T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

T.C.

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

PİRİNÇ KABUĞU KÖKENLİ SİLİKA İÇERİKLİ MgO, SrO VE Al

O

İLAVELİ 45S5 BİYOAKTİF CAM ÜRETİMİ VE

KARAKTERİZASYONU

ZEYNEP ANIL KONUKOĞLU DANIŞMANNURTEN BAYRAK

YÜKSEK LİSANS TEZİ

BİYOMÜHENDİSLİK ANABİLİM DALI BİYOMÜHENDİSLİK PROGRAMI

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI HABERLEŞME PROGRAMI

DANIŞMAN

DOÇ. DR. SEVİL YÜCEL İSTANBUL, 2011DANIŞMAN

DOÇ. DR. SALİM YÜCE

İSTANBUL, 2013

T.C.

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

PİRİNÇ KABUĞU KÖENLİ SİLİKA İÇERİKLİ MgO, SrO VE Al

O

İLAVELİ 45S5 BİYOAKTİF CAM ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

Zeynep Anıl KONUKOĞLU tarafından hazırlanan tez çalışması 02.08.2013 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Biyomühendislik Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Tez Danışmanı Doç.Dr.Sevil Yücel Yıldız Teknik Üniversitesi

Jüri Üyeleri

Doç.Dr.Sevil YÜCEL

Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________

Prof. Dr. İbrahim IŞILDAK

Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________

YRD. Doç.Dr. Birgül BENLİ

İstanbul Teknik Üniversitesi _____________________

ÖNSÖZ

Bu çalışmada bana çalışma fırsatını veren, çalışmam boyumca her türlü fedakarlıklarını ve teşvikini esirgemeyen, çalışmama ışık tutan değerli hocam Doç.Dr. Sevil YÜCEL’e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

Yapılan çalışmaların verimli bir şekilde yürütülebilmesi için bize en uygun imkanları sunan bilgi ve birikimlerini her zaman paylaşan hocam Prof. Dr. İbrahim IŞILDAK’a teşekkürlerimi sunarım.

Üretilen numunelerimin ICP ve XRD analizlerinde labratuarını bizlere açan ve büyük yardımlarda bulunan okulumuzun değerli hocası Sabriye PİŞKİN’ e, numunelerimin SEM analizleri esnasında büyük bir sabırla bizlere yardımcı olan Mehmet ÇALIŞKAN’a teşekkürlerimi sunarım.

Numunelerimin üretim aşamasında bizlere her türlü imkanı sunan Hande SESİGÜR ve Hakan SESİGÜR’e, döküm işlemleri sırasında yardımcı olan Merve AKDEMİR’e ve değerli Şişe Cam çalışanlarına sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

Çalışmam sırasında bana yol gösteren, her türlü sorumu cevaplayan, bütün deneyimlerini paylaşan Yeliz Başaran ELALMIŞ’a, Y.T.Ü. biyomühendislik bölümünden Bilge Sema ODUNCU’ya analizlerimdeki yardımlarından dolayı, deneysel çalışmalarım sırasında labratuar ortamını içtenlikle paylaştığımız bana her türlü yardımı yapan Melis ÖZGEN’e ve Derya ÇOLAK’a teşekkürü bir borç bilirim.

Son olarak beni bugünlere getiren, yaşamım boyunca hiçbir fedakarlıktan kaçınmayan başta beni yetiştiren sevgili anneanneme olmak üzere tüm aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

Ağustos, 2013

Zeynep Anıl KONUKOĞLU

İÇİNDEKİLER

SAYFA

6.2.1 Pirinç Kabuğu Külünden Silika Eldesi Adımları ... 35 6.2.2 Biyoaktif Camın Ergitme Yöntemiyle Eldesi ... 38

KISALTMA LİSTESİ

Ç.A Çalışma arkadaşları

EDS Enerji Dağılımlı X- Işınları Spektroskopisi FTIR Frourier Kızıl Ötesi Dönüşüm Spektroskopisi HA Hibroksiapatiti

HCA Hidroksikarbonatapatit ICP İndüktif Eşlenmiş Plazma K.K Kabuğu külü

SEM Taramalı Elektron Mikroskobu TEOS Tetraetil ortosilikat

YVS Yapay Vücut Sıvısı XRD X Işınları Difraksiyonu

ŞEKİL LİSTESİ

sayfa

Şekil 2.1 Biyoamalzemelerin şematik olarak gösterimi……….…….3

Şekil 3.1 Hidroksiapatit yapısı………...10

Şekil 4.1 Hench tarafından çizilen 45S5 faz diyagram………..13

Şekil 4.2 Biyoaktif Camın Bir Simülasyonu………..18

Şekil 4.3 Biyoaktif camın yüzeyinde HCA oluşumu aşamasında iyon değişimi…21 Şekil 4.4 Biyoaktif camın yüzeyinde HCA oluşum basamakları………21

Şekil 4.5 Son 25 yılda MgO ilaveli biyoaktif camlar ile ilgili yayın sayısı………25

Şekil 4.6 MgO ilaveli biyoaktif camın YVS ile muamele sırasında biyocam yüzeyinde meydana gelen iyon değişimi (a), YVS ile muamelesi sonrası biyocam yüzeyinde meydana gelen Mg konsantrasyonu değişimi (b)…28 Şekil 4.6 SiO2- CaO-Na2O-MgO-K2O-Al2O3-P2O5 sistemine sahip biyoaktif camın YVS ile muamelesi sırasında yüzeyde meydana gelen iyon değişimi………29

Şekil 6.1 Porselen kroze içinde pirinç kabuğu küller, Protherm kül yakma fırını……….….35

Şekil 6.2 Külün vakumda süzülmesi ve Na2SiO3 çözeltisi eldesi………..36

Şekil 6.3 Jelleşme öncesi ve jelleşmiş Na2SiO₃………..36

Şekil 6.4 Kurutma sonrası elde edilen silika………...37

Şekil 6.5 İki kez öğütülmüş silika tozları………37

Şekil 5.6 Saf platin krozeler………38

Şekil 5.7 Suya dökülen biyoaktif cam……….38

Şekil 5.8 Sudan alınan camların havanda parçalanması……….39

Şekil 5.9 Biyoaktif camların dökümü……….39

Şekil 7.1 Pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEMgörüntüleri a(x200),b (x500), c (x1000), d (x2000)……….43

Şekil 7.2 Pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 7. güne aitSEM görüntüleri e(x200),f (x500), g (x1000), h (x2000)………44

Şekil 7.3 Pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 14. güne ait SEM görüntüleri k(x200),l (x500), m (x1000), n (x2000)……….. 44

Şekil 7.4 Pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 21. güne ait SEM görüntüleri o(x200),p (x500), r (x1000), s (x2000)………44

Şekil 7.5 Ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEM görüntüleri a 1 (x200),b 1 (x500), c 1 (x1000), d 1 (x2000)………...45

Şekil 7.7 Ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 14. güne ait SEM görüntüleri k(x200),l (x500), m (x1000), n (x2000)……… …...45

Şekil 7.8 Ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 21. güne ait SEM görüntüleri o 1(x200),p 1 (x500), r 1 (x1000), s 1 (x2000)…..………..46

Şekil 7.9 SrO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEM görüntüleri a 2(x200),b 2 (x500), c 2 (x1000), d 2 (x2000)……...46

Şekil 7.10 SrO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 7. güne ait SEM görüntüleri e 2(x200),f 2 (x500), g 2 (x1000), h 2 (x2000)..………...46

Şekil 7.11 SrO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 14. güne ait SEM görüntüleri k 2(x200),l 2 (x500), m 2 (x1000), n 2 (x2000)……….47

Şekil 7.12 SrO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 21. güne ait SEM görüntüleri o 2(x200),p 2 (x500), r 2 (x1000), s 2 (x2000)...47

Şekil 7.17 MgO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEM görüntüleri a 4(x200),b 4 (x500), c4 (x1000), d 4 (x2000)……….47 Şekil 7.18 MgO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS

sonrası 7. güne ait SEM görüntüleri e 4(x200),f 4 (x500), g 4 (x1000), h 4 (x2000)………..48 Şekil 7.19 MgO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 14. güne ait SEM görüntüleri k 4(x200),l 4 (x500), m 4 (x1000), n 4 (x2000)……….48 Şekil 7.20 MgO ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS

sonrası 21. güne ait SEM görüntüleri o 4(x200),p 4 (x500), r 4 (x1000), s 4 (x2000)………...…… ………..48 Şekil 7.25 MgO ve Al2O3 ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEM görüntüleri a 6(x200),b 6 (x500), c6 (x1000), d 6 (x2000)…...49 Şekil 7.26 MgO ve Al₂O₃ ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın

