EĞİTİM BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
SERAMİK EĞİTİMİ ANA BİLİM DALI
TIBBİ MALZEME OLARAK SERAMİĞİN KULLANIM ALANLARI
ÖZELLİKLERİ VE ÖNEMİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Hazırlayan
Nuran KAYA
SERAMİK EĞİTİMİ ANA BİLİM DALI
TIBBİ MALZEME OLARAK SERAMİĞİN KULLANIM ALANLARI
ÖZELLİKLERİ VE ÖNEMİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Nuran KAYA
Danışman:Yrd.Doç. Olcay BORATAV
i
048137201 no’lu Nuran KAYA’nın Tıbbi Malzeme Olarak Seramiğin Kullanım Alanları Özellikleri ve Önemi başlıklı tezi 06 Haziran 2010 tarihinde, jürimiz tarafından Gazi Üniversitesi Eğitim Bilimleri Enstitüsü Seramik Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans Tezi olarak kabul edilmiştir.
Adı, Soyadı İmza
Üye ( Tez Danışmanı ) : Yrd. Doç.Dr. Olcay BORATAV ……….
Üye : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ÖZÇELİK . …………...
ii
BORATAV’a, engin bilgilerini paylaşan Prof.Dr. Hüseyin BORMAN, Doç.Dr.A.Ebru ABALI, ve Doç. Dr. Cem ÇETİNŞAHİN’E , ingilizce çevirileri için kardeşim Sinan KAYA’ya ve tez süresince destek olan eşim Azadi ERDOĞAN’a; teşekkür ederim.
iii ÖNEMİ
KAYA, Nuran
Yüksek Lisans, Seramik Eğitimi Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Olcay BORATAV
Ocak-2010, 83 sayfa
Bu çalışmada biyomalzeme olarak seramiğin kullanım alanları, özellikleri ve önemi araştırılarak biyoseramik; yapı, tür ve biyouyumluluğu açısından ele alınmış, tıbbi alanda ve insan hayatındaki yeri anlatılmıştır. Biyomalzeme kavramı genel olarak anlatılmış, biyomalzemelerin sınıflandırılmaları yapılarak inflamasyon ve enfeksiyon gibi vücudun biyomalzemelere verdiği tepkilere değinilmiştir. Seramiklerin biyouyumluluğu anlatılarak biyoseramiklerin mineral yapılarına, doku cevabına ve yapısal işlevlerine göre sınıflandırılmaları yapılmış, tercih edilme oranını arttıran özellikler sıralanmıştır. Biyoseramikler oksit seramikleri, alümina, zirkonya ve kalsiyum-fosfat seramikleri olarak türlerine göre anlatılırken kalsiyum fosfat seramiklerinin bir çeşidi olarak hidroksi apatit, özellikle gelecek vadeden bir biyomalzeme olduğu için detaylandırılarak biyouyumluluğu, üretim yöntemleri, klinik uygulamaları, kullanımı ve oluşum mekanizması açısından maddelenerek anlatılmıştır.
Biyoseramikler uygulama alanlarına göre de sınıflandırılmışlardır Zirkonyum oksit seramikleri, alüminyum oksit seramikleri ve biyoaktif cam-seramikleri kullanım yerlerine göre detaylandırılarak anlatılmıştır.
iv
Tüm bu bilgilerin ışığında bu araştırma bioseramiklerin kullanım alanları özellikleri ve önemi konusunda bir bilgi tabanı olusturmak için referans kaynak saglamaktadır.
Anahtar Sözcükler : Biyomalzeme, Biyoseramik, Biyouyumluluk Sayfa Adedi : 83
v KAYA, Nuran
Master’s Degree, Department of Ceramics
Thesis Consultant : Assistant Professor Olcay BORATAV January-2010, 83 paces
In this study the fields of applications, properties, and significance of ceramics as biomaterials have been investigated, the structure of bioceramics, their types and biocompatibility have been dealt with, and their significance in medicine and human life has been narrated. The concept of biomaterials has been generally related, biomaterials have been classified and the reactions of the body to biomaterials such as inflammation and the infection and the healings in tho body. The biocompatibility of ceramics has been narrated and bioceramics have been classified with regard to their mineral structures, tissue responses, and stuructural functions and their properties leading an increase in the rate of their preference have been listed. While the bioceramics have been examined and narrated according to their types as oxide ceramics, alümina and calcium-phospate ceramics; a promising biomaterial, the hydroxyl apatite as a variation of calcium phosphate ceramics has been explained in details with items in regard to its biocompability, production technigues, clinical applications , its production in artificial human fluids, and its mechanisms of existence.
Bioceramics have been classified also according to their fields of applications. Zirconium oxide ceramics, alüminium oxide ceramics and bioactive glass ceramics are details are given age by.
vi
on the application fields of bioceramics, their properties, and significance.
Key Words : Biomaterials, Bioceramic, Biocompatibility.
vii ÖZET………...iii ABSTRACT………iv İÇİNDEKİLER………v ÇİZELGELERİN LİSTESİ………..…vi ŞEKİLLERİN LİSTESİ………...….vii RESİMLERİN LİSTESİ………..…viii SİMGELERVE KISALTMALAR………..………..……ıx BÖLÜM I GİRİŞ………. ……..1 1.1. Problem……….. 1 1.2. Araştırmanın Amacı…..………. .. ….2 1.3. Araştırmanın Önemi ………..………..….. ..……..4 1.4. Varsayımlar.……….………..………...4 1.5. Araştırmanın Sınırlılıkları………..…….…………..……… ...5 1.6. Tanımlar………...5 1.7. Kısaltmalar………....……...7 BÖLÜM II 2.1. İLGİLİ ARAŞTIRMALAR………...9 2.2. KAVRAMSAL ÇERÇEVE………11 2.2.1. Biyomalzemeler ve Tarihçesi ………..11
viii
2.2.6. Biyoseramiklerin Uygulama Alanları……….………56
BÖLÜM III YÖNTEM………..…………..72 3.1. Araştırmanın Modeli………...72 3.2. Evren ve Örneklem………..…….72 3.3. Verilerin Toplanması………....72 3.4. Verilerin Analizi………...72 BÖLÜM IV BULGULAR VE YORUM………...73 BÖLÜM V SONUÇ VE ÖNERİLER………..74 KAYNAKÇA………..…...77
ix
2.1 İmplant ve cihazlarda kullanılan dogal ve sentetik malzemeler ... 15
2.2 Metal implant elementleri (Metallerin mekanik özellikleri)...17
2.3 Hidroksiapatit ve degisik malzemelerin mekanik özellikleri ... 20
2.4. Tıbbi uygulamalardaki Al2O3 seramiklerinin özellikleri... 22
2.5. İmplant doku ara-yüzey ilişkisini etkileyen faktörler………26
2.6. Biyoseramiklerin doku cevabına göre sınıflandırılması………29
x
2.2. H.A. kaplama işlemi ve apatit oluşumu………...51
2.3. H.A. kaplanmış malzemeye ait XRD grafiği….………51
2.4. H.A. kaplanmış malzemeye ait SEM……….………52
2.5. Metal kaplama ve seramik kaplama aşınma grafiği………..58
2.6. Seramik ve polietilen fonksiyonel aktivite grafiği……….61
2.7. Kuvars………62
xi
2.2. İlk implantlar……….13
2.3. Alümina ile üretilmiş malzemeler……….35
2.4. Zirkonya ile üretilmiş malzemeler………35
2.5. Kalsiyum seramiği örnekleri………...37
2.6. Kalsiyum seramiği üretimi……….…...37
2.7. H.A. yakından görünüm………..…..38
2.8. Kemik yapısı………..39
2.9. Kemiğin yakından görünümü………39
2.10. H.A. yakından görünümü……….…………39
2.11. Yapay göz uygulaması……….44
2.12. Çeşitli türde yapay gözler………44
2.13. Kalça protezi örnekleri………57
2.14. Weber ve Haris dizaynı kalça protezleri……….……… …59
2.15. Seramikten üretilen kalça ( solda ) ve diz ( sağda ) eklemleri…...60
2.16. Frit örneği……….………65
2.17. Tam seramik kuronlar……….………….67
2.18. Metal desteksiz tam seramik köprüler………..68
2.19. Metal destekli tam seramik köprüler………69
2.20. Çene rekonstrüksiyonları……….…...70
2.21. Orta kulak implantları……….………..70
BÖLÜM I
GİRİŞ
1.1. Problem
Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte her alanda olduğu gibi seramik alanında da gelişme olmuştur. Seramiğin alanına kimya, fizik, jeoloji, mühendislikler ve tıp gibi bilimler de dahil olmuştur. Amaç daha iyi, daha dayanıklı, daha hijyenik, daha fonksiyonel daha faydalı ve kusursuz malzemeyi elde etmektir. Tasarım kriterlerini yüksek hassasiyetle belirlemek, kisiye özel tasarım yapmak, mümkün olabildigince uzun süreli kullanım saglamak, tekrar üretilebilirlik ya da tamir kosullarını göz önüne almak, biyomalzeme üretim ve tasarımında gözetilmesi gereken kriterler olarak karsımıza çıkmaktadır .
Seramikler biyouyumluluk ve mekanik özellikler bakımından tıp alanında 1950’li yıllardan beri ortopedik implant üreticileri tarafından etkin şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Diş protez laboratuvar malzemesi olarak da kullanımı ise daha eski ve yaygındır.
Bilimsel anlamda yeni bir kavram olmasına karşın , uygulamada biyomalzemelerin kullanımı, tarihin çok eski zamanlarına kadar uzanmaktadır. Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler bunun en güzel kanıtlarıdır. Bronz ve bakır kemik protezlerinin kullanımı, milattan önceye kadar gitmektedir. Bakır iyonunun vücudu zehirleyici etkisine karşın 19.yy ortalarına kadar daha uygun malzeme
bulunmadığından bu protezlerin kullanımı devam etmiştir. 19. yy ortasından itibaren yabancı maddelerin vücut içerisinde kullanımına yönelik ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir. 1967 yılında Amerikan ordusundaki bir albay, Vietnam’daki genç askerlerin aldığı korkunç yaralar nedeni ile Hench’e yardım etmesini teklif eder. Bu tekliften sonra Hench yeni bir araştırma konusu oluşturur. Vücut yabancı maddeleri neden reddediyor? Kemikte Kalsiyum ( Ca ) ve Fosfat ( P ) olduğundan vücut, camları, seramikleri ve cam seramiklerini reddetmeyeceğini ve vücut ile uyumlu olabileceğini düşünüp, projesini orduya teklif eder. Çalışmalar sonucunda 45S5- Biyoglass adıyla anılan 1972 yılında bir babuna uygulanan biyoglas dişlerin yapışmasını inceleyerek, biyoseramikler konusunda bir dönüm noktasına imza atmışlardır.
