EFFECT OF COPPER CONTENT ON THE WEAR, CORROSION AND ANTIBACTERIAL PROPERTIES OF Ti-Nb ALLOYS

Abstract

ABSTRACT

Titanium and its alloys have various biomedical applications due to the combination of mechanical, physical, and chemical properties such as low density, high mechanical strength, high corrosion resistance, and good biocompatibility. During this research, four alloys (Ti-18Nb-xCu) were prepared by powder metallurgy with four different weight percent Cu (0, 5, 7, and 9 weight percent), and their corrosion behaviour, wear resistance, and antibacterial properties were investigated. Biocompatible materials were created by mixing metal powders, compacting them, and then sintering them. It took a combination of titanium (Ti), niobium (Nb), and copper powders (Cu) to make this product suitable for use in the medical field. Testing was done to determine the properties of the already compacted and sintered material, with the ultimate goal of using this material in implantable medical devices. There is something called green compacted as the result of compacting the metallic powder mixture in a hydraulic press equipped with two punches and an open die. The next step was to sinter the materials in the temperature-controlled furnace at the appropriate temperature for each group of specimens after they had already been compacted. It turns out that Ti-18Nb-7Cu alloy has the lowest wear rate thanks to the hard Ti2Cu phase, which forms most frequently when Cu content is 7 percent or higher. Micro-galvanic cells formed more readily on the alloy surface due to the different corrosion behavior caused by variations in the cathodic and anodic sites formed during the formation phase. According to results from an Atomic force microscopy (AFM) analysis of Ti alloy with 7 % Cu, surface roughness was greatest. This thesis's findings show that using Cu close to cells and bacteria necessitates a dose-dependent approach to material design to develop antibacterial materials that do not harm tissue. Various alloys can be designed to have antibacterial properties and mechanical and corrosion properties appropriate for their intended use. With further development in this area, antibacterial titanium alloys could benefit both the implant industry and the patients they are intended to help.

ÖZET

Titanyum ve alaşımları, düşük yoğunluk, yüksek mekanik dayanım, yüksek korozyon direnci ve iyi biyouyumluluk gibi mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerin birleşiminden dolayı çok çeşitli biyomedikal uygulamalara sahiptir. Bu araştırma sırasında, dört farklı ağırlık yüzdesinde Cu (ağırlıkça %0, 5, 7 ve 9) ile toz metalürjisi yöntemiyle dört alaşım (Ti-18Nb-xCu) hazırlandı ve korozyon davranışları, aşınmaya karşı dirençleri ve antibakteriyel özellikleri araştırıldı. Biyouyumlu malzemeler, metal tozlarının karıştırılması, sıkıştırılması ve daha sonra sinterlenmesiyle oluşturulmuştur. Bu ürünü tıp alanında kullanıma uygun hale getirmek için titanyum (Ti), niyobyum (Nb) ve bakır tozlarının (Cu) bir kombinasyonu kullanıldı. Halihazırda sıkıştırılmış ve sinterlenmiş malzemenin özelliklerini belirlemek için testler yapıldı ve nihai amaç bu malzemenin vücuda yerleştirilebilir tıbbi cihazlarda kullanılmasıydı. Metalik toz karışımının iki zımba ve bir açık kalıpla donatılmış bir hidrolik preste sıkıştırılması sonucunda ham yoğunlukta numuneler üretildi. Bir sonraki adımda, sıkıştırıldıktan sonra her numune grubu uygun sıcaklıkta sıcaklık kontrollü fırında sinterlendi. Cu içeriği yüzde 7 veya daha yüksek olduğunda oluşan sert Ti2Cu fazı sayesinde Ti-18Nb-7Cu alaşımının en düşük aşınma oranına sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Üretim aşamasında oluşan katodik ve anodik bölgelerdeki değişimlerin neden olduğu farklı korozyon davranışı nedeniyle alaşım yüzeyinde mikro galvanik hücreler daha kolay oluşmuştur. %7 Cu içeren Ti alaşımının atomik kuvvet mikroskobu (AFM) analizinden elde edilen sonuçlara göre, yüzey pürüzlülüğü en yüksek seviyededir. Bu tezin bulguları, hücrelere ve bakterilere yakın Cu kullanımının, dokuya zarar vermeyen antibakteriyel malzemeler geliştirmek için malzeme tasarımına doza bağlı bir yaklaşım gerektirdiğini göstermektedir. Çeşitli alaşımlar, kullanım amaçlarına uygun antibakteriyel özelliklere ve mekanik ve korozyon özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanabilir. Bu alanda daha fazla gelişme ile antibakteriyel titanyum alaşımları hem implant endüstrisine hem de yardım etmeyi amaçladıkları hastalara fayda sağlayabilir.