YVS sonrası 7. güne ait SEM görüntüleri e 6(x200),f 46(x500), g 6 (x1000), h 6 (x2000)………..…….49 Şekil 7.27 MgO ve Al₂O₃ ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın

YVS sonrası 14. güne ait SEM görüntüleri k 4(x200),l 4 (x500), m 4 (x1000), n 4 (x2000)……...……….49 Şekil 7.28 MgO ve Al₂O₃ ilaveli pirinç K.K. silika içerikli 45S5 biyoaktif camın

YVS sonrası 21. güne ait SEM görüntüleri o 6(x200),p 6 (x500), r 6 (x1000), s 6 (x2000)………….………50 Şekil 7.33 Pirinç K.K 45S5 biyoaktif camların YVS öncesi ve sonrası EDS analizi

………..51 Şekil 7.34 Ticari silika içerikli biyoaktif camların YVS öncesi ve sonrasına ait EDS

analizi...………...……….52 Şekil 7.35 MgO ilaveli camların biyoaktif camların EDS analizi………. …...53 Şekil 7.36 Al2O3 ilaveli biyoaktif camların EDS analizi………...…...53 Şekil 7.37 Biyoaktif camların bekletilmesi ile YVS içerisinde meydana gelen iyon

değişiminin………...57 Şekil 7.38 Biyoaktif camların bulunduğu YVS’nin iyon değişimi………...58 Şekil 7.39 Pirinç K.K silika içerikli 45S5 biyocamın YVS ile muamelesi öncesi

FTIR analizi……….59 Şekil 7.40 Pirinç kabuğu kökenli 45S5 biyoaktif camın SBF sonrası 21. Gün

FTIR……….60 Şekil 7. 41 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camların YVS ile muamelesi sonrası

21. FTIR analizleri………...61 Şekil 7.42 Pirinç k.k. silika içerikli 45S5 biyocam ile MgO ve Al2O3 ilaveli biyocamların YVS ile muamele öncesi ve muamele sonrası 28. güne ait XRD analizi………...…...63 Şekil 7.43 Pirinç K.K silika içerikli SrO ilaveli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi ve

sonrası XRD analizi………...63 Şekil 7.44 Ticari ve pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camların YVS sonrası XRD

analizi………...64 Şekil 7.45 Ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif cam ve MgO ilaveli 45S5 biyoaktif

camın YVS sonrası XRD analizi………...64 Şekil 7.46 Pirinç K.K. silika içerikli tüm biyoktif cam numunelerinin tris çözeltisi içerisindeki 7 günlük ağırlık değişimleri………...66

Şekil 7.47 Pirinç K.K silika içerikli tüm biyoaktif cam numunelerine ait tris çözeltilerinin 7 günlük pH değerleri………....67 Şekil 7.48 Pirinç K.K silika ve ticari silika içerikli 45S5 biyocamlara ait tris

çözeltisinin 7 günlük pH eğişimi………67 Şekil A.1 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEM

görüntüleri a 5(x200),b 5 (x500), c 5 (x1000), d 5 (x2000)………. …79 Şekil A.2 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 7.

güne ait SEM görüntüleri e 5(x200),f 5 (x500), g 5 (x1000), h 5 (x2000),,,,,,,,,,,……….79 Şekil A.3 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 14.

güne ait SEM görüntüleri k 5(x200),l 5 (x500), m 5 (x1000), n 5 (x2000)……….80 Şekil A.4 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 21.

güne ait SEM görüntüleri o 5(x200),p 5 (x500), r 5 (x1000), s 5 (x2000)……...80

Şekil A.5 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi SEM görüntüleri a 5(x200),b 5 (x500), c 5 (x1000), d 5 (x2000)…………...80 Şekil A.6 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 7.

güne ait SEM görüntüleri e 5(x200),f 5 (x500), g 5 (x1000), h 5 (x2000)……….81 Şekil A.7 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 14.

güne ait SEM görüntüleri k 5(x200),l 5 (x500), m 5 (x1000), n 5 (x2000)……...81 Şekil A.8 MgO ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 21.

güne ait SEM görüntüleri o 5(x200),p 5 (x500), r 5 (x1000), s 5 (x2000)……...82 Şekil A.9 MgO ve Al2O3 ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS

öncesi SEM görüntüleri a 7(x200),b 7 (x500), c 7 (x1000), d 7 (x2000)……….82 Şekil A.10 MgO ve Al2O3 ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS sonrası 7. güne ait SEM görüntüleri e 6(x200),f 46(x500), g 6 (x1000), h 6 (x2000)……… ………...82 Şekil A.11 MgO ve Al2O3 ilaveli ticari silika içerikli 45S5 biyoaktif camın YVS

sonrası 14. güne ait SEM görüntüleri k 7(x200),l 7 (x500), m 7 (x1000), n 7 (x2000)…… ………..83 Şekil B.1 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camınYVS öncesi EDS grafiği …...84 Şekil B.2 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camın YVS sonrası 14. gün EDS

grafiği………..…….84 Şekil B. 3 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camın YVS sonrası 7. gün EDS grafiği

………..85 Şekil B.4 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camın YVS öncesi EDS…………...85 Şekil B.5 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camın YVS sonrası 14. gün EDS

grafiği ………...86 Şekil B. 6 Pirinç K.K silika içerikli biyoaktif camın YVS sonrası 7. gün EDS

grafiği………...86 Şekil C.1 Ticari içerikli camların YVS içerisinde 28 gün bekletildikten sonra YVS ye

ait iyon konsantrasyonu………..87 Şekil D.1 Ticari silika içerikli biyoaktif cam numunelerinin tris çözeltisi içerisindeki

7 günlük ağırlık değişimi…...………..88

Şekil D.2 Ticari silika içerikli biyoaktif numunelerinin tris çözeltisilerinin 7 günlük

pH değişimi………...………..89

Şekil E.1 Ticari silika içerikli biyoaktif camların YVS ile muamele sonrası 21.gün FTIR analizi………90

Şekil E.2 MgO ilaveli pirinç kabuğu kökenli 45S5 biyoaktif camın YVS öncesi FTIR analizi……….90

ÇİZELGE LİSTESİ

Sayfa

Çizelge 2.1 Günümüzde kullanılan biyomalzemeler, özellikleri ve kullanım alanları

………...6

Çizelge 2.2 Biyoseramiklerin formu, fazı ve işlevleri………….……9 Çizelge 2.3 Biyoseramiklerin dokuda oluşturdukları cevaba göre sınıflandırılması..10 Çizelge 4.1 Biyoaktif cam çeşitleri ve içerikleri……… ^…….15 Çizelge 4.2 Kemik metaboloizması üzerine etkili bazı metal iyonları ve etkileri….24 Çizelge 5.1 Pirinç Kabuğu Külünün Ortalama Oksit Değerleri………. …….34 Çizelge 6.1 İnsan plazması ve YBS’nin iyon konsantrasyonu……….41 Çizelge 6.2 YBS’nin kimyasal yapısı………...42 Çizelge 7.1 Biyoaktif cam numunelerin YVS öncesi ve sonrası 7,14 ve 21. günlere

ait sertlik değerleri………..59 Çizelge 7.2 Numunelerin Vickers sertlik değerlerinin YVS içerisinde zamana göre

değişim yüzdeleri……… …...62

ÖZET

PİRİNÇ KABUĞU KÖKENLİ SİLİKA İÇERİKLİ MgO, SrO ve Al

O

İLAVELİ 45S5 BİYOAKTİF CAM ÜRETİMİ ve

KARAKTERİZASYONU

Zeynep Anıl KONUKOĞLU

Biyomühendislik Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi

Tez Danışmanı: Doç. Dr. Sevil YÜCEL

Silika (SiO₂), elektronik, seramik ve polimer malzeme endüstrisinde yaygın olarak kullanılan temel bir ham maddedir. Günümüzde ayrıca silika biyomalzeme üretiminde biyoaktif cam, diş dolgu kompozitleri üretimi gibi alanlarda da kullanılmaktadır. SiO2

genellikle silikat çözeltilerinden elde edilmektedir. Silikat çözeltiler ise kuvartzın 1400- 1500°C gibi yüksek sıcaklıklarda ergitilmesi ya da cevher zenginleştirme gibi yüksek enerji gerektiren proseslerden sağlanmaktadır. Silika saf olarak ayrıca laboratuvar şartlarında SiO2 kaynağı olarak tetraetilortosilikat(TEOS) gibi başlatıcılar kullanılarak da elde edilmektedir. Ancak bu başlatıcıların kullanılmaları ekonomik değildir. Bu başlatıcıların kullanıldığı yöntemlere alternatif olarak SiO2 içeren tarımsal atıkların kullanımı gündemdedir. Bu atıklar arasında en dikkat çekici olan çeltiğin beyaz pirince işlenmesi sırasında yan ürün olarak elde edilen pirinç kabuğudur. Pirinç kabukları yaklaşık % 20 oranında silika içermekte olup yakılmaları ile elde edilen pirinç kabuğu külü (RHA) ise yanma koşullarına bağlı olarak %87-97oranında amorf silika içermektedir. RHA’nın sırasıyla asit ile yıkama ve alkali ekstraksiyon işlemlerine tabi tutulması ile saf silika üretilebilmektedir. Ülkemizde ve Dünya’da pirinç kabuklarının yakılması çevre kirliliğine ve pek çok sektörde kullanım potansiyeli olan değerli bir hammaddenin de kaybına sebep olmaktadır. RHA düşük oranda metalurji sanayinde değerlendirilmektedir. Silis kaynağı olarak pirinç kabuğu ve külünün değerlendirilmesi ile ilgili bilimsel çalışmalar devam etmektedir.

