. nsan vcudundaki akkanlar; su, znm oksijen, protein, klorr ve

hidroksit gibi eitli iyonlar ierir. Bu nedenle, insan vcudu, biyomalzeme olarak

kullanlan metaller iin olduka korozif bir ortamdr.

Biyomalzemelerin iskelet sistemi, eklemler, kemik dolgu malzemesi, yapay tendom

ve balar, di implantlar, kalp kapakklar, kan damar protezleri, yapay kalp vanalar,

duyu organlar gibi daha birok tbbi sahada uygulamalar bulunmaktadr.


17/58

2. METALK BYOMALZEMELER

Metalik biyomalzemeler, seramik ve polimerler gibi dier biyomalzemelerle

karlatrldnda, kristal yaplar ve sahip olduklar gl metalik balar nedeniyle daha

iyi dayanm zelliklerine sahip olduklar gzlenir. Bu nedenle yksek yklemelerin

meydana gelebilecei iskelet yaplandrmalarnda, yeterli eme dayanmna sahip alamlar

genellikle kullanlmaktadr. ok yksek ykle yklenen implantlar iin tipik rnekler kala

ve diz endoprotezleri, plakalar, vidalar, iviler, di implantlar vb. olabilir. Bununla birlikte

metalik biyomalzemeler rnein kafes ve kapakklara kan pompalamak iin veya kalp

pilleri gibi iletken teller vb. fonksiyonel cihazlar iin kullanlabilirler.

Btn biyomalzemelerin tamak zorunda olduu esas zellikler; korozyon dayanm,

biyouyumluluk, biyoadhezyon (kemik geliimi), biyofonksiyonellik (gerekli mekanik

zelliklere sahip olmak, zellikle yorulma dayanm ve Young modlnn kemiinkine

mmkn olabildiince yakn olmas). Bu zellikler deiik biyomalzeme gruplar

tarafndan daha az veya daha fazla tatminle gereklemektedir. Farkl malzemelerle

karlatrldnda, beklentilere gre farkl davranlar ortaya kar. yi bir korozyon

direncine sahip bir malzeme yeterli biyouyumluluk gstermeyebilir. Zt ekilde iyi birbiyouyumlulua sahip malzeme de daha kt bir korozyon direncine sahip olabilir.

Korozyon zellikle diz eklemleri veya vida sistemlerinde nemli sorunlar ortaya

karabilir. Genellikle malzemenin karakteristik zellikleri onun uygulama eklini de

belirler. rnein amalgamlar dk biyouyumluluklar ve korozyon dayanm zelliklerine

ramen, oda scaklnda ekillendirilebilmeleri ve buna ramen yksek sertlik

gstermeleri nedeniyle uzun sre di yaplandrlmalarnda kullanlmtr.

Metalik biyomalzemelerde biyouyumluluk, metal yzeyinde her zaman mevcut olanve hasar sonras hzl bir ekilde (milisaniye) onarlan pasif bir oksit tabakasna

dayanmaktadr. Bu oksit tabakalar, alminyum okside benzer, evrelenen dokuya kar

hareketsiz bir koruyucu davran sergiler. Bu nedenle, hidroksiapatit ve kemik gibi

biyoaktif seramikler arasnda gzlenen kimyasal ba olmayacak gibi grnse de kemik ve

metal arasnda balayc g ilk olarak mekanik zelikler olacandan, metalik implant ile

doku kimyasal balanr.

Deiik trlerdeki biyomalzemeler arasnda en uzun gemie sahip olan metalik

biyomalzemelerdir. lk olarak paslanmaz elikler implant malzemesi olarak cerrahi alanda


18/58

5

baar ile kullanlmtr. Daha sonralar kobalt esasl alamlarn kullanmna balanmtr.

Paslanmaz elik ve Co esasl alamlar ierisinde en gen implant tarihine sahip metal,

titanyum ve alamlardr. Titanyum ve titanyum esasl alamlar genellikle yapay kala ve

diz eklemleri, kemik levhalar ve di implantlar gibi sert dokular yeniden yaplandrc

operasyonlarda kullanlr. Ayrca titanyum ve titanyum esasl alamlar mkemmel

biouyumluluklar, iyi mekanik zellikleri, korozyon dayanm ve dk arl ile dier

biyomalzemeler arasndan daha ok n plana kmaktadr.

mplant, vcut sistemindeki baz etkileimler yaralanmalar meydana getirebilir.

- Korozyon prosesi, implant metalden elektron ak retirse ve evre dokuya iyon

ak olursa bu durum sinir hcrelerinin fizyolojik iyon hareketine zarar verebilir.

- mplanttaki bir inorganik reaksiyon sonucu metal iyonlarnn vcut akkanlar

iinde znp baka organlara tanmas ile belirli metal iyon limiti alrsa sistemde

olumsuz etkiler grlebilir.

- mplantn direkt olarak organik reaksiyonu ya da korozyon rnnn dokudaki

proteinlerle reaksiyonu iltihaplanmalara neden olabilir.

- ltihapl hcrelerin H2O2 meydana getirmesi ve H2O2nin hidroksil iyonlar eklinde

ayrmas biyolojik sistemde yaralanmalara neden olabilir.

2.1. Paslanmaz elikler

2.1.1. Bileimi

elikler genel olarak iki ana gruba ayrlrlar. Demir, karbon, silisyum, manganez ve

az miktarda fosfor ve kkrtten oluan elik, karbon elii olarak adlandrlr. %1den daha

dk karbon ieriine sahip ve dier metaller ve ametalleri de ierecek ekilde hazrlananelikler alam eliidir. Bu gruptaki elikler, karbon eliine gre daha pahal ve

ilenmeleri de daha zordur. Ancak, korozyon ve sl direnleri ok daha yksektir. Alam

elikleri, alminyum, krom, kobalt, bakr, kurun, mangan, molibden, nikel, fosfor,

silisyum, kkrt, titanyum, tungsten ve vanadyum ierebilirler. Alminyum, anmaya

kar direnci artrrken, yksek miktarlarda eklenen krom, korozyon direncini ve sl

direnci artrr. Bu tr elikler, paslanmaz elik olarak adlandrlr.


19/58

6

Tpta kullanlan paslanmaz elik alamlar ok eitlidir. Bu farkl alamlarn

ekillendirilmeleri, sl ilemleri ve dolaysyla mekanik zellikleri, tptaki kullanm

alanlar da birbirinden farkldr.

mplantlar olarak kullanlan balca paslanmaz elikler stenitik paslanmaz

eliklerdir. ASTM F139a gre bu elikler iki derecelidir. kinci derecenin C ierii birinci

dereceden daha dktr. Dierleri ise Nla sertletirilmi yksek oranda Cr, Mn ve dk

oranda da Ni iermektedir. Ni alerjik problemlere yol aan bir metaldir. Biyomedikal

uygulamalarda kullanlan stenitik paslanmaz eliklerde byk miktarda Ni iermektedir.

Bu durumu nlemek iin N ierikli stenitik paslanmaz elikler gelitirilmitir.

Biyomalzeme olarak yaygn kullanlan paslanmaz elik 316L olarak bilinir. L,

karbon ieriinin dk olduunu belirtmek iin eklenmitir. Bu elik, 1950li yllarda 316

paslanmaz eliin karbon ierii, arlka % 0.08den % 0.03e drlerek

hazrlanmtr. 316Lnin, % 60-65i demir olup, % 17-19 krom ve % 12-14 nikelden

oluur. Yapsnda az miktarda azot, mangan, silisyum, kkrt, fosfor ve molibden de

bulunur [Black, Hastings, 2001].


20/58

7

Tablo 2.1de uluslararas paslanmaz elik standartlar verilmitir.

Tablo 2.1.eitlitbbi uygulamalar iin uluslararas paslanmaz elik standartlarnn

karlatrlmas [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Kimyasal BileimAlmanya

Alamlar No

ngiltere

B.S.I

No

Fransa

AFNOR

No

Birlemi

Milletler

AISI/SAE

No

Japonya

JIS

No

X20Cr13(eitleri) 1.4021 410C21 Z12Crl3 410CA -15 SUS410

X20Cr13 1.4021 420S27 Z20C13 420 SUS4020J1

X15Cr13 1.4024 420S29

X46Cr13 1.4034 (420S45) Z38C13MX20CrNi172 1.4057 431S29 Z15CN16.02 431 SUS431

X12CrMoS17 1.4104 Z10CF17 430F/J405-89 SUS430F

X5CrNil810 1.4301304S15

304S16

Z6CN18-09 304

304H

SUS304

X10CrNiS189 1.4305 303S21 Z10CNF18.9 303 SUS303

X2CrNil911 1.4306 304S12 Z2CNF18.9 304L/ SUS19

X2CrNil89 (eitleri) 304S11 Z2CN19 J405-89 SUS304

X12CrNil77 1.4310 301S21 Z12CN17.07 301 SUS301

X5CrNiMol7122 1.4401 316S16 Z6CND17.1l 316 SUS316

X5CrNiMol7133 1.4436 Z6CND17.12

X2CrNiMol7132 1.4404 315S11 Z2CND18.13 316L SUS316L

X2CrNiMol7130 316S12 Z2CND17.12

X2CrNiMol810

(eitleri)

X2CrNiMoN17122 1.4406 316S61 Z2CND17.12Az 316LN SUS316L

X2CrNiMoN17133 1.4429

316S62

304C12

Z2CND17.13Az

Z12CN18.07

Z2CN18.9

X2CrNiMol8164 1.4438 317S12 Z2CND19.15 317L SUS17L

X5CrNiMol713 1.4449 317S16 317 SUS317

X6CrNiTil810 1.4541321S12

321S31

Z6CNT18.10 321SUS321

X10CrNiNbl89 1.4550 Z10CNNbl8-l0 347

X10CrNiMoNbl810 1.4580 Z8CNDNbl8-12 318

X2CrNiN1810 XM-21


21/58

8

2.1.2. Fiziksel zellikleri

stenitik paslanmaz elikler, zellikle 316 ve 316L, implant yapmnda en yaygn

olarak kullanlan paslanmaz elik trleridir. Bu grup paslanmaz elikler manyetik deildir.