İlk başarılı sentetik protezler iskeletteki kırıkların tedavisinde kullanılan kemik plakalarıdır.
Biyomalzeme, mühendislik bilimi için yeni bir alandır. Bu konuda yapılan modern anlamdaki bilimsel çalısmalar geçen yüzyılda baslamıstır. Kısa dönem İmplantasyolarında mekanik performans, biyouyumluluk ve korozyon dayanımı gibi kosullar saglanabilmis iken, uzun dönem implantasyonlarında daha yüksek asınma ve yorulma direncine sahip yeni malzeme arayışı sürmektedir.
1.2. Araştırmanın Amacı
Bu çalışmada amaç ; tıbbi malzeme olarak kullanılan biyoseramiklerin kullanım alanlarının özelliklerinin ve öneminin araştırılması, bu konuda bir bilgi tabanı oluşturulması için referans kaynak sağlanmasıdır. Bu amaç doğrultusunda aşağıdaki sorulara cevap aranacaktır.
2) Biyouyumluluk nedir?
3) Seramiklerin biyouyumlulukları nasıldır?
4) Biyoseramik nedir?
5) Biyoseramiğin tarihsel gelişimi nasıldır?
6) Seramiğin tıp alanında kullanımı nasıldır?
7) Biyoseramik türleri nelerdir?
8) Biyoseramiklerin kullanım amaçları ve sebepleri nelerdir?
9) Biyoseramiğin hammaddeleri nelerdir?
10) Biyoseramiğin özellikleri nelerdir?
1.3. Araştırmanın Önemi
Bu araştırma ile;
Tıbbi malzeme olarak biyoseramiğin kullanımı ile ilgili kapsamlı ve bütün halinde bir çalışma ortaya konulabilecektir.
Bu çalışma seramiğin toprak ve suyun bir araya gelmesinden itibaren başlayan serüveninin insanın hayal gücü, teknoloji ve bilimin yardımıyla ulaşabileceği noktalar konusunda bir fikir vermek ve insanlık tarihinin devam eden bu gelişim sürecine paralel olarak varlığını ve ilerlemesini giderek artan bir önem arzederek sürdüreceğini öngören bir çalışma olması açısından önemlidir.
Aynı zamanda bu yönde yapılacak çalışmalara yol göstermek açısından da bütün bilgiye ulaşılacak bir başvuru kaynağı oluşturabileceği umulmaktadır.
1.4. Varsayımlar
Araştırmada kullanılan literatür tarama yöntemi bulgulara ulaşmak için yeterlidir.
Biyoseramik malzemeler; tıp alanında önemi giderek artan ve yaygınlaşan biyomalzemeler olarak yerini almaktadır.
Biyoseramikler; bronz ve bakır gibi metal alaşımlara göre insan vücudu için daha çok uyumluluk gösteren malzemelerdir.
1.5. Sınırlılıklar
Araştırma için seçilen kaynaklar çalışmanın temelini oluşturmaktadır.Tıbbi alanında kullanılan tüm seramik ürünler tez konusu dahilinde olmasına rağmen kapsamının oldukça geniş olması nedeniyle araştırma seramiğin biyomalzeme olarak kullanılması ile sınırlandırılmıştır.
1.6. Tanımlar
Ampütasyon : Kol veya bacak gibi bir organın veya çıkıntı seklinde uzanan bir
olusumun kesilip çıkarılması
Artiküler : Eklemle ilgili
Artrodez : Eklemi olusturan kemik kısımların ameliyatla hareket
edemeyecek sekilde tespit edilmesi
Artroplasti : Ameliyatla suni eklem olusturma
Bioseramik: Canlı vücudu içerisinde kullanılmak üzere özel tasarlanmış seramik
Dental : Dişle ilgili
Greft : Bir yerden alınıp diger bir yere eklenen canlı doku parçası
Humerus : Omuz ile dirsek arasındaki uzun kemik, üst kol kemigi
İn vivo : Canlı içinde, canlı vücudunda
olusum içine hapsedilmis her hangi bir sey
İnternal : iç, içe yakın, iç kısımda bulunan
Kardiovasküler : Kalp ve kan damarlarıyla ilgili
Nanokemik: Moleküllerin kristalin yapısında değişiklikler yapılarak istenilen yapıda
elde edilen kemik türü.
Nekroz : Dokunun belli bir bölümünün herhangi bir sebeple hayatiyetini
kaybetmesi, doku ölümü
Osteojenik : Kemik olusması ile ilgili
Osteosentez : Kemik yapımı
Osteotomi : Kemigi kesme
Pelvis : Önde ve yanlarda kalça kemigi arkada sakrum ve koksiksden
meydana gelen kemik olusum, legen kemik
Posterior : Arka, arkada bulunan, arka kısımla ilgili
Proksimal : Gövdeye yakın, merkeze yakın
Radius : Dirsek ile bilek arasında yer alan iki kemikten dısta yer alanı
Rezeksiyon : Kesip çıkarma, organ veya olusumun bir bölümünü veya
Segment : Bir bütünün bölümlere ayrılmıs kısımlarından her biri
Seramik: Genel olarak fırınlanmış kilden yapılan nesneler, teknik açıdan, nesnenin
biçimlendirilmesinde plastikliği sağlayan kil ile fırınlama sırasında parçanın kırılmasını ya da çatlamasını önleyen kuvars ve bu ikisini bağlayan ergitici feldspat karışımından oluşan hamurla yapılan nesne ( Ecz.San.Ansp.,2003:1634)
Spinal : Omurga ile ilgili
Sütür : Dikis, dikmek
Triboloji: Sürtünme, aşınma ve yağlanma konularını inceleyen bilim ve teknoloji dalı
Vertebra : Omurgayı olusturan kemiklerden her biri.
1.7. Kısaltmalar
ADA: Amerikan Dişhekimliği Derneği
CA : kalsiyum
FDA: İlaç ve gıda idaresi
HA: hidroksi apatit
P: fosfat
PE : poli etilen
PP : poli propilen
PVC : poli vinil klorit
PMMA : poli metil met akrilat
PTFE : poli tetra flor etilen ( teflon)
PAN : poli akrilo nitril
PU : poli uretan
HEMA : hidroksi etil meta krilat BP : benzol peroksit
UHMWPE : ultra yüksek moleküler agırlıklı poli etilen
TCP: Trikalsiyum fosfat
BÖLÜM II
İLGİLİ ARAŞTIRMALAR VE KAVRAMSAL ÇERÇEVE
2.1. İLGİLİ ARAŞTIRMALAR
GÖKÇEK Ebru Işık (2006); Zonguldak Karaelmas Ünivesitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı’nda Yüksek Lisans öğrencisi “Ortopedik İmplant ve Protez Tasarımı İçin Biyomalzemelerin Mekanik Özelliklerinin Araştırılması” isimli tez çalışmasında metal,seramik, polimer ve kompozit malzemeler genel olarak ele alınmış, bunların ortopedideki kullanım alanları araştırılmıştır.
ÇELİK, Erdal- TEKMAN( 2004);, ÇağrıDokuz Eylül Üniversitesi mühendislik
Fakültesi ve Mühendislik Dergisi Cilt 6, Sayı 2, S 81-93 makalelerinde “ Diş Protez Laboratuar Malzemeleri “ ile ilgili çalışma yayınlanmıştır.
BAŞMAN, Gökhan- KAYALI, E.Sabri İstanbul Teknik Üniversitesi Metalurji
ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Öğretim Görevlisi Gebze İleri Teknoloji Enstitüsü Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Öğr. Gör. Erdem ATAR’ın Metalurji Dergisi Sayı 127, Sayfa 27-39 “ Seramik Malzemelerin Aşınma Davranışı “ isimli çalışması yayımlanmıştır.
SCHLICHTING Karin, DVM, DAHNE Michael, MD, and WEILER Andreas MD, Sports Med.Arthrosc. Rev. Dergisi Cilt 14, Sayı 3- Eylül 2006 tarihli
makalelerinde “ Biyouyumlu İmplantlar” ile ilgili çalışma yayınlamışlardır. Bu yazıda karışım implantlardaki biyouyumluluğun arttırılması ile ilgili araştırmalarında seramik parçacıkların kullanımı üzerine yapılan deneysel çalışmalar anlatılmıştır.
FISHER John , BSc, PhD, DEng; JIN Zhongmin , BSc, PhD; TIPPER Joanne , BSc, PhD; STONE Martin , MBChB, MPhil, FRCSEd; and INGHAM Eileen , BSc, PhD, Clinical Otrhopaedics and Related Research Dergisi No 453, sayfa
25- 34, 2006 tarihli yayımlanan makalelerinde femoral baş ve yataklarının klinik- tribolojik performanslarını geliştirmeye yönelik çalışmalar anlatılmaktadır. Bu araştırmada tüm materyallerin aşınma özellikleri belirlenmiş ve aşınmaya karşı direnci arttırabilmenin yolları araştırılarak anlatılmıştır.
PUNKE Christoph , ZEHLICKE Thorsten ,BOLTZE Carsten , and PAU
Hans Wilhelm Otology & Neurotology Dergisi 29. Sayı, Sayfa 807- 811, 2008 tarihli makalelerinde çok gözenekli yeni bir hidroksilapatite (HA) seramiğinin geniş açık mastoid çukurlarını yok etmede kullanılabilirliliği üzerine yepılan klinik çalışmalar anlatılmış,nanokemiğin hastaların açık mastoid oyuklarını yok etmede kullanılabilecek yeterlilikte bir materyal olup olmadığı araştırılmıştır.