Silikanın kulanım alanları içerisinde yer alan biyoaktif camlar kemik bozuklukları ve kemik onarımında, kemik dolgu materyali ve çene yüz cerrahisinde kemik grafiti yapı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Biyoaktif camların yapısında temel olarak silisyum, kalsiyum, fosfor ve sodyum oksitleri bulunmaktadır. Yapısına eklenen metal iyonları biyoaktif camların özelliklerini (mekanik, biyoaktivite, hücre çoğalması) etkilemektedir.

Biyoaktif camlar vücut sıvısı içerisinde yüksek oranda biyoaktivite gösteren, doku ile cam arasında hidroksiapatit tabakası oluşturarak canlı dokulara (kemik, kas, ligament) bağlanabilen inorganik malzemelerdir. Biyoaktif camların biyoaktivite seviyeleri apatit

tabakası oluşum oranına, camın kimyasal kompozisyonuna ve yüzey genişliği, por hacmi ve büyüklüğü gibi morfolojik parametrelere bağlıdır.

Elde edilecek SiO2 45S5 biyoaktif camlarda SiO2 kaynağı olarak kullanılacaktır.

Biyoaktif camlar ergitme yöntemine göre 1450 °C’de CaO, P2O₅, Na₂O₅ kaynakları ve pirinç külü bazlı SiO₂ ile üretilecektir. RHA SiO₂ %3 oranında safsızlık olarak vücuda uyumlu çeşitli metal iyonlarını (Mg, Mn, Ti, Fe, Cu) içermektedir. Literatürde yapılan çalışmalarda kemik kırıklarının tedavisinde kullanılan biyoaktif camların biyoaktivitelerini ve mekanik özeliklerini iyileştirmek amacı ile Sr, Mg, Cu, K, Al, Zn, Ag gibi metal iyonları biyoaktif camlara katılmış ve etkileri incelenmiştir. Oysa bizim ürettiğimiz silika içerisinde zaten bu iyonların büyük bir çoğunluğu mevcuttur. Bu metal iyonlarını içeren pirinç kabuğu bazlı silikadan üretilen biyoaktif camların proje kapsamında mekanik özellikleri (Vickers), biyoaktivitesi (SEM, XRD, vücut sıvısı içersindeki davranışı) incelenmiştir.Projede üretilen silikalara stronsiyum, magnezyum ve aliminyum da ilave edilerek biyoaktif camların yukarda belirtilen mekanik ve in vitro özelliklerine olan etkileri incelenniştir. Bu iyonlarla modifiye olmuş biyoaktif camların hem ticari hem de RHA silikadan aynı yöntemle üretilen 45S5 biyoaktif camların mekanik ve biyoaktivite özellikleri arasındaki farklar incelenmiştir.

Bu çalışmalarda, ekonomik değeri olmayan RHA’dan biyoaktif cam üretiminde kullanılabilecek saflık ve özelliklerde, ekonomik değeri olan SiO2 tozları üretilerek RHA’nın geri dönüşümü sağlanacak, ekonomi ve çevrenin korunmasına katkı sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Biyoaktif cam, biyomalzeme, pirinç kabuğu külü, silika

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ABSTRACT

PRODUCTİON OF 45S5 BİOACTİVE GLASS OBTAİNED SİLİCA FROM RİCE HUSK ASH DOPED WİTH MgO, SrO and Al2O3 AND

ITS CHARACTERİZATİON

Zeynep Anıl KONUKOĞLU

Department of Bioengineering MSc. Thesis

Adviser: Assoc. Prof. Dr. Sevil YÜCEL

Silica (SiO2) is a basic raw material which is widely used in electronics, ceramics and polymer material industries. Recently silica is also used in biomaterial (bioactive glasses and dental composites) production. Silica is obtained from silicate solutions which are produced by high energy requiring processes such as smelting quartz at high temperatures at 1400-1500°C and ore enrichment. Pure silica also can be produced in laboratory conditions from precursor molecules like tetraethylorthosilicate (TEOS).

However, the use of these precursor molecules is not economically viable. Recently, the use of agricultural waste materials containing SiO₂ is considered as an alternative to these precursor. The most remarkable one of these agricultural waste materials is rice husk. Rice husks contain approximately 20% amorphous SiO2 and rice husk ash (RHA) which is obtained by burning the rice husks at different temperatures, contain approximately 87-97% SiO₂. Pure silica can be produced from RHA by acid washing and alkali extraction processes, respectively. Burning rice husks cause environmental pollution and loss of valuable raw material which has use in different industrial and scientific applications. RHA is recycled in a low extent in metallurgical industry.

Studies on the evaluation of rice husk and its ash as a silica source are in progress.

Bioactive glasses, which contain silica, are used as bone defect fillers for bone repair and restoration, and bone grafting during maxillofacial surgery. Bioactive glasses basically consists of silicon, calcium, phosphorus and sodium oxides. Metal ions added affect the properties (mechanical, bioactivity, cell proliferation) of bioactive glasses.

Bioactive glasses are inorganic glasses that can bond to living tissues (bone, ligament, muscle ) through the formation of hydroxyapatite layer at the glass/tissue interface. The levels of bioactivity, that is, the rate of apatite layer formation, and the apatite like layer thickness depend on the glass chemical composition and on the morphological parameters, such as surface area, pore size, and pore volume.

Production of SiO₂ from RHA will be done in a batch reactor by sodium hydroxide extraction and acidification of obtained silicate solution with hydrochloric acid.

Produced SiO2 was used as SiO2 source in 45S5 bioactive glasses. These bioactive glasses were produced according to the melting method at 1450°C with CaO, P₂O₅, Na2O sources and RHA based SiO2. RHA SiO2 contains different metal ions (Mg, Mn,

Ti, Fe, Cu) at 3% as impurity which are compatible to human body. Whereas, SiO₂ which will be produced in this project contains clear majority of these ions. Within the aim of the project, mechanical properties (Vickers), bioactivity (SEM, XRD, behavior in artificial body fluid) of bioactive glasses, produced from RHA SiO₂ that contain these metal ions, was investigated. Besides naturally occurring impurities of produced SiO₂ Sr, Mg, Al that are investigated previously was added to bioactive glasses and their effects on mechanical and in vitro properties (mentioned above) of bioactive glasses will be studied. 45S5 bioactive glasses produced from commercial SiO₂ and RHA SiO₂, which are modified with these ions, will be compared according to their mechanical and chemical properties.

In this study, valued SiO₂ was produced from RHA, which is not an economically viable material, with purity and properties suitable to be used in bioactive glass. By doing so; recycling of RHA was provided and for the protection of the environment and economy contribution was done.

Keywords: Bioactive glass, biomaterials, rica hulk ash, silica

YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

BÖLÜM 1

GİRİŞ

1.1 Literatür Özeti

Günümüzde vücudunda yer alan kemiklerin çeşitli hastalıklara ya da zamana bağlı olarak yoğunlukları ve mukavemetleri azalmaktadır. Sonuç olarak kemik dokuda oluşan ciddi yaralanmalar vücut tarafından onarılamamakta ve sağlık açısından sorunlar yaratmaktadır. Yaşanan bu sorunların giderilmesi için implant malzeme kullanımı söz konusudur. İmplant malzemeler vücutta işlevini yapamayan kemik dokuların yerini alan onların fizyolojik fonksiyonlarını yerine getiren, mekanik özellikler açısından yerini aldığı doku ile benzer özelliklere sahip vücut tarafından kabul edilen malzemelerdir.

Tıbbi uygulamalarda kullanılan ve insan vücudundaki hasarlı doku ya da organların yerini alan malzemelere biyomalzeme denir. Biyomalzemeler zehirli ya da kanserojen olmamalı, biyouyumlu olmalı, vücut içerisinde korozyona dayanıklı olmalıdır.