Bunlar sl ilem ile sertletirilemezler, ancak souk ilem ile sertletirilebilirler. Yap

ierisine katlan nikel stenitik faz stabilize eder ve korozyon direncini artrr. Vcut

ierisinde uzun sre kaldnda metal iyonu salm paslanmaz eliklerin nemli bir

dezavantajdr. Paslanmaz elikler zellikle kemik plakalar ve vidalarnn, balant

tellerinin ve yapay kala, diz, bacak, i kulak kemikleri protezleri yapmnda kullanlr.

eitli paslanmaz elik alamlarna ait fiziksel zellikler Tablo 2.2 'de verilmitir.

Bu tabloda younluk, sl genleme katsays, sl iletkenlik, zgl s kapasitesi,

elektriksel diren, manyetik geirgenlik ve Young Modl gibi veriler yer almaktadr.

Tablo 2.2.Tbbi aletleriinseileneliklerinfiziksel zellikleri [Handbook of biomaterial

properties1998]

Alamlar

Manyetik

zellikleri

70 ile 300oC

arasnda Isl

Genleme

Katsays

(x10-6K-1)

20oC de

Isl

letkenlik

(W/mK)

20oCde ki

Is

Kapasitesi

(J/kgK)

20oC de

ki Elektrik

zdirenci

(m)

Young

Modl

(GPa)

Younluk

(g/cm3)

Xl0Cr13 Mknats-

lanabilir

9.9 24.9 0.57 200 7.8

X15Crl3 11.5 0.60

X20Crl3 11.5 30 460 0.60 200 7.8

X40Crl3 11.5 0.60

X45Cr

MoV15

11.0 0.65

2.1.3. Paslanmaz elikleri leme

2.1.3.1. Haddeleme ve Isl lem

Paslanmaz elikleri ilemek dk alaml veya karbonlu elikleri ilemekten daha

zordur. nk onlarn yksek gerilme gleri scaklklarn ykseltir ve maksimumscaklk limitine getirir en ileride de -ferrit kelmesinden dolay mikroyapsal boyutta


22/58

9

bozulmalar meydana getirebilir. ou stenitik paslanmaz elikler 930C zerinde

ilenebilir. 1100 C zerinde baz elikler -ferrit faznda kelti oluturarak

biyoilenebilirliini drrler. Tipik ileme scaklklar 925C ile 1100C arasndadr.

Eer -ferritte kelme grnmezse deformasyon scakl 1260C ye kadar artabilir.

stenik yap azot tarafndan dengelendiinden stenitik paslanmaz eliklere azot ilavesi

daha gl bir korozyon direncini salar. Bu sebepten dolay daha yksek krom ve

molibden ierikleriyle korozyon direnci iyiletirilebilir.

Martenzitik paslanmaz eliklerin ekillendirilmesinde zellikle yksek karbon

ieriklilerde soutma esnasnda oluabilecek atlamalardan kanmak zere eitli

nlemler alnmaldr. Bu elikler 590C civarnda stenitik eliklerden daha yava

soutulmaldr. ekillendirme iin nerilen scaklk aral ise 900-1200C arasndadr.

Tablo 2.3, martenzitik, stenitik, stenitik-ferritik elikleri ile kelme sertlemesi

ilemlerine ait eitli nerileri ierisinde bulunduran zet eklinde bir tablodur.

Tablo 2.3.eitli paslanmaz elikleriin tavsiye edilensl ilemler[Handbook of biomaterial

properties,1998]

Alamlar

Scak Deformasyon

(o

C)

Yavaa

Tavlama(oC)

Sertletirme

(o

C)

Ortamda

Sertletirme

Tavlama

(o

C)

X20C13 750-1150 750-780 950-1000 Ya 650-700

X12CrMoS17 750-1150 800-850 1020-1050 Ya 550-600

X5CrNiMo17133 800-1150 1050-1100 Su, hava

X2CrNiMo17133 800-1150 1000-1100 Su, hava

X5CrNi1810 800-1150 1000-1050 Su, hava

X2CrNi1810 800-1150 1000-1050 Su, havaX6CrNiTi1810 800-1150 1020-1070 Su, hava

2.1.3.2. Yzey oksit tabakasn giderme

Scak ilenmi paslanmaz eliklerde kabuksuzlatrma ilemi mekanik veya kimyasal

ilemlerle veya iki metot birletirilerek de yaplabilir. Yzey kum serpilerek temizlenebilir

ancak, korozyon direncini drmek ve malzemeyi kirletmeden kanmak amacyla ilk


23/58

10

olarak metal olmayan patlayc malzemeleri kullandktan sonra patlayc mekanizmas

kullanlabilir. Paslanmaz eliklerde patlayclarn temizlenmesinden sonra genellikle asitle

temizlenir ve suyla ykanr. Ortak gravr asitleri;

(a) 1.5-2.0% NaOH

(b) 10% H2SO4

(c) 10% HNO3 / 2% HF

2.1.4. Mekanik zellikler

Biyomalzemeler vcutta olduka yksek kuvvetlere ve gerilmelere maruz

kalabilirler. Bu yklenmeler vcudun hareketine bal olarak hem statik hem de dinamik

olabilirler. Krk bir kemiin tamiri iin uygulanm bir biyomalzeme, eklem ve kas

zorlanmalarnda meydana gelen yklenmelere kar dayankl olmaldr. Tipik

yklenmeleri deerlendirmek iin baz basit statik durum hesaplamalar yaplabilir.

rnein tek bacak zerinde durulduunda temur ba zerine den yk miktar yaklak

olarak vcut arlnn 2.5 katdr. Vcut hareket ettiinde yklenmeler artar. Yrme

srasnda kaladaki yk, vcut arln 4 katna, dizdeki ise 3 katna kar. Koma ve

zplama srasnda kala-diz eklemlerinde yklenmeler daha da artar. Bu yklenmelerinskl (birim zamandaki says) da nemlidir. Hzl bir yrme saniyede tam bir yrme

evrimine (iki adm) karlk gelir. Ortalama bir insan ylda iki milyon adm atabilir. Aktif

bir insan iin bu say iki ya da katna kabilir. Metalik malzemeler, mekanik zellikler

bakmndan dierlerine gre daha stn niteliktedirler. Metalik malzemelerin mekanik

zellikleri retim yntemlerine gre farkllk gsterirler. Souk ekillendirilmi

biyometalik malzemeler akma, ekme, yorulma mukavemetleri ve % uzama bakmndan

mkemmel mekanik zellik gsterirler.nsan kemiinin elastite modl 10-15 GPadr. Ancak paslanmaz eliklerin elastite

modlleri bu deerin ok zerindedir (rnein 316L paslanmaz eliinin elastite modl

200GPa). Bu mekanik uyumsuzluk, implantlarn yapsal olarak insan kemiinden daha

sert olmasna sebep olur. Elastisite modl, insan kemiine daha yakn olan alamlar daha

az gerilme tar. Metallerin snek zellikte olmalar, onlara dvlebilme, tel ekilebilme

zellii kazandrmakta ve implantlarn ekillendirilmesini kolaylatrmaktadr. Metalik

biyomalzemelerin rijitlii, elastisite modlleri ile ilgilidir. Paslanmaz eliklerin elastite


24/58

11

modlleri yksek olduundan rijitlikleri de yksek deerlere sahiptir. Paslanmaz elikler

daha az ekme dayanm ve yorulma dayanm gsterirler ama yksek sneklie sahiptirler.

Paslanmaz eliin elastisite modl titanyuma gre daha yksek olduu iin

paslanmaz elik, titanyuma gre daha yksek rijitlie sahiptir. Tablo 2.4. eitli paslanmaz

eliklerin mekanik zelliklerini gstermektedir. Tablo 2.5, 2.6, 2.7 de bu eliklerin farkl

durumlarda gsterdikleri mekanik zelliklerdir.

