Hidroksiapatit tabanlı kompozitlerin yapısal ve biyolojik özelliklerinin silika, zeolit ve gümüş takviyesiyle çok yönlü iyileştirilmesi

Abstract

Bu droksiapatit (HAp) ve silika (SiO₂) bazlı biyokompozitlerin geliştirilmesi ve bu kompozitlerin mekanik, biyolojik ve antimikrobiyel özelliklerinin iyileştirilmesine yönelik kapsamlı bir araştırmayı içermektedir. HAp, doğrudan kemiğin mineral yapısına benzeyen bir biyoseramik olarak, özellikle kemik greftleri, dental implantlar ve diğer biyomedikal uygulamalarda geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Bununla birlikte, HAp’in düşük mekanik dayanımı, onun geniş çaplı klinik uygulamalarda tek başına kullanımını kısıtlamaktadır. Bu eksikliği gidermek amacıyla, çeşitli katkı maddeleri ile modifiye edilen HAp kompozitlerinin geliştirilmesi bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır. Çalışmada, HAp matrisine silika, zeolit ve gümüş (Ag) eklenerek malzemenin performansı optimize edilmiştir. Silika, kompozitin mekanik özelliklerini artırmak için sıklıkla kullanılan bir katkı maddesidir ve bu çalışmada %2.5 silika içeren HAp kompozitinin en yüksek basma dayanımına (103 MPa) ulaştığı tespit edilmiştir. Bu oran, malzemenin yoğunluğunu ve kristalin yapısını stabilize ederek, mekanik performansın önemli ölçüde iyileşmesine olanak tanımıştır. Silikanın ayrıca HAp’in biyoaktif özelliklerini etkilemeden malzemenin mekanik dayanımını artırdığı da gözlemlenmiştir, bu da silikanın HAp bazlı kompozitlerde ideal bir katkı maddesi olduğunu göstermektedir. Zeolit, HAp kompozitlerinin mikro yapısal homojenliğini ve biyouyumluluğunu artırmak amacıyla bu çalışmaya dahil edilmiştir. Zeolitin doğal gözenekli yapısı, kompozitin iç yapısında daha dengeli bir dağılım sağlayarak, malzemenin mekanik dayanımını ve hücre tutunmasını optimize etmiştir. Zeolit eklemesiyle elde edilen kompozitlerin, osteoblast hücre proliferasyonunu destekleyen bir yüzey morfolojisi sunduğu ve böylece kemik dokusu ile entegrasyonunu kolaylaştırdığı belirlenmiştir. Bu sonuçlar, zeolitin yalnızca yapısal bir katkı maddesi olarak değil, aynı zamanda biyolojik olarak aktif bir bileşen olarak da değerli bir katkı sağladığını göstermektedir. Gümüş (Ag), bu çalışmada HAp kompozitlerine antimikrobiyel özellik kazandırmak amacıyla eklenmiştir. Gümüş, biyomedikal alanda enfeksiyon riskini azaltma potansiyeli ile bilinen güçlü bir antimikrobiyel ajan olup, bu çalışmada da benzer amaçlarla kullanılmıştır. Gümüş eklenmesi, kompozitin bakteri kolonizasyonunu engelleyici özellikler kazanmasını sağlamış ve bu sayede malzemenin enfeksiyonlara karşı koruma kapasitesini artırmıştır. Gümüş içeren kompozitler üzerinde yapılan antimikrobiyel testler, bu materyallerin bakterilere karşı etkin bir direnç gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca, gümüş katkılı kompozitlerin hücre kültürü deneylerinde yüksek hücre tutunma oranları sergilediği, bu da malzemenin biyouyumluluğunu önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Bu çalışma, HAp bazlı kompozitlerin geliştirilmesinde kullanılan silika, zeolit ve gümüşün etkilerini kapsamlı bir şekilde inceleyerek, bu katkı maddelerinin kompozitin genel performansına olan katkılarını ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, silikanın kompozitin mekanik dayanımını artırmak için ideal bir katkı maddesi olduğunu, zeolitin hem mekanik dayanım hem de biyouyumluluk açısından önemli avantajlar sağladığını ve gümüşün ise antimikrobiyel özellikler kazandırarak kompozitin biyomedikal uygulamalarda kullanım potansiyelini artırdığını göstermektedir. Bu tez, HAp bazlı biyokompozitlerin optimize edilmesi ve bu malzemelerin biyomedikal alandaki potansiyel uygulamaları üzerine yapılan çalışmalara önemli bir katkı sağlamaktadır. Özellikle, gümüş katkılı kompozitlerin ortopedik implantlar ve dental uygulamalarda kullanılması, enfeksiyon riskini azaltırken aynı zamanda biyouyumluluğu artıran yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, biyomalzemelerin geliştirilmesine yönelik yeni stratejiler sunmakta ve gelecekteki araştırmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır. Elde edilen veriler, HAp bazlı kompozitlerin biyomedikal mühendislikteki uygulamalarına yönelik önemli ipuçları sağlamaktadır.