Günümüzde kullanılan biyomalzemeler metaller, polimerler, kompozitler ve seramikler kullanılarak üretilmektedir. Biyomalzeme olarak kullanılan seramiklere “biyoseramik”

denilmekte olup biyoseramikler içerisinde yer alan biyoaktif camlar vücuttaki sert ya da yumuşak dokularla etkileşime girerek onlara bağlanma özelliği göstermektedir.

Biyoaktif cam malzemenin ana bileşeni diğer camlarda olduğu gibi silika olup, silika labratuar koşullarında TEOS (tetraorto silikat) gibi başlatıcılar kullanılarak üretilmektedir. TEOS oldukça pahalı bir malzeme olduğundan kullanımı ekonomik değildir. Bu nedenle alternatif silika kaynakları ile ilgili çalışmalar oldukça önem kazanmıştır.

Pirinç K.K (kabuğu külü) ‘de yanma koşullarına bağlı olarak % 87-97 arasında amorf silika içermektedir. İçerdiği bu yüksek silika oranından ötürü pirinç kabuğu külü günümüzde silika üretimi için oldukça önemli bir alternatif oluşturmaktadır.

1.2 Tezin Amacı

Çalışmada pirinç kabuğu külü gibi atık bir malzemenin değerlendirilerek silika üretiminde kulanılması ve üretilen pirinç kabuğu kökenli silikalarla 45S5 biyoaktif cam üretimi amaçlanmıştır. Üretilen biyoaktif camların bileşimine %1 MgO, %1 Al2O3 ve

%12.5 SrO ilave edilerek mekanik ve biyoaktivite özelliklerinin artırılması amaçlanmıştır.

1.3 Hipotez

Pirinç kabuğu külü içerdiği yüksek silika içeriğinden dolayı silika üretiminde kullanılma potansiyeline sahip olup, içerdiği safsızlıklardan ötürü ticari silikaya göre çeşitli üstünlükleri bulunmaktadır. Pirinç kabuğu kökenli silika içeren biyoaktif camlarında içerdiği silikanın özelliklerine bağlı olarak ticari silika içerikli biyoaktif camlara göre mekanik ve biyolojik üstünlükleri olabileği düşünülmektedir. Biyoaktif camların biyomedikal alanda kemik dokunun onarımında kullanılması ve kemik hücreleri üzerine etkilerinin tespit edilmesi ile bu etkilerin arttırılması için çeşitli iyonların kullanılması oldukça gündemdedir. Kemik doku içerisinde zaten doğal olarak bulunan Mg ve Sr iyonlarının biyoaktif cam yapısına ilave edilmesi ile biyoaktif camların hem mekanik hemde biyolojik özellikleri artırılabilmektedir. Al iyonunun mekanik dayanımı arttırıcı özelliğinden yola çıkarak biyoaktif cam içeriğine ilavesi camın mekanik özelliklerini artırmaktadır.

BÖLÜM 2

BİYOMALZEMELER

Canlı doku ya da organların yerini alan ya da onların işlevini tamamlayan doğal ya da yapay malzemelere biyomalzeme denir[1]. Herhangi bir malzemenin biyomalzeme olarak kullanılabilmesi için öncelikle vücut ile biyouyumlu olması gerekmektedir [2].

Şekil 2.1 de implant üretiminde kullanılan malzemeler verilmiştir.

Şekil 2.1Biyoamalzemelerin şematik olarak gösterimi

25 yıl öncesine kadar biyomalzeme olarak en yaygın kullanılan malzemeler polimerler ve metallerdi. Günümüzde ise biyomalzemeler çok çeşitli malzemelerden farklı formlarda üretilmektedir [3]. Biyomalzemeler vücut içerisine yerleştikten sonra gösterdiği özelliklere göre: biyoinert, biyoaktif, biyostabil, biyoçözünen olarak gruplandırılabilir. Günümüzde biyomalzeme üretiminde sentetik ya da doğal polimerler, metaller, kompozitler ve biyoseramikler (biyoaktif camlar) kullanılmaktadır [4]. İlk nesil biyomalzemeler mümkün olduğunca biyoinert üretilmiştir ve esas doku ile etkileşimlerindeki ara yüzeyde meydana gelen yara doku oluşumu en aza indirilmiştir.

İkinci nesil biyomalzemeler ise, 1969 yılında üretilen biyoaktif camlar sayesinde bir implantın yüzeyi ile doku arasında bağ oluşum yeteneğine sahip biyomalzemelerdir [8].

Günümüzde yaygın olarak kullanılan biyomalzemeler, özellikleri ve kullanım alanları çizelge 2.1 ‘de verilmiştir.

Çizelge 2.1Günümüzde kullanılan biyomalzemeler, özellikleri ve kullanım alanları

MALZEME AVANTAJI DEZAVANTAJI KULLANIM ALANI

Metaller Dayanıklı, sağlam,

Şekillendirilebilir.

Korozyona elverişli, yoğunluğu yüksek

Eklem protezi, kemik plakaları, vida, diş implantları

Polimerler Elastik, üretimi kolay Güçlü değil, zamanla deformasyona uğraması

Dikişler, kan damarı, kalça protezi soketi

Seramikler Yüksek biyouyumluluk İnert

Kırılgan, elastik değil, Üretimi zor

Diş kalça protezi kafası, İmplant kaplaması

Kompozitler Dayanıklı, özel tasarım Üretimi zor Eklem implantları, kalp kapakları

2.1 Biyomalzemelerin Sınıflandırılması

2.2.1 Metaller ve Alaşımları

Metaller yük mukavemeti yüksek, biyoinert malzemeler olup biyomalzeme endüstrisinde en yaygın kullanıma sahip malzemelerdendir. Yük mukavemetlerinin yüksekliğinden dolayı metaller; kalça protezi ve diz implantları gibi yük dayanımı gerektiren uygulamalar için en ideal malzemelerdendir [5]. Bunun yanında metal implantlar çene cerrahisinde, diş implantlarında kalp damar cerrahisinde de kullanılmaktadır [6]. En yaygın olarak kullanılan metalik malzemeler 316L paslanmaz çelik, Co-Cr alaşımları ve titanyum alaşımlarıdır [7]. Metaller sağlamlıkları, şekillendirilebilir olmaları ve yıpranmaya karşı dirençli olmaları gibi olumlu özelliklere sahip olmalarının yanında biyouyumluluklarının düşük olması, vücut sıvılarında korozyona uğramaları, dokulara göre çok sert olmaları, yüksek yoğunlukları ve alerjik

metal iyonu salınımına sebep olmaları gibi olumsuz özelliklere de sahiptirler[7] ,[9 ].

Vücut sıvılarında bulunan su, çözünmüş oksijen, proteinler ve çeşitli iyonların metalik sistemlerle reaksiyonu ile kimyasal aşınmaya sebep olur. Bu etki mekanik streslerin etkilerinin artmasına neden olur[8]. Biyolojik ortam ve mekanik streslerden kaynaklanan birçok mekanizma korozyon kaynaklı mekanik bozunmanın artmasına neden olmaktadır. Metal ve alaşımların kararlı halleri olan bileşik haline dönme eğilimleri yüksektir. Bunun sonucu olarak metaller içinde bulundukları ortamın elemanları ile tepkimeye girerek, önce iyonik hale gelir ve daha sonra ortamdaki başka elementlerle birleşerek bileşik haline dönmeye çalışırlar; yani kimyasal değişime uğrar ve bozunurlar. Sonuçta metal ya da alaşımın fiziksel, kimyasal, mekanik veya elektriksel özelliği istenmeyen değişikliklere (zarara) uğrar. Korozyon, metalik malzemelerin içinde bulundukları ortamla reaksiyona girmeleri sonucu, dışarıdan enerji vermeye gerek olmadan, doğal olarak meydana gelen olaydır. İmplant malzemesi olarak kullanılan metalik malzemelerde sıklıkla rastlanılan bir sorun olan korozif aşınma;

galvanik, yontulma, yarık, çukurlaşma ve intergranüler korozyon olarak karşımıza çıkmaktadır [6], [7].

2.2.2 Polimerler

Polimerler esnek, emilebilen, difüzyona uğrayabilen, kolaylıkla şekil verilebilen, basınca karşı dayanıklı malzemelerdir. Polimer; olumlu birçok özelliğinin yanında olumsuz özelliklerede sahiptirler. Bu olumsuz özellikler mekanik dayanımları düşük, yüksek oranda korozyona uğramaları ve düşük biyouyumlu malzemeler olmaları şeklinde sıralanabilir. Polimerler biyomalzeme endüstrisinde yapı iskelesi üretiminde, ilaç taşıma sistemlerinde ortodontik ve dental uygulamalarda kullanılmaktadır.

Polimerler; küçük, tekrarlanabilir birimlerin oluşturduğu uzun zincirli moleküllerdir.