Tablo 2.4. Tbbi aletlerde kullanlan eliklerin mekanik zellikleri [Handbook of biomaterial

properties,1998]

elik Koul(durum)

Young

Modl

103

(MPa)

Akma

Dayanm

(%0.2)

(MPa)

Max.

ekme

Dayanm

(MPa)

Akma

Oran /

ekme

Dayanm

Krlma

Uzamas

(%)

Kesit

Daralmas

(%)

Martenzitik elikler

X15Cr13 Dvme+

Tavlama

216 -- 720 -- -- --

X20Cr13 216 -- 740 -- -- --

X45CrMoV15 220 -- 900 -- -- --

X20CrMo13 Dkme+

Tavlama

-- -- 800 -- -- --

X35CrMo17 -- -- 950 -- -- --

Martenzitik ve stenitik otomat elikleri

X12CrMoS17Dvme+

Tavlama216 -- 540-740 -- 16 --

X12CrNiS188Dvme+

Su verme200 195 500-700 -- 35 --

stenitik elikler

X5CrNi1810Dvme+

Su verme200 220-235 550-750 0.3-0.4 43-45 --

X5CrNiMo17122 Dvme+Su verme

200 240-255 550-700 0.36-0.44 43-45 --

X12CrNi177Tel, souk

deformasyon185-195 --

1250-

2450-- -- >40


25/58

12

Tablo 2.5.Cerrahi implantlar iin eliklerin mekanik zellikleri [Handbook of biomaterial

properties,1998]

Alam Koul(durum)

Akma

Dayanm(%0.2)

(MPa)

Max.

ekmeDyanm

(MPa)

Akma

oran/ekmeDyanm

(%)

Uzamas

X2CrNiMoN18133

Eritilerekilem

grm

300 600-800 0.38-0.5 40

X2CrNiMo18153 190 490-690 0.28-0.39 40

X2CrNiMnMoN22136 285 590-800 0.36-0.48 40

500850-

10500.48-0.59 35

Tablo 2.6.Cerrahi implantlar iin tellerin mekanik zellikleri [Handbook of biomaterial properties,

1998]

Alam Koul(durum)

Max. ekme

Dayanm

(MPa)

(%)

Uzamas

X2CrNiMoN18133 Eritilerek

lem grm

800-1000 30

X2CrNiMoN18154 800-1000 40

X2CrNiMoN18133 Souk

lenmi

1350-1850 --

X2CrNiMoN18154 1350-1850 --

Tablo 2.7. Tbbi aletlerde sl ilemineliklerin mekanik zellikleri zerindeki etkisi

[Handbook of biomaterial properties, 1998]

Alam Koul(durum)

Akma

Dayanm

(%0.2) (MPa)

Max.

ekme

Dayanm

(MPa)

Akma oran/

ekme Dayanm

%

Uzamas

Kesit

Daralmas

Martenzitik elikler

X15Cr13 Su verme+

Temperleme

450 650-800 0.56-0.69 10-15 25-30

X20Cr13 550 750-950 0.58-0.73 8-14 20-30

Martenzitik ve stenitik otomat elikleri

X12CrMo5Su verme+

temperleme450 640-840 0.54-0.70 11


26/58

13

2.1.5. Yorulma

Servis koullarnda pek ok makine eleman, akma mukavemetinden daha dk

dinamik gerilmelere maruz kalmaktadrlar. Bu tekrarl gerilmeler, dnme, eme veya

titreimden kaynaklanabilir. Oluan gerilme malzemenin akma mukavemetinin altnda

olmasna ramen, malzemeye zt ynl ve srekli etki etmesi sonucu, malzemede hasar

oluabilir. Bu tr dinamik gerilmelerin yol at hasarlara yorulma hasarlar denmektedir.

Baka bir deyile yorulma, bir malzemenin alternatif gerilme ya da birim sekil deiimi

uygulanmasyla krlmas olarak tanmlanmaktadr. Yorulma, akma mukavemetinin altnda

veya stndeki gerilme deerlerinin etki etmesiyle oluabilir.

Yorulma krlmalar implantlarn mekanik hatalarnn en byk kaynaklarndan birisi

olarak gsterilir. mplantlar zerinde yaplan aratrmalar; yorulma hatalarnn ncelikle

malzeme hatalar, tasarm, kararl olamayan i dzensizlikler gibi faktrlerden

kaynaklandn gstermitir.

Ortopedik implant malzemelerindeki krlmalarn en nemli nedeninin yorulma

olduuna inanlr. Paslanmaz eliklerde, gerilme direncinin arttrlmas ve tane boyutunun

kltlmesi ile malzemenin yorulma direnci artar. Tablo 2.8de X2CrNiMo 7133

paslanmaz elik trnn merdiven metodu ile yorulma deerleri verilmitir.

Tablo 2.8. X2CrNiMo 7133paslanmazeliklerinde merdiven metodu ile yorulma limiti

(2xl06dngler) [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Akma dayanm (MPa) Souk ilem

Derecesi (%)

Gerilme oran, R Yorulma limiti

(MPa)

658 7 0 283

1211 57 0 3621211 57 -1 505

2.1.6. Korozyon ve Anma

Korozyon, malzeme yzeyinden balayan, kimyasal ve elektrokimyasal tepkime

sonucunda derinlere doru ilerleyen, malzemenin deiiklie uramas ya da anmas

olarak tanmlanabilir. Metaller, soy olanlar dnda, doada saf halde bulunmazlar. Oksit,


27/58

14

slfat veya karbonat bileikleri halindedirler. Teknik yntemlerle enerji verilerek

cevherlerden saf metaller elde edilirler. rnein, demirin korozyonu ile oluan pasn

kimyasal analizi sonucunda demir oksit olduu grlmtr. Endstride kullanlan demir

de zaten doadaki demir oksit filizlerinden elde edilir. Bu yolla kazanlm her metal,

balang durumuna yani doada bulunduu daha kararl oksit, slfat gibi bileiklere

dnme eilimindedirler. Uygun koullara ulaldnda da ilk durumlarna dnerler.

Korozyonu, kimyasal ya da elektrokimyasal yolla gerekleen bu gei olarak tanmlamak

da mmkndr.

2.1.6.1. Korozyon eitleri

Korozyonu, farkl ekillerde snflandrmak mmkndr ancak mhendislik

asndan nemli olan, grnegre yaplan snflandrmadr.

2.1.6.1.1. Homojen Dalml Korozyon

Dier korozyon trlerine gre metal kayb fazladr. En yaygn ancak laboratuar

koullarnda saptanabildii yani nceden kestirilebildii iin en az tehlikeli korozyontrdr. Bu korozyonda metal ve alamlarnn yzeyleri her ynde ayn ekilde etkilenir

ve yaklak ayn kalnlkta anmaya urarlar. Anmadaki eit dalmn asl nedeni anodik

ve katodik alanlarn srekli yer deitirmesidir. ou kez d grnm bozukluklarna yol

aar fakat ulalamayan i boluklar da tehlikeli olabilir.

2.1.6.1.2. ukurcuk Korozyonu

Korozyonun, genellikle ok dar blgelerde younlamasyla meydana gelir.

ukurcuklar ya da ince kanallar oluarak para delinir. Metal yzeyinde oluan oyuk

morfolojisi, metal ve alamlarnn cinsine gre deiir. ukurcuklarn ap, derinlii ve

skl malzemeye ve koroziv ortama baldr. Toplam malzeme kaybnn az ama korozyon

hznn yksek olduu tehlikeli bir korozyon trdr. Birok metal ve alamlarnda

grlr ancak teknolojik adan paslanmaz elikler ve alminyumda nceliklidir.

ukurcuk korozyonu, Cl ve Br iyonlar


28/58

15

ieren NaCl, CaCl2, MgCl2, AlCl3, NaBr gibi ntr ortamlarda ve bu zeltileri

ieren havalandrlm ortamlarda grlr.

Paslanmaz elikler ve Co-Cr alamlar tekrarl ykleme durumunda ukurcuk

korozyonu sergilerler.

2.1.6.1.3. Aralk Korozyonu

Aralk korozyonu, dar aralklarda oluan bir korozyon trdr. Bu tr dar aralklar,

ierisinde durgun zelti bulunduran yerlerdir. Bu blgelere oksijen difzyonu zordur.

Aralk korozyonunun oluabilmesi iin araln, svnn ierisine girebilecei kadar geni,

ancak durgun bir blge oluturabilmesi iin de yeterince dar olmas gerekir. Bu mesafe

milimetrenin onda biri veya daha kk boluklar kadardr. Aralk geniledike korozyon

etkinliini kaybeder ve geniliin birka milimetre olduu durumlarda korozyon nadiren

grlr. Aral oluturan malzemelerin ikisinin de metal olmas gerekmez. Oksijenin az

bulunduu blge anot, ok bulunduu blge ise katot olarak davranarak korozyon meydana

getirir. Metalin bulunduu ortamda pH dmesi ve klorr iyon konsantrasyonunun artmas

aralk korozyonunun balangc ve ilerlemesi asndan en nemli iki faktrdr. Ortamn

asitlii zamanla arttka metalin pasif tabakas znr ve lokal korozyon sreci hzlanr.

ekil 2.1. Yerleme yeriyle krkblgenin temas yerindeki ortopedik vidada oluan aralk

korozyonu SEM grnts [Barbucci, R. (2002)]


29/58

16

2.1.6.1.4. Tane Snr Korozyonu

Korozyon olaynn malzemenin tane snrlar yaknnda younlamas sonucu ortaya

kan bozunma trdr. Tane snrlar korozyonu zellikle ostenitik dokulu krom -nikel

eliklerinde ve alminyum-bakr alamlarnda grlr. Taneler btnlk ve ekillerini

korurlarken, taneler aras ba bozunmaya urar. Burada tane snrlarnn yksek enerjisi

veya farkl ierikleri nedeniyle tane snr keltilerinin veya tane snrlarnn znmesi

sz konusudur. Bunun sonucu olarak metallere zg baz tutumlarda nemli deiiklikler

beklemek gerekir. Bunlardan en nemlisi korozyonun etken olduu blgelerde mekanik

dayanmn sfra indirgenmesidir. stenitik paslanmaz eliklerde de sk grlen korozyon

eididir.

ekil 2.2. 30 gn Ringer zeltisine daldrlan protez diin urad taneler aras korozyonun

SEM grnts [Barbucci, R. (2002)]

2.1.6.1.5. Tane i Korozyon

Tane snrnn katot, tane iinin anot grevini stlendii bu korozyon tr daha ok

yk altnda alan ya da srekli titreim zorlamasna maruz kalan paralarda grlr.

Oluan atlaklar genellikle gerilmeye yneliktir. Uygulamada, stenitik paslanmaz

eliklerde grlr.