Adı geçen çalışmalarda ortopedik implantlar veya diş protezleri ayrı ayrı araştırılmıştır. Ayrıca diğer malzemeler olan metal, polimer ve kompozit malzemelerin yanı sıra seramikte anlatılmıştır. Bu çalışmada ise biyomedikal olarak sadece seramiğin kullanım alanları araştırılmış ve daha geniş çerçevede ele alınmıştır. Bunun yanı sıra seramik malzemelerin sadece aşınma davranışları değil, iletkenlikleri,biyouyumlulukları, alaşımları, ağırlıkları, direnç özellikleri, toksik özellikleri gibi etkenlerde araştırılmıştır.
2.2. KAVRAMSAL ÇERÇEVE
2.2.1. Biyomalzemeler ve Tarihçesi
Biyomalzeme, ilaçlar hariç tutulmak kaydıyla, herhangi bir madde, veya sentetik yada dogal maddelerin bir kombinasyonudur. Biyomalzemeler herhangi bir zaman periyodunda, herhangi bir doku, organ veya vücudun bir fonksiyonunu tedavi eden, destekleyen veya yerine geçen bir sistemin bütünü ya da sistemin bir parçasıdır.
Biyomalzeme, mühendislik bilimi için yeni bir alandır. Bu konuda yapılan modern anlamdaki bilimsel çalısmalar geçen yüzyılda baslamıstır. Kısa dönem implantasyolarında mekanik performans, biyouyumluluk ve korozyon dayanımı gibi kosullar saglanabilmis iken, uzun dönem implantasyonlarında daha yüksek asınma ve yorulma direncine sahip yeni malzeme arayısı sürmektedir.
Yapay malzemelerin canlı dokularda kullanılması fikri antik çaglara dayanır. Eski Mısır medeniyetlerinden zamanımıza ulasan duvar resimleri, kırılan kemiklerin tedavisi için çesitli usullerin düsünüldügünü göstermektedir. (Şekil 2.1.)
İlk implantlar organik maddelerden, saf metallerden ve basit alasımlardan yapılmıstır19.yüzyıl ortasından itibaren yabancı malzemelerin vücut içerisinde kullanımınaynelik ciddi ilerlemeler kaydedilmiş örneğin 1880’de fildişiprotezler vücuda yerleştirilmiştir. (Şekil 2.2) 1900’lü yılların basında metal esaslı ortopedik implantlar ve kemik vidaları üzerinde çalısmalar yogunluk kazanmıs ve ilk kobalt esaslı implantlar 1924 yılında hayvanlarda denenmistir. Kobalt-krom implantlar da ilk kez 1938 yılında insanlarda kullanılmıstır. 1950 yılında bu implantların yerini hassas döküm teknigi ile imal edilen ve sekil olarak günümüzdekilere benzer implantlar almıstır.
Şekil 2.1.
Şekil 2.1
Avrupa Toplulugu 1990 Biyomekanik Toplantısı’nda verilen rakamlara göre bir yılda İngiltere’de 45.000, Avrupa’da 250.000, dünyada 500.000 femur bası implantı kullanılmaktadır. Aynı implantın yapılan gayri resmi istatistiklere göre Türkiye’deki kullanım miktarı yılda 20000’i bulmaktadır ( Akdoğan,1998:58 ) Dünya nüfusunun yaklasık olarak %10’u vücudunun çesitli yerleri için tıbbi bir tedavi ile yüz yüze kalmaktadır. Özellikle son 40 yıl içerisinde ortopedist ve mühendislerinçalısmalarıyla geliştirilen biyomalzemeler özürlü insanların yaşamsal islevlerini artırmaya yönelmiş, bu kişilerin yaşamlarını mümkün oldugu kadar normal insanların yaşamlarına
yaklaştırmaya yönelik uygulamalar ortaya çıkmıstır.(Battal,1996:47) .Biyomalzemeler insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamında kullanılırlar. Örneğin vücut sıvılarının pH değeri farklı dokulara göre 1 ila 9 arasında değişir. Günlük aktivitelerimiz sırasında kemiklerimiz yaklaşık 4 MPa, tendonlar ise 40-80 MPa değerinde gerilmeye maruz kalır. Bir kalça eklemindeki ortalama yük vücut ağırlığının üç katına kadar çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler sırasında ise bu değer vücut ağırlığının 10 katı olabilir. Vücudumuzdaki bu gerilmeler ayakta durma, oturma ve koşma gibi faaliyetler sırasında sürekli tekrarlanır. Biyomalzemelerin tüm bu zor koşullara dayanıklı olması gerekiyor. Geçmiste gerek tahta, kauçuk gibi doğal malzemelerin gerekse altın, cam gibi yapay malzemelerin biyomalzeme olarak kullanımı deneme yoluyla yapılmaktaydı. Vücudun bu malzemelere verdiği cevaplar son derece farklıydı.Belirli koşullar altında bazı malzemeler vücut tarafından kabul görürken aynı malzemeler kosullar degistiginde vücut tarafından reddedilebilmekteydi. Son 30 yıl içinde biyomalzeme/doku etkileşimlerinin anlasılması konusunda önemli bilgiler elde edilmiş bulunuyor .( Ayhan, H.,2002:17 )
Günümüzde önemi ve uygulama alanı gittikçe artan biyouyumlu, güvenilir ve etkin olan biyomalzemeler, insan vücudundaki organ ya da canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler olup, sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut sıvıları ile temas halindedirler (Pasinli, 2006). En önemli özellik biyouyumluluk olup, yapısal ve yüzey uyumluluğu olmak üzere iki şekilde
incelenebilir. Yüzey uyumluluğu, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal uyumluluk ise, malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur. (Wintermantel, 1996)
Bir doku hasar gördüğü veya işlevini yitirdiği zaman, hasarlı dokunun yerine sağlamının yerleştirilmesi iki şekilde gerçekleşmektedir; 1.Transplantasyon(nakil)
2.İmplantasyon(yerleştirme)
Transplantasyonda; hastanın kendi dokusu veya başka bir insandan ya da hayvandan alınan dokuların kullanımı söz konusudur. İmplantasyonda ise biyomalzemeler kullanılmaktadır. Ancak tüm implantların ömürleri sınırlıdır. Özellikle implantların dokulara biyoaktif
olarak sabitlenmesi, ortopedik protezlerin ömrünün uzamasında çok etkili olmaktadır.
Tıbbi uygulamalarda kullanılan biyomalzemeleri; sert doku yerine kullanılacak biyomalzemeler ve yumuşak doku yerine kullanılacak biyomalzemeler olarak iki grupta toplamak mümkündür. Ortopedik ve diş implantları, genelde metal ve seramiklerden hazırlanırken, kalp damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri, polimerlerden üretilmektedir. Bununla birlikte, metal-polimer veya polimer-metal
kompozit biyomalzemeler de farklı tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Örneğin, bir kalp kapakçığı, polimer-metal biyomalzeme, bir kalça protezi
de metal-polimer biyomalzemelerin kompozitlerinden oluşmaktadır (Gümüşderelioğlu, 2002).
Çizelge 2.1.. İmplant Cihazlarda Kullanılan Doğal ve Sentetik Malzemeler
2.2.2. Biyomalzemelerin Sınıflandırılması
Bazılarının biyouyumlulugunun tartısılmasına ragmen günümüzde kullanımı devam eden protez malzemeleri; metaller, polimerler, seramikler ve kompozitler olmak üzere dört ana grupta toplanabilir.
Metal ve metal alaşımları
Metaller birbirine metalik baglarla baglanan pek çok atomdan olusur. Her atomu çevreleyen yüksek hareketlilige sahip bir degerlik elektron bulutu vardır. Bu hareketlilik metallere elektrigi ve ısıyı iyi iletme özelligi kazandırır. Kristal yapıları ve sahip oldukları güçlü metalik baglar nedeniyle üstün mekanik özellikler tasıyan metal ve metal alasımlarının biyomalzeme alanındaki payı büyüktür. Bir yandan ortopedik uygulamalarda eklem protezi ve kemik yenileme malzemesi olarak kullanılırken, diger yandan yüz ve çene cerrahisinde, örnegin dis implantı gibi, ya da kalp damar cerrahisinde yapay kalp parçaları, katater, vana ve kalp kapakçıgı olarak da kullanılırlar.
İnsan vücudunda kullanılmak üzere gelistirilen ilk metal “Sherman-Vanadyum Çeligi”dir. Biyomalzeme üretiminde kullanılan demir, bakır, krom, kobalt, nikel, titanyum, tantal, molibden ve vanadyum gibi çok sayıda metal, az miktarda kullanılmak kosuluyla canlı vücuduna uygunluk gösterir. Vücut içerisinde fazla miktarda bulunması zararlı olan bu metaller metabolizmik faaliyetler sırasında da olusabilirler. Örnegin, kobaltın B12 vitamininden sentezlenmesi ya da demirin hücre fonksiyonu olarak meydana gelmesi gibi. ( Ayhan, H.,2002:17 )
Metallerin saf halde kullanım uygunlugu çok nadirdir. Günümüzde baslıca üç metal grubu ve bunların degisik türevleri ortopedi ameliyatlarında fabrikasyon protez malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bunlar paslanmaz çelikler, kobalt-krom esaslı alasımlar ve titanyum alasımlarıdır. Çizelge 5.1 de mekanik özellikleri verilmistir. En yaygın olarak kullanılan saf ya da alasım halindeki biyometaller ise; Mo, Co-Cr-W-Ni, Ti-Al-V, Co-Ni-Cr- Mo-Ti alasımları ile saf titanyum ve paslanmaz çelik çesitleridir. Metal implant elementleri Çizelge 2.2 de verilmistir ( Akdoğan, G.,1998:45)
Çizelge 2.2. Metallerin mekanik özellikleri
Asal metallerin dısında metaller yeryüzü kabugunun içinde mineral halde bulunur ve kimyasal olarak diger metallerle birlesmis olurlar. Örnegin metal oksit gibi. Bu metaller bulunmalı, daha uygun saf metale geçisteki islemler için önce çıkarılmalı ve ayrılmalıdır. Elde edilen islenmemis metal ürünler ingot halde üreticilere verilir. Çoklu bilesen içeren metalik implant alasımlarında, islenmemis metal ürün daha fazla ön isleme tabi tutulacaktır. Yeniden eritme, alasım elementlerinin eklenmesi ve katılastırma gibi. Bu safhalardan sonra istenen kendine has kesin kimyasal özelliklere sahip alasımlar elde edilebilir. Örnegin ASTM F138 316L paslanmaz çelik için, demir ile spesifik miktarda karbon, silikon, nikel ve krom alasımlanır. ASTM F75 veya F90 alasımı için kobalt ile spesifik miktarda krom, molibden, karbon, nikel ve diger elementler alasımlanır.
