µ-plazma ark metal tozlu eklemeli imalat süreciyle geliştirilen Co–Cr–Mo alaşımına Ti ilavesinin mikro yapı ve mekanik özellikler üzerine etkisi

Daha uzun ömürlü dizler için daha dayanıklı metaller

Bir diz protezi aldığımızda, yıllarca, gün be gün bizim ağırlığımızı taşıyacağına güveniriz. Yine de gerçek protezler zamanla aşınabilir, gevşeyebilir veya çatlayabilir. Bu çalışma, yaygın olarak kullanılan bir implant metalini yalnızca daha güçlü ve daha sünek hale getirmeyi değil, aynı zamanda vücut için daha uyumlu kılmayı araştırıyor; bunu az miktarda titanyum ekleyerek ve hassas, 3B baskıya benzer bir işlemle üretim yaparak gerçekleştiriyor.

Neden yaygın bir implant metali yükseltmeye ihtiyaç duyuyor

Modern yapay dizler genellikle korozyona dirençli olması ve eklemde sürekli sürtünme altında iyi dayanması nedeniyle kobalt–krom–molibden alaşımlarından yapılır. Ancak bu alaşım çok serttir; bu durum yükü kemikten uzaklaştırarak zamanla kemiğin zayıflamasına yol açabilir ve alaşım içinde küçük gözenekler ile çatlaklar oluşarak protezin ömrünü kısaltabilir. Titanyum ve alaşımları kemik açısından daha dostça ve daha hafif olmasına karşın aşınmaya karşı o kadar dayanıklı değildir. Yazarlar her iki dünyanın en iyi özelliklerini birleştirmeyi amaçlayarak kobalt–krom–molibden karışımına ağırlıkça yalnızca %4 titanyum eklediler ve mikro-plazma ark metal tozlu eklemeli imalat süreciyle — ince ölçekli bir metal 3B baskı yöntemiyle — ürettiler.

Yeni tür bir diz metali yazdırmak

Alaşımdaki malzemeyi döküm veya lazer eritme ile toplu halde üretmek yerine ekip, metal tozlarını küçük bir plazma torcuna besleyen özel yapılmış beş eksenli bir makine kullandı ve malzemeyi ince katmanlar halinde bıraktı. Önce kobalt, krom, molibden ve yeni versiyon için titanyumun yüksek saflıkta tozlarını karıştırdılar, ardından kuruttular ve titanyum taban plakaya sekiz üst üste depozisyon yaptılar. Bu depozisyonlardan yoğunluk, gözeneklilik, sertlik ve çekme, basma ve eğme davranışını ölçmek için küçük test parçaları kestiler. Ayrıca örnekleri parlatıp kimyasal olarak aşındırarak metalin iç yapısını güçlü mikroskoplar altında incelediler ve mevcut farklı kristal fazları tanımladılar.

Titanyum eklendiğinde içeride neler oluyor

Orijinal alaşımda, araştırmacılar iki ana kristal forma sahip kobaltça zengin bir yapı, ayrıca sert krom karbürleri ve boşluklarla bağlantılı küçük çatlaklar gözlemlediler. Titanyum eklendiğinde metal içindeki taneler inceldi ve mikroçatlak sayısı azaldı. Titanyum içeren yeni bölgeler ortaya çıktı; yüksek sıcaklıkta kararlı bir faz ve sert takviye parçacığı gibi davranan kobalt–titanyum bileşiği dahil. Aynı zamanda genel gözeneklilik azaldı ve yoğunluk hafifçe düştü; bunun nedeni titanyumun kobalt, krom ve molibdenden daha hafif olması. Titanyum oksitten oluşan koruyucu bir film daha fazla oksidasyonu sınırlamaya yardımcı oldu ve bu da gözenek oluşumunu azalttı.

Mikroyapıdan gerçek dünya dayanımına

Bu iç değişimler belirgin performans kazanımlarına dönüştü. Titanyumla modifiye edilmiş alaşım daha yüksek sertlik değerleri gösterdi; bu, çökme ve aşınmaya karşı daha yüksek direnç anlamına geliyor. Çekme testlerinde daha yüksek akma dayanımı ve nihai çekme dayanımı sergiledi; aynı zamanda kırılmadan önce daha fazla uzadı; bu da hem daha güçlü hem de daha sünek hale geldiğini gösteriyor. Basma testlerinde yeni alaşım daha yüksek yükleri taşıdı ve kesit alanında daha büyük bir artış gösterdi; bu, kırılmadan daha fazla enerji absorbe edebildiğinin bir işareti. Üç nokta eğme testleri — implantların karşılaşabileceği düzlem dışı yüklemeyi taklit eden testler — de titanyum içeren versiyonu tercih etti; daha yüksek eğilme dayanımı ve kırılmadan önce daha fazla bükülme gösterdi. Daha ince taneler, daha az gözenek ve sert kobalt–titanyum parçacıklarının birleşimi, kalıcı deformasyona ve çatlak büyümesine yol açan kristal kafesteki küçük kaymaları engellemeye birlikte katkıda bulundu.

Gelecekteki diz implantleri için bunun anlamı

Genel olarak, az miktarda titanyum eklemek ve alaşımı mikro-plazma eklemeli imalat yoluyla şekillendirmek, standart kobalt–krom–molibden alaşımına kıyasla daha hafif, daha az gözenekli, daha sert ve çekme, sıkıştırma ve eğme açısından mekanik olarak üstün bir metal üretti. Biraz daha az sert ve yüke karşı daha hoşgörülü olduğu için metal ile kemik arasındaki sertlik uyumsuzluğunu azaltmalı ve söz konusu gerilim-kalkanı (stress-shielding) sorununu hafifletmelidir. Daha fazla biyolojik ve uzun dönem test gerekli olsa da, bu çalışma dikkatle ayarlanmış titanyum katkıları ve ileri metal 3B baskı tekniklerinin, daha uzun ömürlü, daha az arızalanan ve hastalar için daha doğal his veren diz implantlerine yol açabileceğini öne sürüyor.

Atıf: Negi, B.S., Arya, P.K., Jain, N.K. et al. Effect of Ti addition on microstructure and mechanical properties of Co–Cr–Mo alloy developed by µ-plasma arc metal powder additive manufacturing process. Sci Rep 16, 7308 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35741-w

Anahtar kelimeler: diz protezleri, kobalt krom alaşımı, titanyum takviyesi, eklemeli imalat, biyomedikal malzemeler