30/58

17

2.1.6.1.6. Galvanik Korozyon

Birbirleriyle temas halinde olan metal ve alamlarnn ayn ortamda bulunmas

sonucunda ortaya kar. Bu korozyon trne neden olacak galvanik elemeler, ounlukla

istem d bir tasarm ve retim gereksinimiyle olur. Ayn ortamda bulunacak metal ve

alamlarnn, galvanik seriye gre seilmeleri ve paralar arasnda iyi bir yaltm yaplmas

gerekir.

Ortopedik uygulamalarda dikkat edilmesi gereken dier bir husus da farkl metallerin

birbirleri ile temas etmeleri halinde vcut svs iinde galvanik pil olumasdr. Eer

cerrahi paslanmaz elik tel, kobalt veya titanyum bazl alam femur paraya temas ederse

galvanik pil oluur ve galvanik korozyona urar.

2.1.6.1.7. Mekanik Zorlamal Korozyon

2.1.6.1.7.1. Gerilmeli Korozyon

Gerilme korozyonu elektrolit iinde bulunan ve bir atlak balangc tayan para

zerine ekme gerilmelerinin etkimesi ile ortaya kar. Bozunmapara yzeyinde mevcutatlaklar veya gerilim younlamasna olanak salayan dier geometrik dzensizliklerle

balar. atlaklar mekanik gerilimlerin bykl ve evresel koullarn etkenliine bal

olarak belirli hzlarla malzeme iine doru yrrler. Para kesitinin mevcut ykleri

tayamayacak lde daralmas sonucu ani kopmalar meydana gelir. Gerilimli

korozyonun en nemli zellii kimyasal ve mekanik etkilerin birbirlerini destekler nitelikte

gelimeleridir. Gerilme nedeniyle oluan mekanik kuvvet korozyon yavalatc oksit vb.

tabakann srekliliini bozar. Bu gibi hallerde koruyucu tabakann yenilenmesi olaya zgelektrolit tarafndan engellenir. Sonuta meydana gelen anodik znme ve atlak

bymesi hzlanarak, parann ksa zamanda krlmasna yol aar. Gerilme korozyonu her

trl malzemede grlebilir, ancak paslanmaz elik gibi korozyona dayankl malzemeler

koruyucu tabakann hasar grmesi ile zellikle duyarl hale geebilirler.


31/58

18

ekil 2.3. Paslanmaz elikten imal edilmi kala protezinde meydana gelen gerilmeli

korozyon SEM grnts [Barbucci, R. (2002)]

2.1.6.1.7.2. Hidrojen Bozunmas

Kbik hacim merkezli yksek dayanml malzemelerde grlr.

Korozyon asndan nemli olan hidrojen, katodik tepkimeyle retilendir. Tepkime

sonucunda aa kan hidrojen atomu, malzeme iine yaynr ve sonra hidrojen molekl

oluturarak i gerilmelere, dolaysyla atlamaya neden olur.

2.1.6.1.7.3. Yorulmal Korozyon

Dinamik yk altnda kalan malzemelerde grlen tane ii korozyondur.


32/58

19

ekil 2.4. Paslanmaz elikten yaplm kala iindeki ivinin urad yorulmal korozyonun

SEM de mikro yap grnts [Barbucci, R. (2002)]

2.1.6.1.7.4. Srtnme ve Erozyonlu Korozyon

Metal malzeme ile ortam ii akkann bal hznn yksek olduu, gaz ve svlarn

pompalanmasnda kullanlan boru hatlarnda ve gemi pervanelerinde, zellikle de Tbalantlar ve dirseklerde grlr.

Srtnme korozyonunda zellikle mekanik anma ile kopan yzey paracklar

korozyona urayarak uyum pas diye adlandrlan korozyonun yaratt maddeleri

olutururlar. Erozyon ve kavitasyonda ise metal yzeyindeki koruyucu tabaka bozularak

korozyon hasar ortaya kar. Koroziv svnn hareketleri fiziksel olarak koruyucu film

tabakasn metal yzeyinden andrarak, alttaki metal yzeyinin aa kmasn salar bu

ekilde korozyon ivme kazanr.

2.1.6.1.8. Biyolojik Korozyon

Biyolojik ortamlarda meydana gelir.

Bakteriler, ekerlerin glikolizi srasnda organik asitlerin aa kmasna sebep

olarak ortamn pHsn drrler. Dk pH korozyon iin aerobik bakteriler tarafndan

arzu edilen bir ortam yaratr. Biyofilm oluumuna bal olarak, biyofilmin altndaki metal

yzeyi farkl oranda oksijen miktarna maruz kalabilir. Bu durumda daha az havalandrlan


33/58

20

blge anot karakterli davran sergileyerek korozyona urar ve tkrk ierisine metal

iyonlarnn salnm meydana gelmi olur. Bu metal iyonlar bakterilerin son rnleri ve

klorr iyonu ile birleerek MnCl, FeCl, benzeri daha korozif rnlerin aa kmasna

sebep olarak korozyonun ilerlemesine etkide bulunur. Mikrobiyal korozyon, bakterilerin

asidik atk rnlerinin metal yzeylerini korozyona uratmas ile gerekleir. Mikrobiyal

korozyonun insidans ve younluu yzeyin mmkn olduunca temiz tutulmas ve

antibiyotik ajanlarn kullanm ile drlebilir. Di hekimliinde kullanlan metalik

malzemelerin Streptococcus mutans bakterilerinin varlnda korozyon davranlarnda

art olduunu rapor edilmitir.

2.1.6.1.9. Fretaj Korozyonu

ki metalin birbiriyle srtnmesi sonucu oluan korozyondur.

2.1.6.1.10. niform Korozyon

Metal yzeyinin her noktasnda ayn hzla ilerleyen korozyon eididir. Normal

olarak korozyon olaynn bu ekilde yrmesi beklenir. niform korozyon sonucu metalkalnl her noktada ayn derecede incelir. En yaygn korozyon tr olarak, homojen

dalml korozyonun yol at metal kayb dier korozyon trlerine oranla yksektir.

Buna karn en az korkulan korozyon tr olduunu da belirtmek gerekir. nk homojen

dalml korozyonun hz basit laboratuar deneyleri ile saptanabilir. Bylece saldrgan

ortamlara terk edilen para ve yaplarn mrne ilikin tutarl tahminlere ulamakmmkn

olur. niform korozyon iin, korozif ortam yzeyin tmne aynekilde temas etmeli ve

metalin kendisi metalrjik olarak uniform olmaldr.Bu dnemde kullanlan cerrahi alamlar korozyon direnlerini sabit ve pasif oksit

filmlerine borludurlar. Buna pasifizasyon da denir. Titanyum aktif bir metaldir. Kendi

oksit filmini oluturur.Paslanmaz elik ve kobalt alamlar krom oksit filmleri oluturur.

Gnmzde paslanmaz elikler, dk maliyeti, korozyon direnci ve stn mekanik

zellikleri nedeniylezellikle ortopedik uygulamalarda yaygn olarak kullanlmaktadrlar.

Paslanmaz elik ierisindeki en nemli alam elementi kromdur. Yap ierisindeki krom

miktar yzeyde pasif bir oksit tabakas oluturabilmek iin en az %12 olmak zorundadr.


34/58

21

Krom orannn %28den fazla olmas halinde tane snrlarnda krom karbr oluumuna

sebep olur ve krom karbr oluumu ise eliin korozyon direncini drr [Singh 2002].

Tablo 2.9da paslanmaz eliklerin NaCl zeltisi ierisindeki gsterdikleri

davranlarn saysal deerleri verilmitir.

Tablo 2.9. Oda scaklndaki 1M NaCl zeltisinde paslanmaz elik eitlerinin bozulma

potansiyelleri ve etkilerinin toplam [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Alam Etki toplam Bozulma potansiyeli

(V)

X5CrNi1810 19 0.25

X5CrNiMo17133 25 0.25

X2CrNiMo17132 26.5 0.5

X2CrNiMoN18164 29.5 0.7

X2CrNiMoV1813 25 0.65

2.1.7. Biyolojik zellikleri

nsan vcudundaki organ ve dokular arasnda korozyon sonucu oluabilecek

reaksiyonlar insan sal asndan byk nem tamaktadr. te metallerin biyolojik

uygunluklar burada nem arz eder. Vcuttaki metalik bir implantta korozyon oluursa,

metaldeki elektronlarn ak, iyonlarn oluumu, temasta olduklar doku ve hcrelerde bir

hasara sebep olur. norganik korozyon reaksiyonlar ile aa kan metal iyonlar bbrek

ve karacier gibi organlara tanr ve orada toplanrlar. Buda eitli hastalklara sebep

olmakta ve zehirlilik limitinde arta yol amaktadr. Organik reaksiyon proteinleri ile birmetalin temas, metalievreleyen dokuda alerjik iltihapl reaksiyonlara sebep olmaktadr.

ltihapl hcreler, hidrojen peroksit retirler ve hidroksil radikaller, evreleyen dokuda ar

hasarlara sebep olur. Bu nedenle metalik biyomalzemelerde biyolojik uygunluk iin dk

znrlk ve yksek termodinamik denge arzu edilir.

stenitik paslanmaz eliklerin protez malzemesi olarak kullanl ASTM ve BSI

tarafndan tavsiye edilmitir. Alam pasif haldeyken dokuda iyi tolere edilmektedir. Fakat

zamanla iyonlarn tanmas ile doku reaksiyonlar balamaktadr. Bu reaksiyonlar proteze

direk temasla veya anma artklarnn ortama, ardndan da vcut svlarna karmasyla


35/58

22

gerekleir. Fakat bu tr korozyonun geliimi ou zaman protezin erken dnemde

karlmasna neden olacak boyutta deildir.