Seramikler ve camlar
Geçtiğimiz 40 yılda vücudun zarar gören veya işllevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması için özel tasarımlı seramiklerin geliştirilmesi ve kullanımı seramiklerin insan yaşamında yarattığı büyük bir devrimdir. Bu amaçla kullanılan seramikler, “biyoseramikler”olarak adlandırılmaktadır. Biyoseramikler,polikristalin yapılı seramik (alümina ve hidroksiapatit), biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler veya biyoaktif kompozitler (polietilen–hidroksiapatit) şeklinde hazırlanabiliyor. inorganik malzemelerin önemli bir grubunu oluşturan bu malzemeler,sağlık sektöründe çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktalar. Örneğin, gözlük camları, teşhis cihazları, termometreler, doku kültür kapları, endoskopide kullanılan fiber optikler, bunlar arasında sayılabilir. Çözünmez gözenekli camlar, enzim,antikor ve antijen taşıyıcı olarak da kullanılmakta. Mikroorganizmalara, sıcaklığa, çözücülere, pH değişimlerine ve yüksek basınçlara olan dirençlilikleri bu uygulamalar açısından büyük avantaj sağlıyor. Seramikler, dişçilikte dolgu malzemesi, altın-porselen kaplama ve protez parçaları olarak yaygın bir biçimde kullanılıyor ve“diş seramikleri” olarak isimlendiriliyorlar. Biyoseramikler, diş tedavisi dışında da sertdoku implantı olarak kullanılıyorlar.
Biyoseramikler, “biyoinert” ve “biyoaktif” olmak üzere iki grupta incelenebilir. Biyoaktif seramik, doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin veren seramiktir. Atomların birbirine sıkıca bağlı olmadığı ve hareket edebildiği metallerin aksine seramikler birbirine iyonakovalent bağlarla bağlı atomlardan oluşur. Bu atomik hareketsizlik seramiklerin ısıyı ve elektriği iletmesini engeller. Metallerin özelliklerinden çok farklı olan iki özelliği erime noktası ve gevrekliktir. Seramikler genelde 1000°C’ nin üstünde erir, yani çok yüksek erime noktalarına sahiptir ve aynı zamanda gevrektirler. Bu şu demektir; seramikleri eritmek çok pahalıdır ve soğuk islemek imkansızdır. Bazı seramikler inorganik camlar oluşturabilirler. Camlar düzenli
sıralanmış yapılara sahip olmadıklarından kristalin malzemelerinden farklıdırlar. Buz gibi kristaller kesin sıcaklıklarda eriyeceklerdir. Fakat camlar pek çok sıcaklıkta yumuşayacaklardır. Yaygın olan seramiklerin çoğu, alümina (Al2O3) ve silika (SiO2) gibi metal oksitlerdir. Seramikler aynı zamanda karpitler, nitritler, sülfitler ve silisitler gibi oksit olmayan bileşenleri içerir. Bazıları karbon (grafit ve elmas) ve silikon gibi tek elementten oluşan malzemelerdir. Bu metaller entegre devreler için kullanılırlar. Bazı seramikler de değişik elementler Si3Al3O3N5 (Siyalon) kemigin mineral hali olan Ca10(PO4)6(OH)2 (hidroksiapatit) veya süperiletken seramik YBa2Cu3O7-8 ve Bi2Sr2CaCu2O8 gibi tekil bilesikler olustururlar. Hidroksiapatitler kemiğin mineral fazındaki seramik halidir. Kalsiyumfosfat partiküllerinin reaksiyonu sonucu (CaHPO4 veya Ca4(PO4)2O vb.) elde edilen bir yapı türüdür. Çizelge 2.3 de hidroksiapatit ve değişik insan ve hayvan kemikleri ile bazı metallerin mekanik özellikleri bir arada görülmektedir.
Çizelge 2.3 Hidroksi apatit ve değişik malzemelerin mekanik özellikleri
Seramik malzemelerdeki atomik düzlükler dislokasyon mekanizması ile kaymazlar. Bir metal için dislokasyonu çevreleyen atomlar ve bağlar benzerdir Bunun
aksine seramikler yer değiştirmeyi engelleyen bağlara sahiptirler. Bu sebeple gevrektirler ve eğilemezler. Bunun yerine çatlarlar ve kırılırlar. Eğer bir metale vurulursa eğilerek veya deforme olarak enerjiyi soğuracaklardır. Eğer bir seramiğe vurulursa zorlanma enerjisini yüzeydeki serbest enerjiye çevirecektir ve bir çatlak oluşturacaktır. Seramikler genelde güçlü ve sert olduklarından mükemmel aşınma direncine sahiptirler. Aşınma durumlarında tanecik sınırlarında saf olmayan şeyler genelde hataya ve tanecik eskavasyonuna yol açar.
Seramikleri pekleştirmenin bir metodu da tanecikleri ve tanecik sınırlarını, çatlakların sınıra doğru gitmesini ve tanecik tarafından emilmesine yol açacak şekilde islemektir.
Başka bir yöntem ise yttria ve magnezyum, kısmen stabilize edilmiş zirkonya gibi bileşikleri geliştirmektir. Bu geliştirme söyle olur: Gerilme faz transformasyonuyla indüklenirse çatlak engellenir. Bu bileşenlerin çeşitliliği pek çok değişik özellik doğurur.Seramikleri ayırt etmenin bir yolu da onları bağ tiplerine göre ayırmaktır. Mesela silikon karpit veya elmas gibi malzemeler direkt kovalent bağlara sahiptirler. Bu bağlar çok kuvvetlidir ve atomun yerleştiği yere bağımlıdırlar. İyonik malzemelerdeki bağlar daha güçsüz ve direk olmayan bağlara sahiptirler. Seramikler ilk hallerinde pek çok biyomedikal uygulamalar için yüksek saflığa sahip olarak islenen tozlar halinde bulunurlar. Hammadde tozların uygun miktarı bir kalıp içerisinde karıştırılır. Daha sonra bu toz islenir ve son haline benzer bir sekle sokulur. Bu ısıl işlem uygulanmamış seramik yeşil cisim olarak adlandırılır. Daha sonra bu yeşil cisim tozun tekil yapıya geçtiği sinterleme sıcaklığına kadar ısıtılır. Sinterleşmeyle tozlar parçacıkların birleşerek tanecik oluşturduğu sert malzemeye dönüştürülür. Tanecikler kristalindirler ve amorf sınırlara sahiptirler. Daha sonra bu sinterlenmiş kısımlar son hallerine parlatma ve çekme metotlarıyla getirilirler. Camlar yumuşayana kadar ısıtılırlar ve halen sıcakken son hallerini almaları için dökülürler.
Seramiklerin korozyon uygulamaları gelişmeye devam etmektedir. Seramiklerin korozyon direnci, iyi aşınma özellikleri ve elektriksel yalıtkanlıkları büyük avantajlar sunar..(Santavirta,S,.2002: 26 ) Tıbbi uygulamalardaki Al2O3 seramiklerinin özellikleri aşağıdaki Çizelgede verilmiştir. Bu seramikler cerrahi uygulamalarda kullanılan ilk seramikler olup halen femur başı protezindeki sap başını oluşturmakta kullanılmaktadırlar.
Çizelge 2.4. Tıbbi uygulamalarda kullanılan Al2O3 seramiklerinin özellikleri
Polimerler
İsminden de anlaşılabileceği gibi polimerler birçok “mer”den veya temel yapı bloklarından oluşmuşlardır. Kovalent bağlarla bir arada tutulan karbon veya silikon atomlarının omurgaları ile uzun zincirlerden oluşmuşlardır. Belki de en basit ve yaygın olanı polyethylene (PE)’dir. PE pek çok etilen molekülünden oluşmuştur.
Polietilen (PE), poliüretan (PU), politetraşoroetilen (PTFE), poliasetal (PA), polimetilmetakrilat (PMMA), polietilenteraftalat (PET), silikon kauçuk (SR), polisülfon (PS), polilaktik asit (PLA) ve poliglikolik asit (PGA) gibi çok sayıda polimer, tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Her malzemenin kendine özgü uygulama alanı
mevcuttur. Polimerler, çok değişik bileşimlerde ve şekillerde (lif, film, jel, boncuk, nanopartikül) hazırlanabilmeleri nedeniyle biyomalzeme olarak geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Ne var ki, bazı uygulamalar için örneğin, ortopedik alanda mekanik dayanımları zayıftır. Ayrıca, sıvıları yapısına alarak şişebilir ya da istenmeyen zehirli ürünler (monomerler, antioksidanlar gibi) salgılayabilirler. Daha da önemlisi, sterilizasyon işlemleri (otoklavlama, etilen oksit, 60Co radyasyonu) polimer özelliklerini etkileyebilir.
2.2.3. Vücudun Biyomalzemelere Tepkisi
Vücudun biyomalzemelere cevabında rol oynayan hücreler eritrosit, lökosit ve trombositlerdir. Eritrositler oksijen taşınmasında görev alırlar. Lökositler bağışıklık sisteminde yer alan hücrelerdir. Lökositlerin alt tipi olan nötrofillerin fonksiyonu yabancı maddeleri içine almak ve yok etmek (yani fagositoz) olduğundan koruyucu mekanizma oluştururlar. Diğer bir grup olan monositler de fagositik hücrelerdir. Bunlar kan dolaşımından dokuya geçtiğinde görünümünü değiştirerek makrofajlara dönüşür.Makrofajlarda aktif olarak fagositoz yaparlar. Makrofaj fagositoz yaptıktan sonra diğer hücrelerle birleşerek dev hücre oluştururlar. Biyomalzemelerle ilgili olanı yabancı cisim dev hücresi olarak adlandırılır. Yabancı cisim dev hücrelerinin varlığı fagositik sistemin yabancı cismi yok etmede yeterli olmadığını gösterir. İnflamasyonun derecesine bağlı olarak doku harabiyeti oluşur ve normal dokunun kaybı, organ fonksiyonunun kaybı veya önemli kemik rezorbsiyonu ile sonuçlanabilir. Lökositlerin diğer bir alt grubu lenfositlerdir bunlar da immün sistemde rol alırlar. Trombositler ise pıhtılaşma mekanizmasında rol oynayan kan elemanlarıdır.
