Application of chemical mechanical polishing process on titanium based medical implants

Abstract

Biomaterials are commonly used as implant materials in the body for dental prostheses, orthopedic applications, heart valves and catheters. Based on the research studies conducted up to date, titanium and its alloys are known to be the most biocompatible materials due to their surface properties as well as extraordinary mechanical properties. Processing methods for the implant materials also affect the surface properties and may lead to contamination that can lessen the biocompatibility and after implantation may cause infection on patients which can be up to 4% in numbers. Changing the surface roughness and forming a surface oxide film have been implemented through various methods in the literature to increase of the biocompatibility and to ensure bio-inertness to the implant material. Sand blasting and chemical etching methods are commonly used for patterning the titanium surfaces to alter the surface roughness which can cause surface contamination. However, the other alternative methods such as high temperature plasma coating and laser patterning are costly. In this dissertation, Chemical Mechanical Polishing (CMP) process is established as an alternative technique to the existing methods in the literature in order to change the implant material surface properties. CMP process is one of the methods used in the semiconductor industry to ensure surface planarization through simultaneous mechanical and chemical actions. The abrasive particles in the polishing slurries provide the mechanical effect during the process enabling nanometer level erosion and cleaning the implant from any potential contamination during its machining. The chemical components of the slurry including the stabilizers, pH adjusters and oxidizers, on the other hand, help form a passive oxide film coating the surface. Generally, CMP is used to form very smooth surfaces but it has been demonstrated that by changing the slurry particle size and the pad material properties, it is possible to generated controlled roughness on the polished surface as well. The protective nature of the generated oxide film enables planarization in semiconductor applications. In implant applications of CMP, it is believed to help reduce the contamination on the surface of the bio-implants in the body environment and reducing the infection risk by stopping the chemical reactions in-vivo. It has been shown in the literature that the application of CMP on Ti films has been successful in terms of creating a smooth surface and a TiO2 oxide film. However, its native oxide film after CMP has not been characterized fully for its protective nature other than the passivating properties of the Ti/TiN films in semiconductor CMP applications. Titanium oxide film is known to promote the biocompatibility, cell adhesion, formation of hydroxyapatite layers. Yet, the oxide films obtained by artificial oxidation methods result in thick films and have porous structures. Therefore, in this study, CMP process has been applied to the Ti plates synergistically to remove the potentially contaminated surface layers and induce controlled roughness on the implant surfaces. In addition, the treated surface oxide layers have been characterized for the nature of the metal oxide layers in terms of their self-protective properties. Furthermore, biocompatibility of the CMP implemented surfaces have been evaluated through cell growth and infection resistance capabilities through biofilm analyses and optimal surface parameters were determined according to the desirability of the surface responses which help promote the cell behavior.In terms of carrying the results of this dissertation to the future studies, development of a 3 dimensional CMP process considering the 3-D nature of the implants is the most important necessity. The application of the 3-D CMP process on the implant surfaces is believed to be both an economical and more effective method on structuring the surface of the titanium based bio-implants. It is aimed to further develop a CMP driven surface nano-structuring methodology to create engineered surfaces on the Ti based bio-implants with self-protective surfaces to minimize chemical and bacterial reactivity, while promoting their biocompatibility through simultaneous surface patterning.Biyomalzemeler vücutta implant malzemesi olarak diş protezlerinde, ortopedik uygulamalarda, kalp kapakçığı ve kataterlerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Günümüze kadar yapılan araştırmalar sonucunda titanyum ve alaşımları sahip oldukları yüzey özelliklerinin yanı sıra olağanüstü mekanik özellikleri ile de en biyouyumlu malzemeler arasında yer almaktadırlar. İmplant malzemesinin işlenme prosesi de yüzey özelliklerini etkilemekte ve kontaminasyona neden olabilmektedir bu da biyouyumluluğu azaltmakta ve hastalarda implante edildikten sonraki süreçte bulgulanan ve %4 oranlarına ulaşabilen enfeksiyonlara neden olmaktadır. İmplant malzemelerin biyouyumluluğu ve biyoinertliğini arttırmaya yönelik malzemenin yüzey pürüzlülüğünün değiştirilmesi ve yüzeyde oksit film oluşturulması çeşitli yöntemler ile literatüre kazandırılmıştır. Yüzey pürüzlülüğünü değiştirmek amaçlı desenlemede genellikle kullanılan kumlama ve kimyasal aşındırma yöntemleri implant malzemesi yüzeyinde kontaminasyona neden olmaktadır. Ayrıca kullanılan diğer alternatif yöntemler olan yüksek sıcaklıkta plasma kaplama ve lazer ile desenlendirme yöntemleri ise yüksek maliyetlere neden olmaktadırlar. Bu proje kapsamında implant malzeme yüzeylerinin işlenmesi için literatürde var olan yöntemlere alternatif olarak Kimyasal Mekanik Cilalama/Düzlemleme (CMP) prosesi getirilmiştir. CMP prosesi yarıiletkenler endüstrisinde kullanılan yöntemlerden biri olup aynı anda yüzeyi hem mekanik hem de kimyasal olarak düzlemleyebilmektedir. Proses sırasında kullanılan slurry içerisindeki aşındırıcı kimyasallar mekanik etki sağlayarak yüzeyde nanometre seviyelerinde aşınım sağlanarak üretim sırasında oluşan potansiyel kontaminasyondan arındırılmış yüzeyler oluşturulmaktadır. Diğer taraftan slurrynin kimyasal bileşenlerini oluşturan stabilizatörler, pH ayarlayıcı ajanlar ve oksitleyiciler yüzeyde pasif oksit film kaplaması oluşturmaktadırlar. CMP genel olarak pürüzsüz yüzeyler oluşturmak amaçlı kullanılsa da cilalanan yüzeylerde kullanılan süspansiyonların tane boyutu ve cilalama pedinin dokusu değiştirilerek kotrollü bir pürüzlülük oluşturmak amaçlı kullanılabileceği de daha önceki çalışmalarda gösterilmiştir. Kimyasal olarak değiştirilmiş bu filmin reaksiyonu durduran koruyucu bir oksit tabakası olması yarıiletken uygulamalarında düzlemlemeyi sağlamaktadır. CMP'nin implantlara uygulanması sonucunda ise kimyasal reaksiyonları durdurarak yüzeyde oluşabilecek kontaminasyon ve enfeksiyon riskini azaltacağı düşünülmektedir. Literatürdeki sınırlı çalışmada implant malzemesi olarak kullanılan Ti filmler üzerindeki CMP uygulamalarının pürüzsüz bir yüzey ve TiO2 oksit filmleri oluşturduğu belirtilmiştir. Ancak CMP prosesi sonucu biyoimplantlar üzerinde oluşan titanyum oksit filmin koruyucu özellikleri karakterize edilmemiş olmakla beraber, yarıiletkenler teknolojisinde kullanılan Ti/TiN filmlerin CMP sırasında pasif edici özellikleri bilinmektedir. Oluşturulan titanyum oksit filmlerin hücre tutunmasını, biyouyumluluğu ve hidroksiapatit tutunmasını arttırdığı bilinmektedir fakat oluşturulan oksit filmlerin çoğu yapay oksidasyon yöntemleri ile elde edildiklerinden kalın ve gözenekli bir yapıya sahiptirler. Bu filmler gözenekli yapıları nedeniyle alt katmanda bulunan ana metal malzemenin inertliğini sağlayamamakta ve kontaminasyonu engelleyememektedir Bu nedenle bu çalışmada, CMP prosesi uygulanarak implant malzemesi olarak kullanılan Ti plakalar üzerinde kontaminasyona maruz kalmış olabilecek üst tabakanın aşınımını ve aynı zamanda yüzeyde kontrollü nano/mikro boyutta pürüzlülük oluşumu sağlanmıştır. Ayrıca CMP ile metal yüzeylerde oluşan korunumlu metal oksit tabakaların yapısı yüzeydeki kimyasal reaksiyonu sınırlamak açısından karakterize edilmiştir. CMP ile işlenen yüzeyleri biyouyumluluk ve biyofilm oluşumuna direnç açısından da karakterize edilmiş ve hücrelerin uyumluluklarına bağlı olarak hücre tutunmasını artmaya yönelik optimal yüzey özellikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Tez çalışmasının sonuçlarını ileriki aşaması düşünüldüğünde, implant malzemelerin üç boyutlu yapısı gözönüne alınarak 3-D çalışabilecek bir CMP prosesi geliştirmektir en önemli gereksinimdir. CMP tekniğinin titaniyum bazlı biyo-implantlar üzerinde üç boyutlu uygulamalarının diğer alternatiflere göre hem çok daha ekonomik hem de çok daha etkili bir yöntem olacağı düşünülmektedir. Titanyum ve titanyum alaşımlı biyolojik implantlar üzerinde CMP ile oluşturulacak nano-desenli yüzeylerin kendinden korunumlu oksit tabaka ile kimyasal ve bakteriyel reaksiyonları önlemesi ve aynı zamanda yüzey desenlemesi ile de biyouyumluluğu arttırması amaçlanmaktadır.