Tablo 2.10da fare kalasna yerletirilen X2CrNiMo17133 vida implantnn sl

ileminin kayma mukavemetine etkisini gstermektedir.

Tablo 2.10. Kemik (fare kalasna eitli zamanlarda eklemelerden sonra) ve X2CrNiMo17133

vida implantlar arasnda sl ilemin (oksidasyon) kayma mukavemetine etkisi


Yerletirmeden sonra

(gnler)

Kesme dayanm (MPa)

Kontrol Isl ilem grm

4 0.010.001 0.030.015 0.040.01 0.210.07

6 0.280.06 0.680.07

10 0.580.09 1.230.19

35 1.580.18 2.610.21

2.2. CoCrTabanl Alamlar

1930larn bana kadar vitalyum elii olarak adlandrlan Co-Cr alamlar

balangta altnn alternatifi olarak di hekimliinde kullanlmtr. Daha sonra ortopedik

rnlerde zellikle kala protezlerinde ve vcut iinde kullanlan plakalarda en fazla

kullanlan temel metalik biyomalzemeden birisi haline gelmitir. Co-Cr alamlarnn iki

temel tipi vardr. Bunlar dklebilir CoCrMo alam ile scak dvme ile retilen

CoNiCrMo alamdr. CoCrMo alam genellikle diilikte kullanlrken zellikle yksek

yklere maruz kalan kala ve diz implantlarnda kullanlmaktadr. Co-Cr alamlarnn ana

alam elementleri kobalt (%65) ve kromdur. Krom alamn korozyon direncini artrrken,

molibden ince taneli bir yap oluturmak bylece mukavemeti artrmak iin alam

ierisine katlmaktadr. Kobalt ieren alamlarn elastik modl (malzeme sertliini

gsteren bir deer) paslanmaz eliinkinden daha byktr. Tablo 11de CoCr

alamlarnn kimyasal bileimi verilmitir [Pasinli,2004].


36/58

23

Tablo 2.11. Dkm Coalamlarnn kimyasal bileimi [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Alam Cr Mo Ni Fe C Si Mn Ti Co

CrCo29Cr5Mo 26.5-30.0 4.5-7.0 2.5 1.0 0.35 1.0 1.0 -- Balans

CoCrMo 15.0-32.5 4.0-7.5 2.0 1.5 0.05 1.0 1.0 5 33.0-75.0

2.2.1. Fiziksel zellikler

Elastite modl paslanmaz eliklerden ve titanyum alamlarndan daha iyidir. Bu da

iyi bir rijitlie sahip olmas demektir. Tabi baz uygulama alanlarnda bu zellik dezavantaj

durumunda olabilmektedir. Anma direnci, korozyon direnci, yorulma dayanm gibi

zelliklerinin iyi olmas ok nemli avantajlardr. Tablo 12 fiziksel zelliklerinin

tablosudur.

Tablo 2.12. CrCo alamlarnn fiziksel zellikleri [Handbook of biomaterial properties, 1998]

AlamYounluk

(g/cm3)

Erime

Noktas (oC)

Dnm

Scakl

hcpfcc

(oC)

Young

Modl

(GPa)

20o

CdeIsl

letkenlik

(W/mK)

20oC de

Elektrik

zdirenci

(m)

G-Co29CrMo 8.2-8.41235(stenit)

1300-1400890 210-330

Co20Cr15W10Ni 650

Co20Cr3Ni10Mo 8.43 1315-1427 650 235 1.03

2.2.2. Mekanik zellikleri

Dkme ya da dvme olarak kullanlabilen CoCr alamlar, Ni ve Win de ilavesiyle

yksek elastite modul ve snrl sneklik zellikleri ile 316L paslanmaz eliininin

zelliklerine benzerlik gsterir. Bu alamlar, yksek anma direncine sahiptirler.

Deformasyon sertlemesi nedeniyle kazanlan mekanik yap paslanmaz elik ve Ti6Al4V

gibi baz titanium alamlarndan daha iyidir. Protez olarak kullanlrken de, metal metale

srtnme halinde, yksek anma direnci sayesinde en az problem sahip nadir


37/58

24

malzemelerdendir. Mo ilavesiyle, malzemenin yapsndaki tanelerde klme olduundan

dolay malzemenin mekanik zellikleri iyilemektedir. Krom da, kat zelti yaparak

dayanm arttrr. Scak dvlerek ekillendirilen Co-Cr-Ni-Mo alamnn stn anma,

yorulma ve ekme dayanm vardr. Dkme ve dvme alamlar yksek korozyon

direncine sahiptir. Tablo 2.13de CoCr almlarnn retim yntemi fakllnda gstedii

mekanik davranlar grlmektedir.

Tablo 2.13. CoCr nin dkm ve toz metalujjisi alamlarnn(pm) mekanik zellikleri [Handbook

of biomaterial properties, 1998]

AlamKoul

(durum)

Young

Modl

x 103

(MPa)

Akma

Dayanm

(%0.2)

(MPa)

Max.

ekme

Dayanm

(MPa)

Akma

oran

/ekme

Dayanm

%

Uzamas

% Alan

Daralmas

Sertlik

HV

Co29CrMoDkm

gibi450 665 .069 8 8

CoCrMo

Dkm

gibi

HIP

210

-

330

500-650

841

1277

4-10

14

300

-

400

2.2.3. Yorulma

Genel itibariyle CoCr alamlarnn yorulma dayanmlar iyidir. Hatta yorulma

dayanmlarnn titanyum alamlarndan daha stn olduu alamlar da vardr. Bu da

dinamik yklere maruz blgelerde rahatlka kullanlabilecei anlamna gelir. Tablo 2.14,

baz CoCr alamlarnn yorulma dayanmlarn zetlemektedir.


38/58

25

Tablo 2.14. CoCr alam eitlerinin yksek devirlerde yorulma dayanm [Handbook of

biomaterial properties, 1998]

Alam Koul(durum) R

Gerilmeli-Ters

Yorgunluk

(MPa)R

Dnen

EmeYorgunluu Gc (MPA)

G-Co29Cr5Mo Dkm gibi -1 200-300 -1 300

Co20Cr35Ni10Mo Dkm gibi 200-300 --

Co20Cr15W10Ni Dvme 540-600 500

Pm-Co29Cr5Mo HIP 370-430 725


Kobalt-krom alamlarna tungsten ve molibden eklenmesinin alam daha da

kuvvetlendirdii daha sonra bulunmutur. Geni bir scaklk yelpazesindeki dayankllklar

ve ok eitli ortamlarda gsterdikleri direnlilikleri sayesinde vazgeilemez olarak

nitelendirilirler. Alamdaki krom korozyon ve oksidasyona kar diren kazandrr.

Tungsten ve molibden, matrikse ek bir kuvvet kazandrr ve genel korozyon direncini

arttrr. Ancak alamn en nemli katk elementi kobalttr. Kobalt sayesinde alamn stresabsorbsiyonu yetenei artar. Kobalt alamlarnda % 10 kadar krom ilavesinin anodik akm

younluunu azaltmak iin yeterli olduu bilinmektedir. Nikel alamlarnda ise en az %

14 krom gerekmektedir. Kobalt alamlarnda krom oran % 25lere ykseldiinde, daha

soylu bir yap ortaya kmaktadr. Kobalt alamlarnn blgesel korozyona (yani

oyuklanma veya aralk korozyonuna) kar direnleri krom, molibden ve tungsten ierikleri

tarafndan belirlenir. Genellikle lokalize korozyon direnleri, klorr zelt ilerindeki

elektrokimyasal testlerle llr. Krom, molibden ve tungsten gibi alam elementlerinin

oyuklanma direncine katklar, nikel alamlarna katklarna benzer. Her metalde olduu

gibi kobalt alamlarnda da korozyon direnci pasif film oluumuna baldr. Kobalt

alamlarnda Cr2O3 filmi olumaktadr. Paslanmaz elikler ve Co-Cr alamlar tekrarl

ykleme durumunda ukurcuk korozyonu sergilerler. Bir baka ifade ile korozyonlu

yorulma hasarna kar duyarldrlar. Oluan korozyon rnleri biyouyumluluk problemleri

ortaya karmaktadr. Yine 1983 de yaplan aratrmalarda hem kromun hem de kobaltn

klinik lmlerde grlen salnm deerlerinin (eski ve yeni protezlerden), beslenme ile

alnan deerlerden ok dk olduu sonucuna varlmtr. CoCr alamlarnda, alamn


39/58

26

zeltilere kar olan korozyonu %65 ieriklere varan Co tarafndan engellenmektedir.

Tablo 2.15de Co29Cr5Mo alamnn 0.1 M NaCl zeltisi ierisinde gsterdii

elektrokimyasal veriler gzlenmektedir.

Tablo 2.15. Co29Cr5Mo alamlarnn 0.1 M NaCl ierisinde elektrokimyasal verilerinin pH

etkisine nemi [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Metal/alamlarKorozyon Potansiyeli

Ecorr (mV)

Pasif Akm Younluu

Ip (A/cm2)

Bozulma Potansiyeli

Eb (mV)

Co29Cr5Mo

pH 7 -391 1.36 340

pH 2 -465 0.54 476


Kobalt-krom-molibden alamlarnn iyi biyouyumluluk zellikleri, bu malzemeye

erken bir ilgi uyandrmtr, nk vcut tarafndan iyi tolere edilirler. Tipik olarak, bu

malzeme kemik ile temas halinde implante edildiinde, evresinde ince bir fibrz tabakaoluur, ciddi bir reaksiyon olmas da ok nadirdir. Korozyon direlerinin iyi olmas

sebebiyle de biyolojik uyumluluklar iyidir.

retim yntemlerindeki gelimelerle birlikte toz metalurjisinin CoCr

alamlandrlmalarnda kullanlmas, mekanik, koroziv etkileri zerinde olumlu

gelimeleri beraberinde getirmitir. Bylece de biyouyumluluklar daha da iyilemitir.