İnflamasyon
İnflamasyon herhangi bir damarlı dokunun doku yaralanmasına ilk cevabıdır. inflamasyonun dört ana belirtisi vardır. Bunlar kızarıklık, şişlik, ısı artısı ve ağrıdır. Bu cevap hızlı ve normal bir cevaptır. Uzamıssa bir problem vardır. Yaralanma yerinde ilk olarak eritrositler gelirler daha sonra nötrofiller yaralanmadan sonraki 24 saat içinde görülürler ve 3-5 gün görülmeye devam ederler. Bu evre akut inflamasyon olarak adlandırılır. Yaralanma kaynağı ortadan kaldırılırsa cevap sonlanır ve doku normal görünüme döner. Eğer yaralanma kaynağı ortadan kaldırılmaz ve cevap devam ederse inflamasyon kronik inflamasyonun çesitli evrelerine doğru ilerler. Bu devam eden cevapta nötrofiller yerlerini monosit / makrofaj serisinden oluşan büyük hücrelere bırakır. Bu hücreler de fagositiktir ve geri kalan doku debrisini ve savunma maddelerini temizlemeye çalışır. Görevlerini yapamadıklarında bir araya gelerek büyürler ve multinükleer dev oluştururlar. Bu kronik inflamasyonu olusturur ve genellikle doku veya organa zarar veren büyük doku debris kitlesiyle ilişkilidir. (Ege,R.,1989: 360-380)
Enfeksiyon
Deride veya mukoz membranlarda bir harabiyet olup bakteri girişi olduğunda enfeksiyon riski gelişir. Enfeksiyon varlığı inflamasyonun sonlanmasını önler ve kronik inflamatuar cevap gelişir. Bu durumda da yara iyileşmesi tamamlanamayacak ve yoğun skar dokusu gelişecektir. Yabancı cismin enfeksiyon üzerindeki etkisi şöyledir: Deri veya mukoz membranlar implantın iyileştirilmesine bağlı olarak hasara uğrarlar. Hasar ve yabancı cisim varlığı inflamatuar cevabı başlatır. Malzeme dokunun içindedir ve yara iyileşmesi etkilenecektir. Bakterinin varlığı da zaten var olan problemlere eklenecektir. Çok iyi bilindiği gibi yabancı cismin bulunması enfeksiyon riskini büyük oranda artıracaktır ve enfeksiyon oluşturmak için gereken bakteri sayısını 106’dan 102’ye düşürecektir. Sadece enfeksiyon riski artmakla kalmayıp bunu tedavi etmek de güçleşecektir. Tedavinin tek yolu implantı çıkarmaktır.
Sağlık harcamalarının büyük bir kısmını oluşturan implantların yarattığı enfeksiyon problemi mikrobiyoloji, enfeksiyon hastalıkları, malzeme bilimi ve dizaynı, yüzey kaplaması ve cerrahi alanında çalışan pek çok kişiyi ilgilendirmektedir.( Ege,R.,1989: 360-380)
Biyomalzeme kullanıldığı durumlarda iyileşme
İlk olarak biyomalzeme yerleştirilirken dokuya zarar gelir ve bir iltihap oluşur. Bunu yara iyileşme tepkisi takip eder. Eğer malzeme kısa bir süreliğine takılıp çıkarılırsa iyileşme normal bir şekilde gelişir. Ama eğer malzeme vücutta uzun süre kalırsa tepki değişir. Vücutta yabancı bir malzeme olduğundan normal doku iyileşmesi gerçekleşemez.Vücudun ilk reaksiyonu bu yabancı malzemeyi yok etmeye çalışmaktır. Fagositler gelirler ve normal görünen iltihap kronikleşir. Eğer fagositler tarafından yakalanabilir ve indirgenebilir bir malzeme değilse reaksiyon iki yoldan birini tercih edecektir. Bu iki yol iyilesme sürecinde genel tepki malzemenin çevresinde fibroz bir doku oluşturmaktır ki o malzemeyi vücudun kalan kısmından ayırsın. Genel olarak söyle bir inanıs vardır. Fibroz kapsül ne kadar ince olursa malzeme o kadar biyouyumluluğa sahiptir. Daha nadir görülen bir tepki ise iltihabın kronik şekilde devam etmesi sonuçta dev hücreler veya granülün oluşmasıdır. Bu olay malzeme biyouyumlu olmadığı zaman gerçekleşir ve konakçı doku hala onu nötralize etmeye çalıstığında görülür.
Vücudun malzemeye cevabı ile ilgili problemler oluşabilir. Deriye çok yakın implante edilen malzemelerde tepki fibroz katman oluşturup bu malzemeyi dış katmanlara taşımak seklinde olacaktır. Bu sebeple malzemeleri epidermis ve dermisin içinde tutması zordur.
Deriyi geçerek yerleştirilen araçlar çevrelerinde fibroz bir katman oluştururlar ve epidermis ile malzeme arasında temas biter. Böylece derinin koruyucu bariyer etkisi ortadan kalkar ve dış ortamdan derin dokulara doğru bir yol oluşur. Bu durumda
enfeksiyon oluşumu kolaylaşır. Fibroz kapsülünün oluşumu malzemenin biyouyumlu olduğuna dair bir kanıttır ve iyileşmenin erken basamağı olarak oluşur.
“Fibroz kapsülün oluşumu genellikle porozlanmıs malzemelerde gözlenmez. Eğer oyuklar yeteri kadar genişse lokal doku porların içine doğru büyüyecektir ve kapsül oluşturmayacaktır”.( Ferguson,A.B.,1960:97 )
2.2.4. Seramiklerin Biyouyumluluğu
Canlı dokuya yerleştirilen tüm malzemeler, bu dokudan tepki alırlar. Bu tepki doku-implant ara yüzeyinde oluşur ve Çizelge 2.4.’de sıralanan çeşitli faktörlere bağlı olur. Bu faktörlere bağlı olarak implant malzemeye olan doku cevabının dört türünden bahsedilebilir.
Çizelge 2.4.İmplant doku arayüzey ilişkisini etkileyen faktörler
:
* Malzeme toksikse, çevresindeki doku ölür.
* Malzeme toksik değil ve biyoinertse, değişik kalınlıkarda fibroz doku oluşumu
gerçekleşir.
* Malzeme toksik değil ve biyoaktifse, dokuimplant arayüzeyinde bağlanma gerçekleşir. * Malzeme toksik değil, fakat çözünür yapıdaysa, çevresindeki doku, implantın yerini
Biyoseramiklerin türüne bağlı olarak gözlenen doku cevapları farklı olur. Ayrıca Şekil 2.3. ’de yer alan diğer faktörlerin de bu cevaplardaki etkisi unutulmamalı.
Seramik implantların en ilgi çekici özelliklerinden biri, doku için zehir etkisi oluşturmamaları. Dokuların çok karşılaşılan bir tepkisi de, dokunun implant çevresinde ipliksi bir kapsül üretmesi. Bu ipliksi doku, organizma tarafından implanta karşı bir duvar örmek için veya implantı izole etmek için üretilir. Kısacası, bir çeşit korunma mekanizmasıdır ve implant, zamanla ipliksi doku ile tamamen kaplanarak doku yüzeyinden uzaklaştırılır. Metaller ve çok sayıda polimer, bu çeşit bir tepkiye neden olurlar. Alümina ve zirkonya gibi hemen hemen inert sayılabilecek seramikler de, ara yüzeyde ipliksi doku oluşumuna neden olurlar. Ancak, optimum koşullarda bu doku son derece incedir. Kimyasal reaktifliği çok yüksek olan metal implantlardaysa daha kalın ara yüzey tabakaları oluşur.
Ara yüzeydeki uyumluluk ve hareketlilik de tabakanın kalınlığını büyük ölçüde etkiler.Üçüncü bir doku tepkisiyse, implantla doku arasındaki ara yüzeyde bağlanmanın gerçekleşmesidir. Bu yüzey, “biyoaktif yüzey” olarak adlandırılır. Bağlanma, implantla doku arasındaki hareketliliği engeller, ayrıca implantın vücut tarafından dışlanması da engellenmiş olur. Dördüncü tür etkileşimdeyse, implant malzeme, onarım işlemi tamamlandığında çözünür ve kendisini çevreleyen doku tarafından emilerek yok edilir. Bu nedenle emilebilir (rezorbe edilebilir) cinste biyomalzeme kullanıldığında, bu malzemenin vücut sıvılarınca kimyasal açıdan parçalanabilir yapıda olmasına dikkat edilmeli. Bozunma ürünleri de zehirli olmamalı ve hücrelere zarar vermeden dokudan uzaklaştırılmalı. Tablo 2’de biyoseramik türüne bağlı olarak gözlenen doku cevapları özetlenmiş bulunuyor.
Alümina ve zirkonya, çok iyi mekanik uygunluk sağlayacak şekilde dokuya yerleştirildiklerinde (morfolojik sabitleme) ara yüzeyde hareket oluşmayacağından, klinik açıdan başarılı olacaklardır. Ancak, bu tür implantlar ara yüzeyde hareket olacak
şekilde yerleştirildiklerinde, fibroz kapsül birkaç yüz mikrometre kalınlığa ulaşabilir ve implant çok çabuk gevşer. Sonuç klinik açıdan başarısızlık. Gözenekli implant durumunda, dokunun canlı ve sağlıklı kalabilmesi için gözenekler 100-150 mikrometre çapa sahip olmalılar. Bu tür büyük gözenek boyutu, implanttaki kılcal boşlukların içerisinde büyüyen dokulara kan sağlanabilmesi için gerekli. İmplant ve doku ararsındaki üremeye bağlı olarak artan ara yüzey alanı, implantın hareketine karşı artan bir direnç oluşturur. Ara yüzey, gözeneklerde büyüyen doku ile belirlendiğinden, bu tür etkileşim, “biyolojik sabitleme” olarak adlandırılır. İmplant olarak gözenekli metal kullanıldığında, büyük ara yüzey alanı doku içerisinde metal iyon kaybına ve metal implantın korozyonuna neden olabilmekte ve bu da tıbbi açıdan sorunlara yol açmakta. Ancak, yüksek gözeneklilik her tür malzemenin dayanımını düşürür. Sonuç olarak, metal alaşımlar üzerine gözenekli seramik kaplamalar ve dokulardaki boşlukları doldurucu malzemelerin kullanılması, ara yüzey kararlılığını sağlamak için en uygun yaklaşım.