Tekrarlanan birimler, “mer” olarak adlandırılır. Senteze başlarken kullanılan küçük molekül ağırlıklı birimlere ise “monomer” adı verilir. Polimerizasyon sırasında, monomerler doygun hale gelerek (zincir polimerizasyonu) veya küçük moleküllerin yapıdan ayrılması ile (H2O veya HCl ) değişir ve “mer” halinde zincire katılır.

Polimerlerin özellikleri, yapı taşları olan monomerlerden büyük farklılık gösterir. Bu nedenle uygulama alanına yönelik olarak uygun polimer seçimi dikkatli bir şekilde yapılmalıdır [10].

Polimerler biyomalzeme olarak kan damarı protezlerinde kalp kapakçıklarına, lenslerden ipliklere kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Kalça protezlerinde polimetilmetakrilat (PMMA) ve polietilen (PE) yaygın olarak kullanılmaktadır. PMMA hidrofobik, doğrusal yapıda bir zincir polimerdir. Oda sıcaklığında camsı halde bulunur.

Lucite ve Plexiglas ticari adıyla bilinir. Işık geçirgenliği, sertliği ve kararlılığı nedeniyle göz içi lensler ve sert kontakt lenslerde kullanımı yaygındır. Tıbbı uygulamalarda yüksek yoğunluklu PE kullanılır. Çünkü alçak yoğunluklu PE strelizasyon sıcaklığına dayanamaz. Malzemenin sertliği uygun, yağlara dirençli ve ucuzdur.

Polipropilen (PP) PE’ye benzer ancak daha serttir. Kimyasal direnci yüksek ve çekme dayanımı iyidir. PE’nin yer aldığı uygulamalarda PP’de kullanılır. Politetrafloraetilen (PTFE) teflon ticari adıyla bilinir. PE benzeri yapıya sahip olup PE’deki hidrojenlerin flor atomlarının yer değiştirmesi ile sentezlenir. PTFE hem ısıl hem de kimyasal açıdan çok karalıdır ancak işlenmesi zor bir malzemedir. Damar protezlerinde yaygın olarak kullanılır. Polivinilklorür (PVC) tıbbi uygulamalarda tüp formunda kullanılır. Bu uygulamar diyaliz, kan nakli ve beslenme amacıyla olabilir. PVC sert ve kırılgan bir malzeme olmasına karşın plastikleştirici ilavesi ile yumuşak ve esnek hale getirilir. PVC uzun dönem uygulamarda düşük zehir özelliğine sahip plastikleştircinin yapıdan sızması nedeniyle esneklik kaybı nedeniyle sorun yaratır. Polimetilsiloksan (PDMS) karbon ana zincir yerine silisyum oksijen ana zincirine sahip, diğer kauçuklara göre sıcaktan daha az etkilenir. PDMS drenaj borularında, kataterlerde, bazı damar protezlerinde, yüksek oksijen geçirgenliği nedeniyle solunum cihazlarında kullanılır [11].

2.2.3 Seramikler, Camlar ve Cam Seramikler

Seramikler metal ve alaşımları hariç kimyasal açıdan anorganik olan, polikristal yapıda, genellikle yüksek ısıda işlemlerle elde edilen ürün ya da malzemelerin tümü olarak tanımlanır. Seramiklerin bileşiminde silikatlar, alüminatlar ve bir miktarda metal oksitleri bulunur. Seramikler metallere göre korozyona daha dirençli malzemeler olup genel olarak sıvılar, gazlar, alkaliler ve asitlerle reaksiyona girmezler. Seramikler hafif, kırılgan ve iyi yalıtkan malzemelerdir. İnsan vücudunda zarar gören ya da işlevini yitiren parçaların tamiri, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması için kullanılan özel tasarımlı seramiklere biyoseramikler denir. Biyoseramikler vücut içerisinde genellikle iskelet sisteminin onarımı için kullanılmaktadır.

Biyoseramikler; tek kristalli (safir), çok kristalli (alümina ya da HCA ), cam (biyoaktif cam), cam seramik (A/W cam-seramik) ya da kompozit (polietilen-hidroksiapatit) şeklinde değişik fazlarda üretilebilmektedir. Değişik fazlardaki biyoseramiklerin farklı özelliklerde olmasından dolayı işlevleri de farklı olmaktadır[12]. Örneğin tek kristalli safir yüksek mukavemet gücü, yüksek yoğunluğa sahip olması ve korozyona karşı çok dayanıklı olması nedeniyle yük taşıyan kalça ve diğer eklemlerde protezlerinde ve diş hekimliği implantlarında yaygın olarak kullanılmaktadır [13]. A/W cam seramikler yüksek mukavemet ve kemiğe bağlanma özelliklerinden dolayı omurga tedavilerinde kullanılmaktadır. Biyoaktif camlar düşük mukavemete sahip olmalarına rağmen kemik dokuya hızlı bir şekilde bağlanmaları nedeniyle kemik doku onarımında yaygın olarak kullanılmaktadır [12]. Seramikler ve camlar biyomedikal alanda vücut dışında uzun yıllardan beri kullanılmasına rağmen son 25 yıldır vücut içerisinde kullanılmaktadırlar.

(Hubbert, 1987)

Çizelge 2.2 Biyoseramiklerin formu, fazı ve işlevleri

FORM FAZ İŞLEV

Toz Polikristal

Cam

Boşluk doldurma, tedavi edici uygulama, doku yenilenmesi

Kaplama Polikristal

Cam

Cam seramik

Dokuya bağlanma, korozyona karşı koruma, pıhtılaşmaya karşı direnç oluşturma

Yığın Tek kristal

Polikristal Cam

Cam seramik Kompozit (multi faz)

Dokunun yerini alma ya da doku hücrelerinin çoğalması, dokuların işlevini yerine getirme

Biyoseramiklerin formu, fazı ve işlevleri çizelge 2. 2 ’de verilmiştir. Biyomalzemeler vücut içerisine yerleştirildikten sonra toksik ise dokunun ölmesine, inert ise fibröz enkansülasyon oluşumuna, çözünen bir malzeme ise dokunun malzeme ile yer değiştirmesine, biyoaktif ise bir ara yüzey oluşumu ile dokuya bağlanır. Biyoseramikler bileşimine bağlı olarak biyoinert, biyoaktif ya da emilebilir özellik gösterirler.

Biyoseramik malzemeler dokuda oluşturdukları cevaba göre çizelge 2. 3 deki gibi sınıflandırılabilir.

Çizelge 2. 3 Biyoseramiklerin dokuda oluşturdukları cevaba göre sınıflandırılması

Biyoseramik türü Doku cevabı Örnek

Gözeneksiz, inert, yoğun seramikler

Çok ince fibröz doku oluşumu Alemina, zirkonya

Gözenekli, inert seramikler Gözenek içerisinde doku büyümesi

Hidroksi apatit (HA)

HA ile kaplanmış metaller, biyoaktif seramikler

Doku ile implant ara yüzey bağlanması

Biyoaktif camlar Cam seramikler HA

Resorbe edilebilir seramikler Emilme Trikalsiyum fosfat

Biyoaktif camlar

2.2.4 Kompozitler

Kompozitler farklı kimyasal yapıdaki iki ya da daha fazla malzemenin sınırlarını ve özelliklerini koruyarak oluşturduğu çok fazlı malzemelerdir. Kompozit malzemeler kendisini oluşturan malzemelerin tek başına sahip olmadığı özelliklere sahiptir.

Kompozit malzeme “matris” olarak adlandırılan bir malzeme içerisine güçlendirici malzemelerin katılması ile hazırlanır. Matris olarak çeşitli polimerler, güçlendirici olarak da daha çok cam, karbon ya da karbon lifler bazen de mika ve çeşitli seramik tozlar kullanılır. Kompozitler yüksek dayanıma ve düşük elastik modülüne sahip olduklarından ortopedik uygulamalarda kullanılır. Kompozit malzemenin bileşimi değiştirilerek implantın vücuttaki kullanım alanına göre mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlaması kolaylaştırılabilir. Kompozit malzemeler homojen malzemelere oranla yapısal uyumluluğun sağlanması açısından daha avantajlıdır [14].

