Hidroksiapatit Katkılı BN ve BaTiO3 Biyo-piezoseramiklerin Üretimi ve Karakterizasyonu

Abstract

Kemik dokusu doğal piezoelektrik özelliklere sahiptir. Bu özellik temel alınarak, elektriksel uyarı oluşturabilen biyomalzemeler geliştirilmektedir. Geliştirilen bu materyaller, hücre proliferasyonunu artırmakta, antibakteriyel etki göstermekle birlikte kemik rejenerasyonunu desteklemekte ve mekanik dayanım açısından da uygun özellikler sergilemektedir. Yüzeyde oluşan elektrik yükleri, iyonik etkileşimleri kolaylaştırarak mineralizasyon sürecini hızlandırmakta ve böylece kemik iyileşmesini teşvik etmektedir. Bu çalışmada, uygun piezoelektrik özelliklere sahip bor nitrür (BN) ve baryum titanatın (BaTiO₃), biyolojik olarak avantajlı hidroksiapatit ile bir araya katkılandırılması, kemik uygulamaları için gerekli fonksiyonel özelliklerin geliştirilmiştir. Hidroksiapatit, sol-jel yöntemiyle sentezlenmiş ve belirli oranlarda bor nitrür (BN), baryum titanat (BaTiO₃) eklenmiştir. Bu çalışmada, hidroksiapatit (HAp) katkılı BaTiO₃ kompozitleri %50, %60, %70 ve %80 %ağr. BaTiO₃ içeriğine sahip olacak şekilde hazırlanmıştır. Yapılan mekanik testler sonucunda en iyi mekanik dayanımın %80ağr. BaTiO₃ içeren kompozitte elde edildiği belirlenmiştir. X-ışını difraksiyonu (XRD) analizinde, 45.7°'de gözlemlenen pik, BaTiO₃'ün tetragonal fazına karşılık gelmekte olup piezoelektrik özelliğin varlığını doğrulamaktadır. BaTiO₃ oranları arasında en uygun kristal boyutları %60 ve %80 bileşimlerinde bulunmuş ve ortalama 32,6 nm olarak hesaplanmıştır. Bu değerler literatürdeki verilerle uyumlu olup, bu oranlarda malzemenin yapısal özelliklerinin iyi olduğunu ve biyouyumluluğunu ile piezoelektrik özelliklerini olumlu yönde etkileyebileceğini göstermektedir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri, BaTiO₃ oranının artmasıyla birlikte porozitenin azaldığını ortaya koymuştur. Ayrıca, %10 BN katkılı HAp kompozitlerinin SEM görüntülerinde BN parçacıklarının homojen bir şekilde dağıldığı, saf HAp'a kıyasla porozitenin azaldığı ve bunun sonucunda mekanik dayanımın arttığı gözlemlenmiştir.

Bone tissue exhibits natural piezoelectric properties. Based on these properties, biomaterials that enhance electric signals are developed. Surface electric charges generate, ionic effects increased cell proliferation, exhibit antibacterial effects, support bone regeneration, and improve mechanical strength. This study, investigating piezoelectric properties of boron nitride (BN) and barium titanate (BaTiO₃) doped hydroxyapatite (HAp) matrices, and biomaterials with enhanced functional properties were produced. HAp, was produced through the sol-gel method, and composite structures containing different amounts of BN and BaTiO₃ were prepared. The obtained mechanical test results indicate that the composites exhibited better mechanical strength than pure HAp. The composite with 80% BaTiO₃ and 20% HAp showed the highest mechanical strength. XRD analysis showed a peak at 45.7°, corresponding to BaTiO₃, indicating its positive effect on piezoelectricity. The most suitable crystallite sizes among the BaTiO₃ ratios were found in the compositions with 60% and 80% by weight, with an average size calculated as 32.6 nm. According to the literature, this size corresponds to a proper nanoscale crystal. In addition to structural properties, biocompatibility positively affected piezoelectric performance. SEM analysis showed that increasing BaTiO₃ content decreased porosity and improved mechanical properties. Additionally, SEM images of HAp composites with 10 wt% BN showed that BN particles were homogeneously distributed within the matrix, porosity decreased, and this structural change improved mechanical strength.