Emilebilen implantlar, belli bir kullanım periyodunda dereceli olarak bozunacak şekilde tasarlanmışlardır ve sonuçta yerlerini ev sahibi dokuya bırakırlar. Bu durumda ara yüzey kalınlığı ya çok incedir, ya da hiç olmaz. Ara yüzey kararlılığına bağlı problemlerin çözümü açısından, emilebilen implant kullanımı uygun gözükmekte. Emilebilen seramik implantların geliştirilmesinde dikkat edilecek noktalarsa şöyle sıralanabilir:
1) Bozunma süresince ara yüzey kararlılğı ve dayanımı korunmalı.
2) Doku türüne, yaşına ve sağlık durumuna bağlı olan doku yenileme hızı, emilme hızına uygun olmalı.
3) Malzeme, yalnızca metabolik olarak kabul edilebilecek maddeleri içermeli. Aksi halde kronik iltihaplanma olur ve ağrı başlar.
Trikalsiyum fosfat (TCP) seramikleri, gözenekli ve emilebilen malzemelerdir. Çene veya baş ile ilgili düşük mekanik dayanımın gerektiği uygulamalarda sert dokunun yerini alırlar. Emilebilen biyoaktif camlar da, kemiklerin yeniden üretilmesinde giderek artan bir biçimde kullanılmakta.
Ara yüzey problemlerinin çözümünde diğer bir yaklaşımsa, biyoaktif malzemelerin kullanılması. Bu malzemeler, ara yüzeyde kendine özgü bir biyolojik tepki oluştururlar ve sonuçta malzeme ve dokular arasında kemik oluşumu gerçekleşlir. Bu yaklaşımla, bağlanma süresi, dayanımı ve mekanizması birbirinden farklı olan çok sayıda biyoaktif malzeme üretilmiş bulunuyor. Bu gruptaki malzemeler, biyoaktif camlar, örneğin Bioglass; biyoaktif cam-seramikler, örneğin Ceravital, A-W cam seramik; yoğun HA, örneğin Durapatite ve Calcitite ve biyoaktif kompozitler, örneğin, HA-PE, HA-Bioglass, paslanmaz çelik lifler ile güçlendirilmiş Bioglass.
Çizelge 2.5.Biyoseramiklerin doku cevabına göre sınıflandırılması
Al2O3 seramikler cerrahide kullanılan ilk seramik malzemeler olmuslardır. Günümüzde de femur bası protezlerinde kullanılmaktadır. Biyouyumluluk testleri olumlu sonuçlar vermistir.
Hidroksiapatitlerin insandan alınan lenfosit doku kültürü üzerindeki çalısmalarda inert oldugu görülmüs ve klinik çalısmalar için uygun bulunmustur.
Hidroksiapatitin serum sıvısı içindeki davranısının incelendigi bu arastırmada da sıvının malzeme ile reaksiyona girmedigi gözlenmistir. (Martin,R.,1994 )
2.2.5. Biyoseramikler
Biyoseramikler, polikristalin yapılı seramik (alümina ve hidroksiapatit), biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler ve biyoaktif kompozitler (polietilen-hidroksiapatit) seklinde hazırlanabiliyor. İnorganik malzemelerin önemli bir grubunu olusturan bu malzemeler, saglık sektöründe çok çesitli uygulamalarda kullanılmaktalar. Örnegin, gözlük camları, teshis cihazları, termometreler, doku kültür kapları, endoskopide kullanılan fiber optikler, bunlar arasında sayılabilir. Çözünmez gözenekli camlar, enzim, antikor ve antijen tasıyıcı olarak da kullanılmakta. Mikroorganizmalara, sıcaklıga, çözücülere, pH degisimlerine ve yüksek basınçlara olan dirençleri bu uygulamalar açısından büyük avantaj saglar.Biyoseramikler, dis tedavisi dısında da sert doku implantı olarak kullanılırlar
Biyoseramik Türleri
Biyoseramikler, “biyoinert” , “biyoaktif” ve ‘’biyobozunur’’ olmak üzere üç grupta incelenebilir.
Biyoinert seramikler
Biyoinert seramikler iyi sürtünme özeliklerinden dolayı yapay eklemlerde kullanılır. Biyoinert maddeler toksik değildir ve biyolojik olarak aktif değildir. Kemikte kırığın oluşturduğu boşluk zamanla kan pıhtısı ile dolar. Kemikteki boşluğa implant yerleştirildiğinde orijinal doku implantın çevresinde lifli yeni bir doku oluşturur. Oluşan doku orijinal dokudan implantı ayırır ve kemiğin içine gelişerek kemik ile mekanik bir bağ oluşturur.
Biyoinert seramikler alüminyum oksit ve zirkonyum oksiti içerir. Alüminyum oksit ve zirkonyum oksit seramikleri vücutta korozyona uğramadığı için iskelet kısımlarının onarımında kullanılır. İnsanlarda Alüminyum oksit seramiği kalça protezinde ve diş implantlarında kullanılır. Alüminyum oksit kalça protezi kimyasal inertliği, yüksek dayanımı, yıpranmaya yüksek direnci, sürtünme katsayısının düşük oluşu, korozyona dayanıklılığının mükemmel oluşu gibi nedenlerden dolayı tercih edilir. Kalça eklem protezinde Alüminyum oksit biyoseramiklerinin tercih edilmesinin nedeni kullanım ömürlerinin uzun olmasıdır. Alüminyum oksit seramiğinin kemik dolgu malzemesi olarak kullanılmasında ise biyouygunluk ve mekanik özeliklerinin iyi olması başlıca etkenlerdir.
Son yıllarda zirkonyum oksit seramiği de kalça eklem protezinde kullanılmaktadır. Zirkonyum oksit alüminyum oksitten mekanik olarak daha güçlüdür ve iyi biyouygunluğa sahiptir. Zirkonyum yüksek dayanıma sahiptir. Bu nedenle kırılgan maddeleri güçlendirmek için kullanılır. Örneğin HA kaplamanın mekanik özelikleri zirkonyum ekleyerek güçlendirilmektedir.
Biyoaktif seramikler
Biyoaktif seramikler kemik dolgu malzemesi olarak kullanılır. Biyoaktif seramikte doku ile seramik arasında kimyasal bağ oluşur. Biyoaktiflik biyomalzemenin kemiğe bağlanabilme yeteneğidir. Biyoaktif seramikler blok, gözenekli madde ve granül şeklindedir. Hidroksiapatit ve biyoaktif cam-seramikler biyoaktif seramiklerdir. Biyoaktif seramiklerin mekanik kırılganlığı ortopedik cerrahi için zayıf noktadır. HA (Ca10(PO4 )6(OH)2) kalsiyum fosfatın bir şeklidir. Hızlı kemik oluşumunu ve kemiksi dokulara güçlü biyolojik bağlanmayı artıran biyoaktif özeliklere sahip bir biyoseramik maddedir.
Biyoaktif seramiklerin bir başka örneği de cam seramiklerdir. Cam seramiklerin bileşimi SiO2-Na2O-CaO’ den oluşmaktadır. Cam seramikler yüksek dayanıklılıkları ve kemiğe bağlanma özelliklerinin yüksek oluşu ile tanınırlar. Biyoaktif cam insanlarda yüksek biyoaktifliği nedeni ile dişçilikte dolgu malzemesi olarak, çene implantlarında, yapay orta kulak kemiğinde ve çene kemiğinde kullanılır. Biyoaktif cam biyouygundur; ancak,biyobozunurdeğildir.
Biyobozunur Seramikler
Biyobozunur, biyo geri emilebilir, ve biyoabsorblanabilir terimleri değişerek ve ayrım gözetmeden kullanılabilir. Biyobozunur madde biyolojik olarak parçalanabilir. Trikalsiyum fosfat (Ca3(PO4)2 ) biyobozunur bir seramiktir. Biyobozunur seramiklerin doku ile etkileşimi;Kemikte kırığın oluşturduğu boşluk kan pıhtısı ile dolar. Kemikteki boşluğa implant yerleştirildiğinde orijinal doku ve implant arasında biyoaktif bir ara yüzey oluşur. Biyoaktif ara yüzeyin özeliği doğal doku gibi zamanla değişmesidir. Bu değişim yeterince hızlı olduğunda implant çözünür ya da bozunur ve doku ile yer değiştirir.