BÖLÜM 3

KEMİK YAPISI

Kemik doku vücutta bulunan en sert dokudur. Kemik doku vücutta; hareketi sağlama, iç organları korum, kan hücresi üretme gibi fonksiyonları yerine getirir. Kemik doku sert bir doku olmasına rağmen karşılaştığı basınca ve darbelere karşı şekil değiştirebilen bir dokudur (örneğin bozuk dişlerin diş telleri etkisi ile değişimi). Kemik dokuda diğer bağ doku kökenli dokular gibi hücre sayısı az, ara madde miktarı fazladır. Kemik dokuyu meydana getiren unsurlar:

A) Hücreler:

 Osteoprogenitör hücreler: Kök hücre özelliğine sahip hücreler olup, kemik hücresi olma yönünde koşullanmış mezankimal hücrelerdir. Olgunlaşmış kemikte kemiği saran zarlar içerisinde ve kemik kanallarının içerisindeki damarlar etrafında inaktif olarak bulunurlar. Şekilce fibroblastlara benzerler. Yeni kemik yapımı ve kemik kırıklarının onarımı sırasında mitoz bölünme ile çoğalarak osteosit hücrelerine dönüşür.

 Osteoblastlar: Osteoprogenitör hücrelerden meydana gelirler. Kollejen sentezlerler.

Osteoblastlar aynı zamanda sentezledikleri alkalin fosfataz enzimi ile kandan buraya geçen kalsiyum ve fosfor iyonlarını çökmesini sağlar. Böylece kireçleşen ara maddeye hapsolur ve aktiviteleri azalır, osteositlere dönüşürler.

 Osteositler: Ürettiği salgı içerisinde hapsolan osteoblast hücreleri osteosit hücrelerine dönüşür. Osteositler olgun kemik hücreleridir, sahip oldukları sitoplazmik uzantılara sahip olu kemik ara maddesi sertleşmiş olduğundan madde alış verişini gerçekleştirirler.

Aktif hücreler olup kemik dokunun beslenmesinde rol oynarlar. Öldükleri zaman osteoklast hücreleri tarafından resorbe edilirler, yerine yeni kemik doku yapılır.

 Osteoklastlar: Kemik resorbsiyonunu sağlayan hücrelerdir. Bu nedenle kemik yıkımında belirip daha sonra kaybolurlar. Kandan gelen monositlerin birleşmesi ile meydana gelen dev hücrelerdir.

B)Ara madde:

a) Organik maddeler: Osteoblast hücreleri tarafından sentezlenir. Bu yapının büyük kısmı kollejen liflerden, protein ve glikozamin glikanlardan oluşan temel maddelerden yapılmıştır. Gelişmiş bir kemik dokuda lifler paralel ve belirli aralıklarla aralarında porlar bırakacak şekilde yerleşmiş olup aralarında hidroksi apatit kristalleri yerleşiktir.

(dokuya sertlik veren maddedir ) kemik matriksi genel olarak asidofiliktir.

 Glikoproteinler

 Proteoglikanlar

 Kollejenler

b) İnorganik maddeler: inorganik maddelerin başında kalsiyum, fosfat, magnezyum, sitrat gibi maddeler gelir. Kalsiyum ve fosfat hidroksi apatit kristalleri şeklindedir ve kemik kollejenlerinin yanında iç içe organize olmuştur. Hidroksi apatit kristallerinin kemikteki önemi, kollejenlerle beraber kemik sertliğini ve dayanımını sağlamasıdır. İnorganik maddeler kemik kuru ağırlığının % 50’sini oluşturur[29].

3.1 Hidroksiapatit Yapısı

Biyoaktif camlar vücut sıvılarında çözünerek çeşitli kimyasal reaksiyonlara sebep olmakta, bu durumda camın yüzeyinde hidroksikarbonatapatit (HCA) tabakası oluşturarak kemiğe bağlanmayı sağlamaktadır. HCA (Ca10(PO4)6(OH)2) tabakasının oluşumunda biyoaktif camın kompozisyonu oldukça etkilidir[23]. HCA kimyasal yapısı şekil 1.’de gösterilmiştir.

Şekil 3.1 Hidroksikarbonatapatit yapısı

Herhangi bir biyomalzemenin biyoaktif olarak kabul edilmesi için vücut sıvısı içerisine yerleştirildikten sonra yüzeyde HCA tabakası oluşturması gerekmektedir [28].

Kalsiyum fosfat çeşitleri içinde hidroksi apatit en kararlı form olup, vücut sıvıları içinde dekompozite olmamaktadır. HCA osteokondüktif ve oseinkondüktif bir materyal olduğundan implant ile kemik arasında oluşumu ile kemik dokunun yenilenmesi sağlanmaktadır. HCA ve kalsiyum fosfat kemik hücrelerinin gelişimini aktive ettiği gibi aynı zamanda mükemmel bir şekilde kemik dokuya bağlanmaktadır [23].

BÖLÜM 4

BİYOAKTİF CAMLAR

Biyoaktif camlar silika temelli malzemeler olup, vücut sıvısıyla temas ettiklerinde çeşitli kimyasal reaksiyonlar ile hem yumuşak hem de sert dokulara bir dizi tepkime sonucu hızlı bir şekilde bağlanma özelliği göstermektedir[15]. Biyoaktif camların keşfine kadar vücut içerisinde implant olarak kullanılan biyomalzemeler, metaller ve polimerler gibi biyoinert, doku ile arasında kararlı bir ara yüzey oluşturamayan, implantasyondan sonra fibröz enkapsülasyon gibi istenmeyen etkiler oluşturan malzemelerdi. 1969 yılında Larry Hench tarafından keşfedilen silika ve fosfat temelli biyoaktif camlar ise fizyolojik sıvılarda yüzey aktif özelliğe sahip olup yüzeyde hidroksikarbonatapatit (HCA) tabakası oluşturarak kemik doku gibi canlı dokulara bağlanabilmektedir[16] . Larry Hench ilk ürettiği biyoaktif camları farelerin femur kemiğine implante etmiş ve canlı kemik dokuya güçlü bir şekilde bağlandığını tespit etmiştir. [17] İlk üretilen biyoaktif camlar amorf yapılı, kompozisyonu ağırlıkça % 45 silika (SiO2), % 24.5 sodyum oksit (Na2O), %24.5 kalsiyum oksit (CaO) ve % 6 fosfat penta oksit (P2O5) olup, %45 silika içermesi ve CaO ile P2O5 ‘in molce oranın 5 olmasından dolayı 45S5 BİYOAKTİF olarak adlandırılmaktadır. 45S5 biyoaktif camdan sonra üretilen biyoaktif camlara da bileşimlerine göre isimlendirilmektedir.

Şekil 4.1 Hench tarafından çizilen 45S5 biyoaktif camın faz diyagramı

Biyoaktif camların kemik doku gibi canlı dokulara bağlanma oranı büyük ölçüde bileşimine bağlı olup Hench tarafından çizilen faz diyagramı şekil 4.1 de verilmiştir.

Biyoaktif cam ve cam seramiklerin kemiğe bağlanabildikleri bileşim aralığı A bölgesi olarak gösterilmiştir. Sınırlar faz denge sınırları değil kinetik sınırlardır. En yüksek seviyede biyoaktiviteyi ve en hızlı şekilde kemik dokuya bağlanma özelliğine sahip camlar Na₂O- CaO- SiO₂ diyagramının ortasında yer almaktadır. (E bölgesi) Tüm bileşimler ağırlıkça %6 P2O5 içermektedir. Daha yavaş hızda bağlanma sergileyen bileşimler ağırlıkça %52-60 SiO2 içeren bölgede bulunmaktadır. %60 ‘dan fazla SiO2

içeren bileşimler (B bölgesi) kemiğe bağlanmamaktadır ve biyoinerttir. Yapılan çalışmalarda yalnızca hızlı tepkime özelliğine sahip biyoaktif camlar yumuşak dokuya bağlanabilme söz konusudur. (S bölgesi) cam bileşiminde SiO2 oranı % 52 ‘yi aştığında ise biyoaktif yumuşak dokuya bağlanamayıp, sert dokuya bağlanabilir[18].

[1] Çizelge 4.1 Biyoaktif cam çeşitleri ve içerikleri [2] (*içeriği oranı%mol )

Biyoaktif cam

SiO₂ CaO Na₂O P ₂O₅ B₂O ₅ F₂Ca

42SF* 42.1 17.4 26.3 2.6 11.6

45S5.4F* 46.1 16.2 24.4 2.6

45S5 45 24,5 24,5 6

45S5F* 43 12 23 6 16

45B15S5 30 24,5 24,5 6 15

45B5S5 40 24,5 24,5 6 5

46SF* 46.1 16.14 24.4 2.6 10.76

52S4,6 52 21 21 6

54S4,3 52 19,5 19,5 6

58S* 60 36 0 4

Biyoaktif camları çok çeşitli oranlarda ve bileşimlerde üretmek mümkün olup, bugüne kadar üretilen biyoaktif camların bazıları ve içerikleri çizelge 4.1’ de verilmiştir.