This doctoral thesis encompasses a comprehensive investigation into the enhancement of mechanical, biological, and antimicrobial properties of hydroxyapatite (HAp) and silica (SiO₂)-based biocomposites. HAp, known for its close resemblance to the inorganic components of natural bone, is widely utilized in bone grafts, dental implants, and various biomedical applications. However, the low mechanical strength of pure HAp limits its extensive clinical use. To address this limitation, this study focuses on the development of HAp composites enriched with various additives to optimize their performance. In this study, the performance of HAp composites was optimized by incorporating silica, zeolite, and silver (Ag) into the HAp matrix. Silica is a widely used additive for enhancing the mechanical properties of composites, and in this study, it was found that the HAp composite containing 2.5% silica exhibited the highest compressive strength (103 MPa) . This proportion significantly improved the mechanical performance of the composite by stabilizing its crystalline structure and increasing its density. It was also observed that silica improved the mechanical strength of HAp without compromising its bioactive properties, making it an ideal additive for HAp-based composites . Zeolite was included in this study to improve the microstructural homogeneity and biocompatibility of HAp composites. The porous structure of zeolite allowed for a more balanced distribution within the composite's internal structure, optimizing both its mechanical strength and cell adhesion. It was determined that zeolite-enhanced composites presented a surface morphology conducive to osteoblast cell proliferation, thereby facilitating integration with bone tissue . These results demonstrate that zeolite provides valuable contributions not only as a structural additive but also as a biologically active component . Silver (Ag) was added to the HAp composites in this study to impart antimicrobial properties. Silver is a well-known antimicrobial agent with the potential to reduce the risk of infections in biomedical applications, and it was used with similar objectives in this study. The incorporation of silver endowed the composite with antibacterial properties, enhancing its capacity to resist microbial colonization and, consequently, increasing the material's protective potential against infections. Antimicrobial tests on silver-containing composites revealed that these materials exhibited effective resistance against bacteria . Furthermore, cell culture experiments showed that silver-doped composites demonstrated high cell adhesion rates, significantly enhancing the biocompatibility of the material . This study thoroughly examines the effects of incorporating silica, zeolite, and silver into HAp-based composites, highlighting the contributions of these additives to the overall performance of the composite. The findings indicate that silica is an ideal additive for improving the mechanical strength of the composite, while zeolite offers significant advantages in terms of both mechanical strength and biocompatibility. Silver, on the other hand, adds antimicrobial properties, thereby enhancing the potential of the composite for use in biomedical applications . This thesis provides valuable contributions to the development of HAp-based biocomposites and offers new approaches for designing high-performance materials, particularly for use in bone tissue engineering. The findings suggest that silver-enhanced composites are particularly suitable for orthopedic implants and dental applications, as they reduce infection risk while enhancing biocompatibility. In conclusion, this study presents innovative strategies for the development of biomaterials and provides a solid foundation for future research. The data obtained offer critical insights into the biomedical engineering applications of HAp-based composites.