Biyomalzeme olarak seramiklerin tercih edilme oranını artıran özellikleri;
1-Sertlik
2-Asidik ortamlardaki inert davranışlar 3-Termal dayanım, termal dayanıklılık 4-Erozyon ve aşınma dayanımı
5-Elektrik yalıtkanlığı 6-Yüksek ergime sıcaklıkları
7-Hafiflik ( metallere göre % 40 hafif ) 8-Kırılganlık
10-Hammadde bulunmasındaki kolaylık ve metale göre ucuz olması 11-Pahalı ve stratejik metallere ihtiyaç bırakmaması
12-Oksitlenmeye karşı yüksek direnç göstermesi 13-Düşük sürtünme katsayısına sahip olması 14-Yüksek basma kuvvetine sahip olması
Atomların birbirine sıkıca baglı olmadıgı ve hareket edebildigi metallerin aksine seramikler birbirine iyonakovalent baglarla baglı atomlardan olusur. Bu atomik hareketsizlik seramiklerin ısıyı ve elektrigi iletmesini engeller. Metallerin özelliklerinden çok farklı olan iki özelligi erime noktası ve gevrekliktir. Seramikler genelde 1000°C’nin üstünde erir, yani çok yüksek erime noktalarına sahiptir ve aynı zamanda gevrektirler. Bu su demektir; seramikleri eritmek çok pahalıdır ve soguk islemek imkansızdır. Bazı seramikler inorganik camlar olusturabilirler. Camlar düzenli sıralanmıs yapılara sahip olmadıklarından kristalin malzemelerinden farklıdırlar. Buz gibi kristaller kesin sıcaklıklarda eriyeceklerdir. Fakat camlar pek çok sıcaklıkta yumusayacaklardır. Yaygın olan seramiklerin çogu, alümina, safir (Al2O3) ve silika (SiO2) gibi metal oksitlerdir. Seramikler aynı zamanda karpitler, nitritler, sülfitler ve silisitler gibi oksit olmayan bilesenleri içerir. Bazıları karbon (grafit ve elmas) ve silikon gibi tek elementten olusan malzemelerdir. Bu metaller entegre devreler için kullanılırlar. Bazı seramikler de degisik elementler Si3Al3O3N5 (Siyalon) kemigin mineral hali olan Ca10(PO4)6(OH)2 (hidroksiapatit) veya süperiletken seramik YBa2Cu3O7-8 ve Bi2Sr2CaCu2O8 gibi tekil bilesikler olustururlar. Hidroksiapatitler kemigin mineral fazındaki seramik halidir. Kalsiyumfosfat partiküllerinin reaksiyonu sonucu (CaHPO4 veya Ca4(PO4)2O vb.) elde edilen bir yapı türüdür. Çizelge .2.3 de hidroksiapatit ve degisik insan ve hayvan kemikleri ile bazı metallerin mekanik özellikleri bir arada görülmektedir.
- Alümina - Zirkonya
- Pyrolytic carbon - Kalsiyum fosfatlar
- Tetracalcium phospate ( Ca4P2O9 ) - Amorphous calcium phospate
- Alpha-Tricalcium Phosphate ( Ca3(PO4)2) - Beta-Tricalcium Phosphate ( Ca3(PO4)2) - Hydroxyapatite ( Ca10( PO4)6 (OH)2) - Cam seramikler
Yapılarına Göre Biyoseramikler
Oksit Seramikleri
Bunlar inert yapıda olan ve oksijen iyonlarının olusturdugu düzlemde metal iyonlarının dagılmasıyla olusan polikristalin seramiklerdir. İki önemli türü mevcuttur. Alümina (Al2O3) ve zirkonya (ZrO2).
Alümina
Yüksek yogunluk ve yüksek saflıga (>%99.5) sahip alümina, korozyon direnci, yüksek dayanımı ve iyi biyouyumluluk özelliginden dolayı kalça protezlerinde ve dis implantlarında yaygın kullanıma sahiptir. Bu uygulamalarda kullanılan alüminanın çogu, iyi tane yapısına sahip, polikristalin alfa-Al2O3’ün 1600-1700°C’de preslenmesi ve sinterlenmesi sonucu elde edilir. Alümina, 20 yılı askın süredir ortopedik uygulamalarda kullanılmaktadır.
Resim 2.3. Alümina ile üretilmiş biyomedikal malzemeler
Zirkonya
Zirkonya da, alümina gibi bulundugu fiziksel ortam üzerinde inert etki gösterir. Alüminanın seramiklere göre avantajı çok daha yüksek çatlama ve bükülme direncine sahip olmasıdır. Zirkonya, uyluk kemigi protezlerinde basarıyla kullanılmakta. Ancak uygulamalarında üç önemli problemle karsılasılmaktadır. Fizyolojik sıvılar nedeniyle zamanla gerilme sürecinin azalması; kaplama özelliklerinin zayıf olusu ve potansiyel radyoaktif malzemeler içermesidir.Zirkonya içerisinde yarılanma ömrü çok uzun olan radyoaktif elementler bulunur. (uranyum, toryum vb). Bu elementleri yapıdan ayırmak çok zor ve pahalı islemler gerektirir. . Zirkonya bazlı seramiklerde 0.5 ppm U235’e rastlanmış bulunuyor. Radyoaktivite alfa ve gama etkileşimi olarak ortaya çıkar. Alfa-radyasyonu daha fazladır ve alfa-parçacıkları, yüksek iyonlaştırma kapasitesine sahip olduklarından yumuşak ve sert doku hücrelerini tahrip edebilirler. Radyoaktivite düzeyi küçük olduğunda da bu etkinin uzun süreli sonuçlarının incelenmesi gerekiyor.
Kalsiyum-Fosfat Seramikleri
Bunlar; kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri seklindeki yapılardır. Hidroksiapatit Ca5(PO4)OH, Titanyum fosfat, Ca3(PO4)OH2 (emilebilir) ve oktakalsiyum fosfat CaH(PO4)32OH bu yapılara örnek verilebilir.
Kalsiyum fosfat bazlı biyoseramikler tıpta ve disçilikte 20 yıldan beri kullanılmaktadır. Bu malzemeler, ortopedik kaplamalar ve dis implantlarında, yüz kemiklerinde, kulak kemiklerinde, kalça ve diz protezlerinde “kemik tozu” olarak kullanılırlar. Kalsiyum fosfat seramiklerin sinterlenmesi genellikle 1000-1500°C’de gerçeklesir ve bunu istenilen sekle sıkıstırılması izler. Tüm kalsiyum fosfat seramikleri degisen hızlarda biyolojik olarak bozunurlar.
Kalsiyum fosfat seramikleri, gözenekli yapıda da hazırlanabilirler. Gözenekli seramik implantların en büyük avantajı; kemik, seramik malzemenin gözenekleri içerisinde büyüdügünde, olusan ara yüzeyin mekanik açıdan yüksek kararlılıga sahip olmasıdır.Gözenekli implantlar kemik olusumu için yapı iskeleti olarak kullanılırlar. Mercanların mikro yapısı, kontrollü gözenek büyüklügüne sahip seramiklerin olusturulması açısından en ideal malzeme olmalarını sağlamaktadır. Gözenekli malzemeler, her zaman için yığın formlarında daha zayıftırlar ve artan gözeneklilige bağlı olarak, malzemenin dayanımı daha da azalmaktadır. Kemik kırıklarını doldurmak için gözenekli sentetik kalsiyum fosfat seramikler kullanılırken, dis implantlarında kaplama olarak gözenekli hidroksiapatit malzeme kullanılır.
Resim 2.5. Kalsiyum seramiği örnekleri
Kalsiyum seramiklerinin sinterlenmesi genellikle 1000- 1500 C ‘de gereçekleştirilir ve bunu istenilen geometride sıkıştırılması izler.
Hidroksiapatit
Resim. 2.7. H.A. Yakından görünüşü
Kemik dokusunun inorganik yapısını oluşturan kalsiyum fosfat esaslı HA, tıp ve dişçilikte kullanılan bir biyoseramik malzeme olup, biyouyumluluğu nedeniyle yapay kemik olarak çeşitli protezlerin yapımında, çatlak ve kırık kemiklerin onarımında ve metalik biyomalzemelerin kaplanmasında kullanılmaktadır. HA hekzagonal rombik kafes yapısında olup, birim hücre boyutları; a=b=9.432°A ve c=6.881°A’dır. İdeal Ca/P oranı 10/6 ve hesaplanan yoğunluğu 3.219 gr/cm3 ‘tür (Park, 1992:46-75).
Resim.2.8.Kemik yapısı -Trabeculae ( Süngerimsi kemik )
Çizelge 2.5. HA’nın Mekanik Özellikleri
Hidroksiapatitin Biyouyumluluğu
HA’nın en önemli özellikleri arasında mükemmel biyolojik uyumluluğu önde gelir. HA, sert dokularla direk kimyasal bağ kurar. HA partiküllerinin yada gözenekli blokların kemiğe yerleştirilmesinde; yeni doku, 4–8 haftada şekillenir (Bajpai, 1985). HA gözenekli yapısı; hücrelerin, gözeneklerin içine doğru büyümesinden dolayı, dokuların implante nüfuz etmesini sağlar. Ayrıca HA'nın yapısındaki gözenekler,bir kanallar sistemi gibi davranıp, kemik yapıya kanın ve diğer önemli vücut sıvılarının ulaşmasını sağlar. HA’nın emilimi yılda % 5-10 hızıyla gerçekleşir. Yapılan deneylerde HA implantların, öncelikle fibrovasküler doku ile kaplandığı ve zamanla bu dokudaki olgun lamellerin, kemiğe dönüştüğü tespit edilmiştir (Yetkin, 2001). HA’nın osteokonduktif özellikleri de implantların kemiğe sıkı yapışmasına ortam ve olanak sağlar. Ayrıca HA’nın lokal büyüme faktörlerine, özellikle kemik proteinlerine karşı kuvvetli kimyasal bağlanma eğilimi olduğu saptanmıştır. HA non-toksik (zehir etkisi olmayan) (Capello, 1997) özelliklere sahip olması sayesinde meydana gelebilecek vücut reaksiyonları da minimumdur. Hidroksiapatitler kemigin mineral fazındaki seramik halidir.
Kalsiyumfosfat partiküllerinin reaksiyonu sonucu (CaHPO4 veya Ca4(PO4)2O vb.) elde edilen bir yapı türüdür. Çizelge 2.3. de hidroksiapatit ve degisik insan ve hayvan emikleri ile bazı metallerin mekanik özellikleri bir arada görülmektedir.
Hidroksiapatitin Üretim Yöntemleri
HA ilk kez (Hayek, 1963) tarafından kimyasal çöktürme yöntemi kullanılarak sentezlenmiş olup, daha sonra, su-bazlı kalsiyum ve fosfat tuzları içeren çözeltilerden kimyasal çöktürme veya asit-baz titrasyonu gibi yöntemlerle elde edilebilmektedir (Taş, 2000). Üretim yöntemi, biyoseramiğin sert doku değişimi ya da doku ve protezlerin birleştirilmesinde kullanılacak olmasına göre farklılık gösterir. Sert doku yer değişimlerinde, çevre dokuların protezlere nüfuzu ve tutturulması için belirli oranda gözenekli olması istense de, gerekli olan en önemli özellik mukavemettir. Fakat protezin mukavemetinin, çevre kemik dokusunun mukavemetinden çok fazla olması, gerilme yığılması (stress shielding) denilen probleme neden olur. Biyoseramik malzemelerin mukavemeti, tamamen yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Eğer bir biyoseramiğin mukavemetinin artması isteniyorsa, yoğunluk arttırıcı işlemlerden geçirilmelidir.