Biyoaktif camlarda molce CaO /P2O5 oranı 5’den daha küçük olması durumunda biyoaktiftik özelliği göstermediği bununla beraber 45S5 biyoaktif camlara ağırlıkça %5- 15 oranında silika yerine B2O5, ağarlıkça %12,5 oranında CaO yerine CaF2 ilave edildiğinde biyoaktif özelliği devam ettiği yapılan çalışmalarda tespit edilmiştir. [9-10]

Gross ve arkadaşları (1985) biyoaktif camlara az oranda alkali ilave edilmesinin (ağırlıkça %0-5) kemiğe bağlanmayı engellemediğini ortaya koymuşlardır. Al2O3, Ta2O5, TiO2, Sb2O3, ZrO2‘ nin az oranda biyoaktif cam kompozisyonuna ilave edilmiş camların kemiğe bağlanma özelliklerinin azaldığını ortaya koymuşlardır.

Biyoaktif camlar ilk keşfedildiğinde bileşimde yer alan P2O5 ‘in camın biyoaktif özellik kazanmasında çok önemli bir rolü olduğu düşünülmekteydi. Ancak daha sonra yapılan çalışmalarda fosfat içermeyen biyoaktif camların fosfat içeren biyoaktif camlar kadar iyi

kemik dokuya bağlandığı tespit edilmiştir. Kokobu ve çalışma arkadaşları (Ç.A.) yaptıkları çalışmalarda ergitme yöntemi ile üretilen biyoaktif camların minimal bileşiminin CaO-SiO2 olduğunu, Li ve Ç.A. ise yaptıkları çalışmalarda sol jel yöntemi ile üretilen biyoaktif camlarda silika oranının % 85’e kadar çıkabileceği ve minimal bileşimin Na2O-CaO-SiO2 olduğunu ortaya koymuştur. Cam bileşiminde yer alan fosfatın vücut içerisine yerleştikten sonra yüzeyde oluşan kalsiyum fosfat tabakasının meydana gelmesine katkıda bulunduğu tespit edilmiş olup yüzeyde kalsiyum fosfat tabakasının meydana gelmesi için gerekli fosfat vücut sıvısından geldiği için biyoaktif cam bileşiminde fosfat olmasada yüzeyde aynı şekilde kalsiyum fosfat oluşmaktadır [19].

Biyoaktif camlar hem kemik doku gibi canlı dokulara bağlanmakta hem de kemik dokuda yer alan kemik kök hücrelerinin çoğalması ve farklılaşmasını stimüle etmektedir. Biyoaktif camların kendilerine özgü bu özellikleri gösterebilmeleri için üç anahtar özelliğe sahip olması gerekmektedir [19]. Bunlar:

1. %60’dan daha az oranda silika içerme (sol jel yöntemi ile üretilen camlarda silika oranı artabilir)

2. Yüksek sodyum oksit ve kalsiyum oksit oranına sahip olma 3. Yüksek CaO / P2O₅ oranına sahip olma.

Çizelge 4.2 45S5 Biyoaktif cam^®, A/W Cam Seramik, İnsan Kortikal Kemik ve süngerimsi kemiğin mekanik özellikleri

Özellik Basma Dayanımı

(MPa)

Gerilme Dayanımı

(MPa)

Elastisite Modülü

(GPa)

Kırılma Tokluğu

(MPa m

45S5 Biyoaktif cam

42 35 0.5-1

Cam-Seramik A/W

1080 215 118 2.0

Kortikal Kemik 130-180 50-151 12-18 6-8

Süngerimsi Kemik

4-12 - 0.1- 0.5 -

Biyoaktif camların biyomalzeme olarak en büyük avantajı hızlı bir şekilde dokulara bağlanma özelliği göstermesi iken en büyük dezavantajı ise amorf yapıya sahip olmaları, iki yönlü cam ağından kaynaklanan mekanik zayıflıkları ve kırılma tokluklarıdır. Çizelge 4.2 ‘de 45S5 biyoaktif cam , A/W cam seramik, kortikal ve süngerimsi kemiklerin mekanik özellikleri verilmiştir. Çizelge 4.2 de yer alan biyoaktif camların eğilme dayanımı 40-60 MPa arasında olup, bu değerler yük taşıma özelliği gösterebilmeleri açısından yetersizdir [12]. Biyoaktif camlar düşük mekanik dayanımlarından ötürü daha çok kaplama malzemesi olarak ya da toz halinde kullanılmaktadır [12].

4.1 Biyoaktif Camların Atomik Yapısı

Biyoaktif camların atomik içyapıları normal pencere camının içyapısına benzer özelliktedir. Biyoaktif camların vücut sıvılarında göstermiş olduğu biyoaktivitenin anlaşılabilmesi için öncelikle atomik yapılarının anlaşılması gerekmektedir [20].

Biyoaktif camların göstermiş olduğu özellikler biyoaktif camın yüksek oranda düzensiz multikomponent yapısı ile ilgilidir. Biyoaktif camların içeriğini diğer camlarda olduğu gibi 3 ana grup altında toplamak mümkündür. Bunlar:

 Cam yapıcılar

 Ağ yapı düzenleyiciler

 Ara oksitlerdir.

4.1.1 Cam yapıcılar

Camın temel yapısını oluşturan maddelere cam yapıcılar denir. Biyoaktif camlarda cam yapıcı silisyum dioksittir. SiO2 camın oluşumu için zorunlu olup, camın ağ yapısını oluşturur [20]. SiO2’de bir silisyum atomuna 2 oksijen bağlı olmasına rağmen kristal yapı içerisinde her silisyum atomuna 4 oksijen atomu bağlıdır ve her bir oksijen atomu iki silisyum atomu arasında köprü görevi yapar. ( ≡Si-O-Si ≡ ) Bir oksijen iki silise bağlı ise bu yapıya köprü yapmış oksijen ( bridging oxygen- bağlı oksijen-BO ) denir.

Biyoaktif cam yapısının ana bileşeni olan silika camın tam olarak erimesini ve homojenleşmesini sağlamaktadır [21].

4.1.2 Ağ Yapı Düzenleyiciler

Biyoaktif camların üretiminde kullanılan SrO, MgO, CaO, Na2O yapıda ağ düzenleyici olarak görev alır. Silika biyoaktif camların ana bileşeni olmakla beraber soda (Na2O ) da en çok kullanılan ağ yapı düzenleyicisidir. Alkali oksitlerin ilavesi 1700 ° C’de ergiyen silikanın 1450-1500 ° C lerde ergitilmesini sağlar. Ağ yapı düzenleyiciler ağ yapısını bozarlar. Örneğin; silise Na2O ilavesi iki madde arasında kimyasal bir reaksiyona sebep olur. Na2O silis karışımı camın ergime sıcaklığından daha düşük sıcaklıklarda reaksiyon verir. Na2O miktarının artırılması ile reaksiyon sıcaklığı 1000

°C’ derecenin altına kadar düşebilir. Soğutulduğunda soda silis karışımı da silis camı gibi bir cam oluşturur [21].

Cam yapısı sürekli olarak SiO4 tetrahedral yapısı üzerine kurulmuş olup, bu oluşum sırasında kristal yapıdaki bağlar kırılmış ve Na aradaki boşluklara yerleşmiştir. Kristal yapıdaki boşluklar muntazam şekil ve büyüklüğe sahiptir. Soda silis camının bileşiminde Na2O miktarı artırıldığında camın suyun kimyasal etkilerine karşı olan hassasiyeti de artar. Na₂O tarafından aynı zaman da yapıya ekstra oksijen ilavesi olduğundan oksijenlerin tümü bağlanmış halde değildir. Dolayısıyla cam yapısındaki O/Si oranı 2’nin üzerindedir. Na2O ilavesi camın termal genleşme katsayısını artırırken kimyasal ve termal dayanımını azaltır. Biyoaktif camların yapısına Na2O’ ya ilave olarak K₂O gibi diğer oksitlerde katılabilir Ancak K⁺ ‘nın atom çapı Na⁺ ‘dan daha büyük olduğundan potasyum iyonunun cam içerisindeki hareketliliği daha azdır.

Yaygın olarak kullanılan bir başka ağ yapıcı madde de kireçtir (CaO). CaO ilavesi daha çabuk sertleşen, yüksek kimyasal dayanıma sahip cam elde edilmesini sağlar. Biyoaktif camların yapısına CaO gibi MgO de ilave edilebilir. Biyoaktif camın bileşimine CaO’

ya ilave olarak katılan MgO camın dayanımını artırır, ancak CaO kadar etkili değildir [21].

4.1.3 Ara oksitler

Ara oksitler biyoaktif camların yapısında ağ bozucu etki yapabilecekleri gibi biyoaktif camın bileşimine ve üretim tekniğine bağlı olarak ağ yapı içerisinde de yer alabilirler.