Tablo 2.16 bu durumun ispatlaycs niteliindedir. Toz konsantrasyonunun dmesi

biyouyumluluk zerinde artrc faktr gstermektedir.


40/58

27

Tablo 2.16. Cp-Co, cp-Cr, cp-Ni ve NiCrCo alamlarn biyouyumluluu; toz halinde tasarlanan L-

32 hcrelerinin hayatta kalma oran [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Metal/Alam Toz Konsantrasyonu (mg/l) Sa kalm oran (%)

Co25

50

45

18

Cr200

400

65

62

Ni200

400

0.9

0.1

Co20Cr15W10Ni200

400

33

23

Co20Cr35Ni10Mo200

400

25

14

2.3. Titanyum ve Titanyum Alamlar

2.3.1. Bileimi

Titanyum elektrostatik ayrma yntemi kullanlarak elde edilir. Ticari saflkta

titanyum iin drt derece vardr. Bu dereceler iinde bulunan oksijen bakmndan binde

birlik bir deime gsterir. Bu deiim az gibi grnse de mekanik zelliklerde byk

farkllklar oluturur. Titanyumdaki (O, C, N) elementleri alam glendirir. Nitrojen,

karbon ve oksijenin iki kat kadar glendirir. Titanyum ve alamlar en fazla kala ve diz

protezlerinin yapmnda, damar stentler ve balayclarnda, vida ve balantelemanlarnda ve di hekimliinde kullanlrlar [Park and Lakes 1992].


41/58

28

Tablo 2.17 de titanyum alamlarnn(+) kimyasal bileimi grlmektedir.

Tablo 2.17. Titanyum alamlarnn (+) kimyasal bileimi (%arlk) [Handbook of


Alamlar Al V Fe Nb Ta O N C HDier Tekli

ToplamlarTi

Ti6Al4V5.5-

6.75

3.5-

4.50.3 -- -- 0.2 0.05 0.08 0.015 0.1 0.4 Balans

Ti5Al2.5Fe4.5-

5.5--

2.0

3.0-- -- 0.2 0.05 0.08 0.015 0.1 0.4 Balans

Ti6Al7Nb

5.5

6.5-- 0.25

6.5-

7.50.5 0.2 0.05 0.08 0.009 -- -- Balans

2.3.2. Fiziksel zellikleri

Gnmzde en yaygn olarak kullanlan biyomalzemelerden titanyumun implant

malzeme olarak kullanlmas 1930lara kadar gitmektedir.Titanyum, paslanmaz elik ve

kobalt alamlarna gre daha hafif bir metaldir. zgl arl=4.5 gr/cm3 dr. Ergime

scakl 1680oC olan ve oda scaklnda sk dizilmi hekzagonal kafes yapsna sahip bir

metaldir.

Titanyum 882C ye kadar hegzagonal sk paket bir yap (-Ti) gsterirken, bu

scakln zerindeki scaklklarda hacim merkezli kbik bir yap (-Ti) gsterir. Alam

elementlerinin titanyuma ilavesi bu malzemeye birok zellik kazandrmaktadr.

Gnmzde biyomalzeme olarak en yaygn kullanlan titanyum alam Ti6Al4Vdur. Bu

alam Ti6Al4V alam arlka %5.5-6.5 alminyum, %3.5-4.5 vanadyum ve geri kalan

miktarda titanyumdan oluur. Yapda bulunan alminyum fazn stabilize edip fazndan

fazna gei scakln artrrken, vanadyum ise fazn stabilize etmektedir. Titanyum

alamlarnn en byk avantaj korozyon direncinin ve biyouyumluluunun dier metalik

malzemelere gre yksek olmasdr. Titanyumun elastisite modl yaklak 110 MPa olup

bu deer Co alamlarnn yaklak yars kadardr. Bununla beraber,bu malzemeler dk

anma direnci ve zayf tribolojik zellikler sergilemektedir. Titanyum yksek scaklklarda

ok reaktif bir malzemedir ve oksijenle hzl bir ekilde reaksiyona girer. Bu yzdentitanyum implantlarn retimi iin ya inert bir atmosfer artlar ya da vakum ortam


42/58

29

gereklidir. Aksi halde, oksijen hzl bir ekilde yap ierisine difze olur ve yapy

gevrekletirir. Sonu olarak hibir ekilde 925C nin zerinde scak ilem yaplamaz.

Tablo 2.18de + titanyum alamnn fiziksel zellikleri verilmitir.

Tablo 2.18. Titanyum alamlarnn(+) fiziksel zellikleri [Handbook of biomaterial

properties, 1998]

zellik Ti6Al4V Ti5Al2.5Fe Ti6Al7Nb

Young Modl (GPa) 100-110 110-116 110

Younluk (g/cm ) 4.43 4.45 4.52

Oda scaklndaki fazlar + + +

Mikro yap A1-A9 A1-A9 A1-A9

Dnm scakl (oC) 99015 95015 101015

Oda scaklndaki termal iletkenlii (W/K) 6.5 -- --

30-200oC arasnda genleme katsays (x10- K- ) 8.6 9.3 --

20oC deki zgl ss (kJ/kg K) 0.56 -- --

20oCdeki zgl elektrik zdirenci (52 mm /m) 1.66 -- --

2.3.3. Titanyum ve Titanyum alamlarn leme

2.3.3.1. Scak lem ve Isl lemler

Ti ve alamlar dvme-haddeleme-presleme gibi geleneksel yntemlerle yar rnler

olarak retilmektedirler. Ti esasl malzemeler stldklar zaman ar miktarlarda O2, N2

ve H2kapmasndan kanlmaldr. Bu nedenle stma ve tavlama ilemleri ntral ya da azoksidasyonlu atmosferlerde yaplmaldr. Istma srasnda malzemelerin direkt olarak

stne gaz flenmesi malzemenin H2kapmasna ve blgesel snmaya neden olacandan

kanlmaldr.

Ksa tutulan stma periyodu esnasnda snrl ekilde sadece yzey alan O2 ile

kaplanr. Bu yzey blgesi kimyasal veya mekanik yollarla temizlenmelidir. Hidrojen

matrise hzl bir ekilde nfus edebilecei iin, redkleyici atmosferden kanlmaldr.

Tavlama srasnda oluan oksit filmin malzeme iine oksijen yayndrmamas iin mutlakatemizlenmesi gerekir.


43/58

30

Scak alma scakl, alam kompozisyonuna baldr ve iyi mekanik zellikler ile

istenilen tane yaps elde etmek iin nceden seilmi olmaldr.

nce paralar ise sadece elektrolitik ya da tuz banyolarnda temizlenir. Hem

yzeydeki O2 tabakasnn hem de altndaki O2ce zenginlemi difzyon blgesinin

temizlenmesi gerekmektedir. Aksi takdirde malzemenin ekillendirilmesi ve mr olumsuz

etkilenir.

2.3.3.2. Yzey oksit tabakasn giderme

Yzeyde oluan oksit tabakasnda meydana gelen deformasyon sl ilem, kum

pskrtme ve dekapaj ilemleriyle kaldrlr. paras, %20 arlkl sulu asit zeltisi

iine daldrlr.

Asit banyosu bileimi: %20 HNO3 + %2 HF

Sadece yzeyde bulunan oksit tabakasnn deil ayn zamanda yzey altnda bulunan

oksijence zengin yapnn da krlmas gerekir.

2.3.4. Mekanik zellikleri

Ticari saf titanyumun ok yksek bir sneklii, bal olarak dk entik hassasiyeti

ve iyi tokluu vardr.

Mukavemet zellikleri scaklkla deiir. Scaklk oda scaklna birden bire

drlnce ticari saf alamlar dayanmlarn kaybederler. inde alminyum bulunduran

titanyum alamlarnn yksek scaklklarda iyi mekanik zellikleri vardr. Srnme

dayanm da titanyum alamlar iin nemlidir ve bir grup alfa titanyum alamlar en

yksek srnme dayanmna sahiptir.Titanyum alamlar -253Ce kadar dk scaklarla ilgili kriyonejik uygulamalarda

kullanlmaktadr ve birok titanyum alam eliklerde olduu gibi keskin bir gei

scaklna sahip deildir. Titanyum alamlarnda scaklk dtke dayanm, snekliin

dmesine ramen ykselir.

Ti-6Al-4V alamnn mekanik zellikleri implant edilebilen dier metal

alamlarnn mekanik zellikleriyle rahatlkla karlatrlabilir. Elde edilen mukavemet

yaklak olarak 316L paslanmaz elik ile ayn ve Co-Cr-Mo alamnn mukavemetinin

hemen hemen iki katdr. Elastisite modl ise cerrahide kullanlan dier alamlarn yars


44/58

31

kadardr. Modln kk olmas malzemenin daha az sert olmasna ve yk uygulandnda

elastik olarak deforme olmasna neden olur. Bahsedilen bu zellikler bir kemiin elastik

zellikleriyle, cerrahi implant malzemelerinin uyumluluunun gerektii ortopedik

rnlerin gelitirilmesinde nemli roller oynayabilir.