Doku ve implant birleşimlerinde; gözeneklilik, dokunun gelişimi ve biyoseramiğin implant ile birleşmesi açısından önemlidir. Gözenekli malzemeler, yüksek alan/hacim oranına sahiptirler. Bu da biouygunluğu sağlar. (Taş, 1998) ve (Oktar, 2002) Gözenekli kalsiyum fosfat seramiklerin üretilmesi üzerine çeşitli çalışmalar yapmıştır. Gözenekli seramik implantların en büyük avantajı; kemik, seramik malzemenin gözenekleri içerisinde büyüdüğünde, oluşan ara yüzeyin mekanik açıdan yüksek kararlılığa sahip olmasıdır. Gözenekli implantlar, kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak da kullanılırlar. Mercanların mikro yapısı, kontrollü gözenek büyüklüğüne sahip seramiklerin oluşturulması açısından en ideal malzeme olmaktadır. Gözenekli malzemeler, her zaman için yığın formlarında daha zayıftır ve artan gözenekliliğe bağlı olarak, malzemenin dayanımı daha da azalmaktadır. Gözenekler dokuların iç büyümesine de izin verirler. Dolayısıyla protezin desteklenme ve korunması sağlanır. Ayrıca, gözenekler bir kanal sistemi gibi davranarak, kemik içerisine kan ve diğer vücut sıvılarının ulaşımını sağlarlar. Fakat gözenekliliğin fazla olması mukavemeti düşürdüğünden optimum bir oran kullanılmalıdır. Gözenekli biyoseramik
üretiminde yaygın olarak, katılaştırıcılı birleştirme ve damlatmalı döküm olmak üzere iki yöntem kullanılmaktadır. Doku birleştirmelerinde sık kullanılan bu yöntemlerin dışında, polimerik sünger metodu, köpük metodu, organik katık ekleme, jel ve kayma döküm, direkt konsolidasyon ve hidroliz yardımlı katılaştırma gibi yöntemlerde kullanılmaktadır. (Taş, 1998–2000), Kalsiyum HA'yı, nano-boyutlarda yüksek kimyasal homojenlik ve saflıkta seramik tozlar olarak, kalsiyum nitrat ve di-amonyum hidrojen fosfat tuzlarının, özgün bir kompozisyona sahip “Sentetik Vücut Sıvısı (SVS)” çözeltilerinde uygun oranlarda çözülmesi ile başlanarak, insan vücudu sıcaklığı olan 37°C’de ve yine insan vücudu pH değeri olan 7.4’te, biyomimetik koşullarda yürütülen özgün bir kimyasal sentez yöntemi ile elde etmiştir. (Weng, 1997) HA üretmek için bir ethylene glycol çözeltisi (Ca(OAC)2.xH2O) ve bir butanol çözeltisi (P205) kullanmıştır. İşlem sırasında kullanılan, asetik asit (HOAC) ve amonyumnitrat (NH4N03), dengeleyici ve oksitleyici olarak görev yapmıştır. Bu yöntem ile elde edilen HA'yı, kaplamaların hazırlanması uygulamasında potansiyel olarak tanımlamaktadır. (Taş, 2001) HA seramiklerinin elyaflar ile güçlendirilmesi sonucunda kırılma tokluklarının artırılması için; HA elyaflarını, ergitilmiş tuz sentezi (ETS) yöntemini kullanarak ilk kez üretmiştir.
Hidroksiapatitin Klinik Uygulamaları
Kemik greftleri (yama, ek), iyi huylu kemik tümörlerinde standart cerrahi prosedürlerden biridir. Kemik tümörlerinde yeniden yapılandırma işlemlerinde; insan, hayvan kaynaklı ve biyolojik esaslı olmayan malzemeler kullanılır. Bu uygulamada kullanılacak malzemenin, kolay üretilip elde edilebilen ve biyouygunluğu yüksek bir malzeme olması gereklidir. Toksik (zehir etkisi) olmamaları nedeniyle vücudu en alt düzeyde olumsuz etkileyen ve kemik grefti olarak kullanımlarda avantaj olarak sayılabilecek kimyasal ve fiziksel özelliklerin yanında, biyouyumlu oldukları için klinikte en çok kullanılan seramikler; HA ve TCP veya bunların kompozitlerini içeren kalsiyum fosfat seramiklerdir. TCP, klasik hızlı rezorbe olan Ca-P seramiğidir. Blok
TCP’nin porları küçük ve arasındaki bağlantılar tam olmadığı için malzeme tümüyle rezorbe olmadan kemik oluşumu gerçekleşemez. Bu nedenle blok TCP iyi bir greft (yama) malzemesi değildir. HA, yavaş rezorbe (emilen-yok olan) olan klasik Ca-P seramiğidir. Blok HA in-vivo olarak stabildir ve yılda %5-10 oranında rezorbe olur. Blok HA fibrovasküler (lifli ve damarsal) doku tarafından invaze (içine almak-yayınmak)olur ve daha sonradan matür (olgun) lameller kemiğe dönüşür (Yetkin, 2001). HA’nın biyouygunluğu, (Bajpai, 1985) tarafından deneylerle kanıtlanmıştır. Bu deneylere dayanarak HA 1983 yılından itibaren kullanılmaktadır. Bu uygulamada kullanılan HA, 0.4–6 cm boyutlarında gözenekli bloklar halindedir. Bu bloklar %55–70 oranında gözenekliliğe sahip olup, bu gözeneklerin boyu 200-300 μm civarındadır. Bu bloklar, 1100–1200°C’de kurutulmuş ve yaklaşık 15 MPa’lık sıkıştırma mukavemetine sahiptirler. Uygulanacak bölgenin durumuna göre farklı boyutlarda bloklar kullanılır. Bu bloklar ameliyattan önce gaz-sterilize yöntemine tabi tutulurlar. HA blok ve granülleri, yığma yoluyla kemikteki boşluklara doldurulur. Yığma işlemi sonrasında granüllerin saçılmasını önlemek için bölgeye fibrin yapıştırıcı eklenir. Bu uygulamadaki en dikkat edilen özellik, kemik ile sıkı bir yapı oluşmasıdır (Wise, 2000).
HA’nın bir diğer kullanım alanı ise, Şekil 2.’de görülen oküler implant uygulamasıdır (Jordan, 2000). Biyouygunluk ve toksik olmama gibi özellikler, HA'yı oküler implant uygulaması için ideal bir biyomalzeme yapmaktadır. Bu implantlarda kullanılan HA, 500 μm çapında, birbiriyle bağlantılı gözeneklere sahiptir. Bu gözenekler implante, dokuların iç büyüme gerçekleştirmesini ve dolayısıyla implantın göz boşluğuna tutunmasını sağlar. Şekil 3’de çeşitli türde yapay gözler görülmektedir (www.bioeye) .
Resim 2.12 Yapay göz uygulaması
Resim 2.13.Çeşitli türde yapay gözler (www.bioeye). (Jordan, 2000)
Şekil 4’de görülen bağlantı vidalarının (pedicle screws) HA ile kaplanması, gevşeme riskini azaltarak, vidaların daha iyi bağlanmasını sağlamıştır. Çoğu hastalarda ve tümör
ameliyatı gibi belirli durumlarda tam kaplama daha iyi tutunma sağlayabilir. 1987 yılında yapay göz ve orta kulak implant uygulamalarında kullanılan ve başarılı olunan HA, FDA ( Food and Drug Administration) tarafından onay verilince, ticari olarak piyasaya çıkmış ve çok satılmıştır. Şekil 5.’de orta kulak implantına ait bir uygulama görülmektedir (www.azom.com).
HA, plastik cerrahide de; yanak, alt ve üst çene, burun, alın gibi yüz bölgesine ait kısımların rekonstrüksiyonunda kullanılmaktadır.
Hidroksiapatitin Metalik Biyomalzemeler Üzerine Kaplama Olarak Kullanılması
Kalça eklem protezlerindeki gibi metal implantlar üzerine kaplama, HA'nın en önemli uygulamalarından biridir. PMMA’nın kullanımında oluşan komplikasyondan kaçınmak için bir fiksasyon (sabitleme) aracı olarak femur (büyük bacak kemiği) protezlerinde ve kapsüllerinde geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Bir araştırmada; 8 yıllık takip sonucunda 324 implantta %3’lük birfemoral gözden geçirme rapor edilmiştir (Capello, 1998). Benzer sonuçlar 118 kalça protezi ile 8 yıl takip edilmiş ve %98’lik bir başarı elde edilmiştir. Bu çalışmalarda, implant üzerinde kemik iç büyümesinin arttığı sonucuna varılmıştır. Kaplamadan iyi bir sonuç almak için, kaplama kalınlığı, malzemenin kimyasal kompozisyonu ve metalin yüzey pürüzlülüğü anahtar faktördür . Metal yüzeyine HA kaplama uygulaması; kimyasal bağlanma yolu ile kemik/implant sabitlemesi elde etmek için metalik malzemelerin mekanik özellikleri ile HA’nın yüksek biyouygunluğu ve biyoaktifliğini birleştirmektir. Metalik biyomalzemelerin HA ile kaplanmasında, ince bir HA tabakası biyoaktivite sağlar. Metallerin iyoaktivitesini artırmak için yapılan bir çok çalışma, kimyasal ve ısıl işlemle oluşmuş amorf sodyum titanat tabaka kalınlığının yaklaşık 1 µm olduğunu göstermiştir . (Kim, 1996-97) ve (Yan, 1997). HA kaplamalı metaller iyi sabitleme sağlasa da, HA ile metal arasındaki yapışma dayanımının düşüklüğü, HA tabakasının metal yüzeyinden kaybına neden olabilmektedir.
Ayrıca, kaplama sırasında oluşacak yüksek sıcaklık da, gerek kaplama gerekse de kaplanacak malzemede yapısal değişikliklere neden olmaktadır . Kaplamanın in-vivo stabilitesi, direkt olarak kristalinite ile ilgilidir. Kristalinite, kaplamadaki kristal HA yüzdesidir (Tong, 1995). Başarılı bir kaplama için malzeme ve kaplama yönteminin iyi seçilmesi gereklidir.
