Etkin osteointegrasyon amaçlı alümina membran ile kaplanmış titanyum implantların üretilmesi / Pınar Ertürk; thesis advisor Fatih Büyükserin.

Tez (Doktora Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Mart 2025

İskelet sisteminin geniş alanlı kırıklarında osteointegrasyonun hızlı ve etkin bir biçimde sağlanması, bu bölgede kullanılması planlanan implant yüzeylerinin kemik doku ile benzer kimyasal, mekanik ve topografik özellikleri taşıyan yapıda olmasına bağlıdır. Titanyum temelli biyomalzemeler bu gibi durumlarda klinik kullanımda sıklıkla tercih edilmekte ve bu malzemelerin osteointegrasyon ve implantasyon başarı oranlarını artırmak için kimyasal/nanotopografik özellikler sağlayabilen oksit tabakalar ile kaplanmaları uzun süredir çalışılmaktadır. Bu çalışmanın amacı, anodize alüminyum oksit (AAO) kaplı ve atomik tabaka biriktirme (ALD)-alümina kaplı titanyum alt tabakaların, kendiliğinden iyileşmenin zor olduğu geniş deformasyon alanlarında yüksek ve hızlı mineralizasyon potansiyelini incelemektir. AAO kaplı titanyum (AAO@Ti) yüzeyler farklı elektrolitlerde anodizasyon tekniği ile üretilmiş ve osteojenik potansiyelleri kontrol olarak saf titanyum yüzey ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Yüzeylerin anodizasyon yoluyla kazandığı iyonik karakterlerin etkisini araştırmak için, oksitlenmiş nanotopografik yüzeyler ayrıca hassas ve konformal bir kaplama buharı biriktirme tekniği olan ALD yoluyla ultra ince bir alümina tabakası ile kaplanmıştır (ALD@AAO@Ti). Ayrıca, nano ölçekli yüzey morfolojisinin etkisini araştırmak için saf titanyum numunesi de ALD ile saf alümina ile kaplanmıştır (ALD@Ti). ALD kaplamadan sonra yapılan XPS analizi, anodizasyon ile üretilen her bir yüzeyin iyonik karakterinin başarıyla baskılandığını göstermiştir. İn vitro çalışmalar, incelenen substratlar arasında, MG-63 osteosarkom hücrelerinin mineralizasyon kapasitesinin, fosforik asitte anodize edilip ALD ile muamele edilmiş ve yalın AAO@Ti örnekleri (H3PO4_AAO@Ti ve ALD@H3PO4_AAO@Ti) üzerinde inkübe edildiğinde en yüksek olduğunu göstermiştir. Bu substratlar üzerindeki mineralizasyon da 2. günden 21. güne kadar tutarlı bir şekilde artmıştır. Osteojenik genlerin ekspresyon seviyeleri ALD@Ti ve ALD@H3PO4_AAO@Ti yüzeylerini ön plana çıkarırken, immünositokimya analizleri de osteojenik aktivitenin en fazla ALD@H3PO4_AAO@Ti yüzeyde meydana geldiğini vurgulamıştır. Dolayısıyla, bu tez sonucunda etkin ve hızlı osteointegrasyon potansiyeli olan ve implant uygulamalarında kullanımı ön plana çıkabilecek en iyi yüzeyin fosforik asit içerisinde üretilip iyonik kimliği baskılanan yüzey olabileceği görülmüştür.

In large-area fractures of the skeletal system, achieving rapid and effective osteointegration depends on the implant surfaces to be used in that region having similar chemical, mechanical, and topographical properties to bone tissue. Titanium-based biomaterials are frequently preferred in clinical use in such cases, and coating these materials with oxide layers having chemical/nanotopographic properties to enhance osteointegration and implantation success rates has been studied for a long time.The aim of this study was to investigate the high and rapid mineralization potential of anodized aluminum oxide (AAO) coated and atomic layer deposition (ALD)-alumina coated titanium substrates in large deformation areas where self-healing is difficult. AAO-coated titanium (AAO@Ti) surfaces were fabricated by anodization in different electrolytes and their osteogenic potential was analyzed in comparison with a pure titanium surface as a control. In order to investigate the effect of the ionic characters acquired by the surfaces through anodization, the oxidized nanotopographic surfaces were also coated with an ultra-thin alumina layer by ALD (ALD@AAO@Ti), a precise and conformal coating vapor deposition technique. Furthermore, pure titanium sample was also coated with pure alumina by ALD (ALD@Ti) to investigate the effect of nanoscale surface morphology. XPS analysis after ALD coating showed that the ionic character of each surface produced by anodization was successfully suppressed. In vitro studies showed that among the substrates studied, the mineralization capacity of MG-63 osteosarcoma cells was highest when incubated on pure AAO@Ti samples (H3PO4_AAO@Ti and ALD@H3PO4_AAO@Ti) anodized in phosphoric acid and treated with ALD. Mineralization on these substrates also increased consistently from day 2 to day 21. Expression levels of osteogenic genes highlighted the ALD@Ti and ALD@H3PO4_AAO@Ti surfaces, while immunocytochemistry analyses emphasized that osteogenic activity was highest on the ALD@H3PO4_AAO@Ti surface. Therefore, as a result of this thesis, it was seen that the best surface with effective and rapid osteointegration potential and the best surface that can be used in implant applications can be the surface produced in phosphoric acid and its ionic identity suppressed.