Tablo 2.19, + titanyum alamnn mekanik zelliklerinin tablosudur.

Tablo 2.19. Titanyum alamlarnn(+) mekanik zellikleri [Handbook of biomaterial properties,

1998]

AlamlarKoul

(durum)

Akma

Dayanm

(%0.2)

(MPa)

Max.

ekme

Dayanm

(MPa)

Akma

oran/

ekme

Dayanm

%

Uzama

%

Alan

Daralmas

Bknn

Yarap

Sertlik

Kalnlk

2

5

Ti6Al4V-6

6-100

870

830

950

920

0.92

0.90

8

8

25

25

310

3109t 10t

Ti5Al2.5Fe -6 780 860 0.91 8 25 310 9t 10t

Ti6Al7Nb811-952

943-1008

869-1008

1016-

1086

0.93-0.94

0.93

7-13

11-16

24-44

40-55

Ti6Mn -6 1058 1095 0.97 11.5 26 360 -- --

2.3.5. Yorulma

Genel olarak saf titanyum ve alfa alamlar genel olarak kk tanelerinden

olumaktadr. Sonu olarak, tane boyutu, oksijen ierii ve deformasyon sertlemesinin

derecesi yorulma dayanm snrn deitirebilir. Tane boyutunun 110 mden 6 me

indirilmesi sonucu ticari saf titanyumun yorulma dayanm snrn 160 MPadan 210MPaa ykselmitir. Oksijen ieriinin artrlmasyla mukavemet deerlerinde bir art

grlmtr. Dolaysyla artan oksijen ierii ile yorulma daynm snr artmtr. Buna

benzer olarak ticari saf titanyumun yorulma dayanm snr souk deformasyonun

uygulanmasyla artmtr. Tablo 2.20de eitli alamlarn yorulma deerleri verilmitir.


45/58

32

Tablo 2.20. Titanyum ve titanyum alamlarnn yksek devirlerde yorulma dayanm ve

dnme yorulmadayanm (Whler erisi) [Handbook of biomaterial properties,

1998]

Alamlar R B (MPa) R R (MPa)

Cp-Ti -1 230-280 -1 200

Ti6Al4V -1 400-450 -1 500-660

Ti5Al2.5Fe -1 -1 450-550

Ti6Al7Nb -1 -- -1 450-600

Cp-Nb -1 -- -1 150

Cp-Ta -1 -- -1 200

Ti30Ta -1 -- -1 400


Titanyum metali son derece reaktiftir ve oksijene yksek bir afinitesi vardr. Bu

nedenle, yeni metal yzeyi hava veya nem ile temasa getii anda ok hzl bir ekilde

yzeyde oksit film tabakas oluur. Hasar grm bir oksit tabakas da ortamda esermiktarda su veya oksijen varsa, ok ksa srede (hemen) yenilenir. ou sulu ortamda

oksit tipik olarak TiO2dir, ancak Ti2O3ve TiO de bulunur. Doal olarak oluan film 10nm

kalnlkta olur ve gz ile grlemez, ancak kimyasal olarak ok direnlidir. Bu ince yzey

oksidi ayn zamanda hidrojene kar da etkili bir bariyerdir. Bir katot olarak titanyum, sulu

bir elektrolitte iyonlarn elektrokimyasal redksiyonuna izin verir, dier taraftan, ou sulu

ortamda pasif oksit film nedeniyle anodik akma kar yksek bir diren oluur.

Titanyum, di hekimliinde en yaygn olarak, osseointegre implantlar olarak dieksikliklerinin tedavisinde kullanlan bir elementtir. Byk bir ksm tkrk ile temasta

deildir. Korozyon sonucu salnan titanyumun gda ile alnan titanyum deerlerinin ok

altnda kald bilinmektedir.

Tablo 2.21de titanyum alamlarnn 0.1 M NaCl zeltisindeki korozyon davran

deerleri verilmitir.


46/58

33

Tablo 2.21. Titanyum ve titanyum alamlarnn 0.1M NaCl zeltisi ierisinde ve farkl

koullar altnda elektrokimyasal verileri [Handbook of biomaterial properties,

1998]

Metal/AlamKorozyon Gerilimi

Ecorr (mV)

Pasif Akm

Younluu

Ip (A/cm2)

Bozulma potansiyeli

Eb (mV)

Cp-Ti

ph7

ph2

-628

-459

0.72

113>1500

Ti5Al2.5Fe

pH7

pH2

-529

-567

0.68

0.71>1500

Ti6Al4V

pH7

pH2

-510

- 699

0.92

0.69>1500

Ti6Al7Nb

pH70.45 >1000

Ti30Ta

pH70.3 >1500

Ti40Nb

pH70.2 >1500


Titanyumun oda, az ve vcut scaklnda korozyon direnci ve biyouyumluluu,

1nm (10-9 metre) den daha az kalnlkta oksit film tabakasnn olumasyla nitelik kazanr.

Eer bu oksit tabaka kaznrsa veya andrlrsa birka nanosaniye (10-9 sn) iinde tekrar

oluur. Birok alma, Titanyumun stn biyouyumluluunu belirtmitir. Titanyum veya

alamlaryla temasta olan dokularn reaksiyonu olduka lmldr ve kemik ile

osseointegrasyon oluturur. Tablo 2.22de L132 hcrelerinin titanyum varlndaki hayatta

kalma oran grlmektedir.


47/58

34

Tablo 2.22. L132 hcrelerin titanyum ve titanyum alamlarnn etkisinde hayatta kalma

oran [Handbook of biomaterial properties, 1998]

Metal Toz Konsantrasyonu

(mg/l)

Hcrelerin sa

kalma oran

Cp-Ti 400

Ti6Al4V 400

Ti5Al2.5Fe 400 >%80

Ti30Ta 400

Ti30Nb 400

2.4. Di Restorasyon Malzemeleri

2.4.1. Amalgamlar

Amalgam bileenlerinden biri cva olan alama denir. Amalgam; bakr, gm,

kalay ve inkodan oluan alamn cva ile kartrlmas sonucu hazrlanan sert ve

dayankl bir malzemedir. Cva, oda scaklnda sv fazda olur ve dier metallerle

reaksiyona girmesi sonucu, bir oyuk iini doldurulabilecek plastik ktle halini alr. Bu

zelliinden dolay amalgam, di dolgu maddesi olarak kullanlr. Estetik olmamas ve cva

iermesi, balca olumsuz yanlardr. Son yllarda amalgamn ierdii civann evresel

etkileri nem kazanm ve civann doa iin zararl bir atk olmasndan dolay, biro k

Avrupa lkesinde amalgam kullanm, byk lde kstlanmtr. Ancak, tm

tartmalara karn, di dolgusunda kullanlan amalgamdaki civann sistemik toksin etkisi,

gsterilebilmi deildir.Di restorasyonu (dolgular) iin uygulamadan hemen nce (amalgam), alaml cva

ile kartrlr. Alam toz veya granl formundadr. Amalgamizationdan sonra cva miktar

aadaki 50 arlka% olmaldr.


48/58

35

2.4.1.1. Amalgamlarn Bileimi

Amalgam, yzyl akn bir sredir kullanlmaktadr. Bakr, gm, kalay ve

inko'dan oluan amalgam tozunun cva ile kartrlmas sonucu hazrlanan sert ve

dayankl bir malzemedir. Estetik olmamas ve cva iermesi, balca olumsuz yanlardr.

zellikle, son yllarda amalgamn ierdii cvann evresel etkileri nem kazanm

durumdadr. Cvann doa iin zararl bir atk olmas, baz Kuzey Avrupa lkeleri'nde

amalgam kullanmn byk lde kstlam bulunmaktadr. Tablo 2.23 amalgam

bileimlerini gstermektedir.

Tablo 2.23. Dental amalgamlarn kimyasal bileimi(%arlk) [Handbook of biomaterial

properties, 1998]

Alam tozlar Ag Sn Cu Zn Hg

LCS 66-73 25-29


49/58

36

2.4.2. Soy Metaller

2.4.2.1. Alamlarn Bileimi

2.4.2.1.1. Altn-Platin-Paladyum (Au-Pt-Pd) Alamlar

eriinde %75-88 altn, %11 paladyum, %8 platin ve eer eklenmise %5 gm

bulunur. Baz metallerden indiyum, demir, kalay ve inkoyu eser miktarda ihtiva eder.

Avantajlar; mkemmel seramik balants, dklebilirliklerinin ok iyi olmas, bitim ve

uyulmama kolayl, okluzal yzeyleri yeniden oluturmaya olanak vermesi, korozyona

direnli olmas ve biyolojik uyumluluu saylabilir [ Zaimolu ve ark. 1993, Craig ve ark.

1997].

2.4.2.1.2. Altn-Paladyum-Gm (Au-Pd-Ag) Alamlar:

eriinde %39-53 altn, %25-35 paladyum, %12-22 gm bulunur [OBrien, 1997].

2.4.2.1.3. Altn- Paladyum (Au- Pd) Alamlar:

eriinde %44-55 altn, %35-45 paladyum, %5 galyum, %8-12 indiyum ve kalay

bulunur. Altn-platin-gm ve paladyum-gm alamlarnn seramikte renklenme ve

metalin yksek sl genleme katsaysndan ortaya kan problemleri ortadan kaldrmak

iin gelitirilmitir [Craig ve ark. 1997].

2.4.2.1.4. Paladyum-Gm (Pd-Ag) Alamlar:

eriinde %55-60 paladyum, %28-30 gm, indiyum ve kalay bulunur. Dk

maliyetlidirler. Gm ieriine bal olarak seramikte renklenmeye neden olmas, dkm

ile ilgili sorunlarnn olmas ve gaz emilim riski gibi zellikleri dezavantajlardr [Wang,

1996].


50/58

37

Tablo 2.24de dental dkm alamlarnn kimyasal bileimiverilmitir.

Tablo 2.24. Yksek altn ierikli dental dkm alamlarnn kimyasal bileimi [Handbook of


Tip Au+Pt

metalleri

Au Pt Pd Ir Rh Ag Cu Zn Ta In Re Fe Sn

HGC-1 88.6 87.5 1.0 0.1 11.5

HGC-2 80.5

-

81.2

75.7

-

79.3

0.3

-

1.4

1.6

-

3.3

12.3-

15.0

4.1

-

5.5

0.4-

1.0

0-

0.1

HGC-3 78.0

-78.5

74.0

-74.4

0

-2.4

2.0

-3.5

0.1 9.6

-13.5

7.0

-11.5

0.9-

1.0

HGC-4 75.5

-

80.0

65.5

-

71.0

4.4

-

12.9

0.0

-

2.0

0.1 0

-

1.1

10.0-

14.0

8.2

-

10.0

0.5-

4.0

HGC-1-

C

95.0-

97.0

80.0-

85.0

5.0

11.0

3.3-

4.4

0.2 1.6 3.0- 5.0

HGC-2-

C

95.0 70.0 7.5 15.0 0.5 2.0 5.0

HGC-3-

C

98.0-

99.0

82.6-

86.0

9.7-

10.4

0-

2.2

0.1

-

0.3

0-

1.6

1.0-

2.0

HGC-4-C 82.9-

97.4

73.8

84.4

8.0-

9.0

5.0-8.9 0.1 1.2-9.2 0.3-

4.4

0-

2.0

0-

0.2

1.5-

2.5

0-

0.2

0-

0.2

0.5

0.8

2.4.2.2. Fiziksel ve Mekanik zellikleri

2.4.2.2.1. Au-Pt-Pd Alamlar

Yksek maliyet, dk sertlik (yksek anma), yksek younluk, uzun kprler iin

yetersiz elastikiyet modl ve dk erime scaklklarndan dolay dk kme direncine

sahip olmalar kullanmlarn snrlamaktadr.


51/58

38

2.4.2.2.2. Au-Pd-Ag Alamlar

Daha yksek erime scaklna sahip olduklar iin altn-platin alamna gre akma

direnci daha yksektir. Altn-platin alamlarna gre daha sert, daha ucuz ve daha yksek

elastikiyet modlne sahiptir. Ancak yksek gm ierii seramikte renklenmeye neden

olabilir. Yksek ssal genleme katsays, hidrojen absorbsiyonuna bal seramik

balantsndaki problemler ve dk korozyon direnci dier dezavantajlardr.

2.4.2.2.3. Au-Pd Alamlar

Avantajlar dk younluk, balanma dayankll ve dklebilirliinin iyi

olmasdr. Akma direnci ve sertlii altn-platin-gm ve paladyum-gm a1amlarndan

daha yksek olup, korozyon direnci de yksektir. Baz yksek genlemeye sahip seramik

sistemleriyle uyum gstermez. Yksek maliyet dezavantajdr.

2.4.2.2.4. Pd-Ag Alamlar

Dk younluklar, iyi seramik balants, yksek akma direnci, yksek elastikiyetmodl ve iyi korozyona direncine sahip olmalar tercih edilme nedenleridir.

2.4.3. NiCr Alamlar

Gnmzde sabit protezlerde en ok kullanlan temel metal alamdr. Ni-Cr esasl

alamlarda dkm kolaylatrmak ve porselenin metale kaynamasn glendirmek iin

%1-3 orannda kullanlan berilyum, toksik etkileri nedeni ile nemli salk sorunlaroluturabilir. Bu nedenle son yllarda retilmekte olan Ni-Cr alamlarnn ounda bu

element kullanlmamaktadr.

Nikel birok element ile alam oluturabilir. Bakr, demir, tungsten, kobalt,

niyobyum ve tantal, alminyum ve titanyum, karbon ve karbidler, krom ve molibden

balca alam elementleridir [Zaimolu, 1993].

Krom yksek scaklklardaki oksidasyona ve slfr ieren gazlarn saldrsna kar

direnci arttrr. Ni-Cr alamlarn ierisine, alamn koruyucu oksit tabaka oluturma

yeteneini arttrmak amacyla krom eklenmektedir. %50ye kadar krom ieren alamlar


52/58

39

formle edilmise de, genellikle alama %15 ile %30 arasnda deien miktarlarda krom

katlmaktadr. Krom metalin korozyonunu nler. Bu element alamn yzeyinde

kromoksit tabakas oluturarak metali korur. Bir alamda krom miktar %30un zerinde

olura dkm zorlar. Alamlarn kararmaya kar direnli olabilmesi iin en az %20

orannda krom iermesi gerekir. Ni-Cr kullanlan bir almada, krom oran %27 ve

zerinde olduunda, kobalt ve nikel salnm olmazken, %16nn altna indiinde nemli

oranlarda nikel ve krom salnm gzlenmitir. Ni-Cr alamlar ekonomik olmalarna kars,

nikelin allerjik zellikleri ve baz fiziksel dezavantajlar nedeniyle her zaman kullanl

deildirler. Daha az oranda krom ieren nikel alamlar korozyon direnci oluturmak iin

yeterli oksit filmi gelitiremezler.

Nikel-krom alamlar berilyumlu ve berilyumsuz olarak iki ana gruba ayrlr.

Berilyum dklebilirlii arttrrken yksek scaklklarda kaln oksit tabakas oluumunu

engeller. Ancak berilyumun kanserojen etkisinden dolay berilyumsuz nikel krom

alamlar kullanlmaktadr. eriinde %62-77 nikel, %11-22 krom, demir, molibden,

tantal ve bazen bor bulunur. Genel olarak nikel-krom alamlarn elastikiyet modleri altn

altn alamlarnn 2-2,5 katdr. Bu zellikleri uzun kprlerde baaryla kullanlmasna ve

ince dkm yaplabilmesine olanak salar. Dk maliyeti dier bir nemli avantajdr.

Dezavantajlar ise kontrol edilemeyen oksit tabakas, nikelin toksik ve alerjik etkisi,yksek sertliinden dolay laboratuar ilemlerinin gldr. Altn alamlarna gre

diten uzaklatrlmas daha zordur. Ni-Cr alamlar youn aratrmalara konu olmutur ve

elektrokimyasal korozyon analizleri korozyon zelliklerinin deerlendirilmesinde uygun

bir metot olarak kendini ispat etmitir. Alam ierisinde %1627 orannda krom

bulunmasnn optimum korozyon direnci salanmas asndan nemi rapor edilmitir.

Ayrca Mn, Mo gibi metallerin alam ierisine eklenmesi de korozyon direncini arttrc

giriimlerdir. Daha dk seviyede krom ieren alamlar korozyon direnci iin gerekliolan oksit filmini yeterli seviyede gelitiremeyebilirler [Weber, Fraker,1980].

Tablo 2.26 ve 2.27, dental NiCr alamlarnn fiziksel ve mekanik zelliklerinin

gsterildii tablolardr.


53/58

40

Tablo 2.25. Di hekimliinde kullanlan NiCr alamlarnn (%arlka) kimyasal bileimi


Ni Co Fe Cr Mo Nb Ti W Be Ga Si C Dierleri

58 0 0 12 0.5 0 0 0 0 0 0

0.5 Al, Ce, B, Mn, Sn, Y, V, Ta,

La, Cu-- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

82 2 9 26 16 7 3 4 1.5 7.5 3

Tablo 2.26. Di hekimliinde kullanlanNiCralamlarnnmekanik zellikleri [Handbook of


Akma Dayanm

(%0.2)

(MPa)

%

Uzamas

Sertlik

(VHN5)

255-800 3-25 160-395


54/58

SONU

Gnmzde insan yaamn kolaylatrmak, hastalklarn tedavisini hzl ve tekrar

gerektirmeyecek operasyonlarla yapabilmek amacyla tp sektr ve buna bal olarak, bu

tasarmlara gerekli malzemeler ile ilgili aratrma almalar giderek artan younlukta

devam etmektedir. Her geen gn, vcut ve dokularla daha uyumlu, daha az anma ve

korozyon davran gsteren, daha uzun sre dayanabilen, daha ekonomik ve gerektiinde

de daha estetik grnm tayabilen biyomalzemelerin keif ve kullanm imkan

artmaktadr.

Bu almada metalik biyomalzemelerin fiziksel, kimyasal, mekanik zelliklerinin

yan sra biyolojik uyumluluklarnn korozyon, anma, yorulma dayanm gibi

parametrelere de bal olduu belirtilmitir. Her metalik biyomalzeme kendi ierisinde ve

dier metalik biyomalzemeler ile karlatrlmtr. Yaplan almada amalgam

alamlarnn az veya ok her trl ortamda iddetli korozyona uradklar, buna karlk

paslanmaz elik alamlarnn, CoCr alamlarnn ve titanyumun daha pasif bir davran

sergiledikleri dk iyon salnmlar sayesinde, biyolojik adan daha uyumlu sonucuna

varlmtr.


55/58

42

KAYNAKLAR

[1] Acta, 38(14), 1769-1774. 881.[2] Al2O3-Keramik fiir dentale Implantate - Entwicklung geeigneter Legierungen, Alloys.

Biomaterials, 14 (12), 887-892. American Standard ASTM F138.

[3] Arc Welding of Stainless Steels, in ASM Met

biyomalzemeler (2)

Documents