Biyoaktif camın bileşimine giren cam oluşturucular, ara elementler ve düzenleyiciler arasındaki önemli farklar genel anlamda bu sıraya bağlı olarak;

1. Cam oluşturma eğiliminin azalması

2. Yapısal bağların yavaş yavaş kovelent tipten iyonik tipe değişmesi 3. Asidik karakterli oksitlerin amfoterik ve bazik karakterli oksitlere geçişi 4. İyon çapının artması, iyon şarjının azalması şeklinde özetlenebilir.

Biyoaktif camların yapımında kullanılan ara oksitlerden biri alüminadır. Ara oksidin görevi camın kristallenme eğilimini azaltmak ve sağlamlığını artırmaktır. Camın atomik ağ yapısına bir cam yapıcı gibi katılırlar [21]. Biyoaktif camların atomik yapısı şekil 4.2

‘de verilmiştir.

Şekil 4.2 Biyoaktif camın bir simülasyonu

NBO = oksijen bağlı olmayan köprüler (non-bridging oxygen) BO = oksijen bağlı köprüler (bridging oxygen)

Silika camlar amorf yapılı olup, birbirine kovalent olarak bağlanmış tetrahedral SiO4

yapısı ile karakterize olmaktadır. SiO₄ yapısında bulunan her iki silisyum atomu arasında bir oksijen atomu köprü görevi görmektedir. (bağlı oksijen-BO) [1] Tetrahedral yapıları arasındaki bağlılığın yüksek düzeyde olması sebebiyle, kısa mesafede yüksek hızda yapının bozunması gerçekleşmektedir. Amorf SiO_4, 4 yakın tetrahedraya bağlı BO’lardan oluşmuş tetrahedronlar ile 3 boyutlu ağ yapısı olarak karakterize edilmiştir.

Eklenen alkali ya da alkali-metal katyonları (ağ düzenleyiciler) , silikat ağ yapısını, Si- BO-Si ile Si-NBO (NBO – non-BO bağ yapmamış oksijen )’in yer değiştirmesi ile kırar. NBO’ lar ile modifiye edici katyonlar (Na ve Ca) arasındaki iyonik bağlar, Si-O bağlarından zayıf olduğundan, lokal yük dengesini ve nötral durumu sağlamaktadır.

45S5 camlarında düşük silika miktarı nedeniyle, fragmentlerin bir diğerine bağlanması durumu ile stabil camın formasyonu için modifiye ediciler-NBO etkileşimleri çok önemlidir [20].

Biyoaktif camlar SiO₄ tetrahedronlarını içeren açık ağ yapısına sahip silika bazlı materyallerdir. Açık ağ yapısı alkali ve toprak alkali katyonlarının (NA⁺, K⁺, Ca⁺² gibi) açık yapıya yerleşmesine olanak sağlar. Bu katyonlar ağ düzenleyici olarak görev yaparlar ve cam ağ yapısında düzenli olarak bulunan bazı Si-O-Si bağlarının kırılmasına ve oksijen ile köprü yapmamış grupların meydana gelmesine yol açar.(Si-O-NBO) Daha Önce bahsedildiği gibi biyoaktif camların vücut sıvılarında yüzeylerinde meydana gelen HCA tabakası oluşumu sırasında silanol grupları oluşur ve oluşan silanol grupları biyoaktif camın çözünmesine etki eder. Cam yapısına ağ düzenleyici katyonların ilavesi NBO sayısını artırır. Cam yüzeyinde silanol gruplarının oluşması aracığıyla biyoaktif camın çözünme oranının artması ile biyoaktif cam iyi bir biyoaktiviteya sahip olur [78].

Biyoaktif camın üretim tekniği biyoaktivite üzerine de etki eder. Biyoaktif camların biyoaktivitesi camın ağ bağlantısı (network connectivity-NC) ile ilişkilidir. Ağ bağlantısı her bir SiO₄ tetrahedronlarında yer alan köprü yapmış oksijen sayısı ile ilişkilidir. Ağ bağlantısı biyoaktif camların kimyasal ve termal davranışları üzerine etkilidir. Genel olarak biyoaktif camların ağ bağlantı arttıkça biyoaktivitesi azalmaktadır. 4.1 de yer alan denklemde ağ bağlantısının genel formülü verilmiştir [84].

(4.1)

Formülde yer alan BO, cam yapıcı olarak görev alan her bir iyon için köprü yapmış oksijen sayısının toplamını belertirken, NBO ise cam yapısında bulunan ağ modifiye edici her bir iyon için köprü yapmamış oksijen sayısının toplamını belirtmektedir. G ise biyoaktif cam yapısında bulunan toplam cam yapıcıları belirtmektedir. Ağ bağlantı değeri 2,4’den büyük olan camların biyoaktivite göstermezler.

4.2 Biyoaktif Camların Kemiğe Bağlanma Mekanizması

Biyoaktif camın vücut sıvısında çözünmesi sonucunda meydana gelen kimyasallar ve vücut sıvısında meydana gelen pH değişimi biyoaktif cam yüzeyinde hidroksikarbonatapatit (HCA) tabakası oluşmasına sebep olur. İn vitro (vücut dışı) ortamda yapay vücut sıvısı içerisinde ve in vivo (vücut içi) ortamda biyoaktif cam yüzeyinde HCA tabakasının oluşması 5 aşamada gerçekleşir[22]. Bunlar:

1. Biyoaktif cam vücut sıvısı ile temas ettikten sonra cam ağ düzenleyicileri olan Na+ ve/veya Ca⁺ iyonları hızlı bir şekilde solüsyondan gelen H⁺ iyonu ile yer değiştirir. Biyoaktif cam fosfat içeriyorsa fosfat iyonları da çözünerek solüsyona doğru geçer. İyon değişimi cam yüzeyinde Si-OH (silanol) bağlarının oluşmasına yol açar.

[22]

Si---O---Ca⁺² + H⁺+ OH^- Si---O---H+Ca ⁺² (aq) + OH^-

H+ iyonlarının çözeltide azalması çözeltideki OH- iyonlarının oranının artmasına ve solüsyon pH’sının artmasına yol açar. Solüsyonda pH yükselmesi HCA tabakası oluşması açısından oldukça önemlidir. pH’ın artması cam yüzeyine yakın bölgelerde olur. Biyoaktif camlar vücut sıvısı ile temasa geçtiklerinde pH’ın hızlı bir şekilde bazı durumlarda 15 dakika içerisinde 9 hatta 10’a kadar yükselmesine yol açar. Biyoinert camlarda pH’ın bu şekilde yükselmesi söz konusu değildir [23].

2. pH’ın lokal yükselmesi camda yer alan Si-O-Si bağlarının kırılmasına yol açar.

Cam yüzeyinde bulunan silika Si(OH)4 formunda bulunan SiO2, Si-O-Si bağlarının kırılması ile Si-OH (silanol) formuna doğru geçer.

Si---O---Si + H₂O Si---OH+ OH---Si

3. Komşu Si-OH gruplarının kondenzasyonu ve polimerizasyonu ile yüzeyde 1-2 µm kalınlığında bir silika jel tabakası meydana gelir [24].

4. Silika polimerazasyonundan sonra solüsyonda bulunan kalsiyum ve fosfat iyonlarının biyoaktif cam yüzeyine çökmesini yine solüsyonda bulunan OH^-/ PO₄^3- anyonlarının Ca⁺ ile birleşmesi ile biyoaktif cam yüzeyinde daha önce oluşan silika jel tabakasını üzerinde amorf kalsiyum fosfat ( CaO–P2O5) tabakası meydana gelir. CaO–

P2O5 tabakasının oluşmasında solüsyonda bulunan Ca²⁺ ve PO43-

miktarı etkiliyken, Ca⁺² ve Si(OH)4 oranı ise hidroksi apatit oluşumunda kritik öneme sahiptir [25] .

5. Amorf CaO-P 2O5 tabakası solüsyondan gelen OH^-, (CO3)^-2 anyonları ile birleşmesiyle amorf kalsiyum fosfat tabakasının kristalizasyonu ile hidroksi apatit tabakasına dönüşür. Hidroksi apatit tabakasının oluşumu için öncelikle Ca/P oranının 1.5 ve üzerinde olması gerekmektedir. HCA’nın çekirdeklenme ve büyüme mekanizması, hidrate olmuş silikanın yüzeyde hazır bulunması ile hızlanır. Oluşan bu yüzey kimyasal ve yapısal olarak doğal kemiğe çok benzediği için vücut dokularının

yüzeye bağlanması mümkün olmaktadır. Tepkime devam ederken HCA tabakası bağlanma bölgesi oluşturmak için 100 µm ‘ye kadar büyür. Bu tepkimeler biyoaktif cam vücuda yerleştirildikten sonra ilk 12-24 saat içerisinde gerçekleşmektedir. Şekil 3.3’de biyoaktif cam yüzeyinde HCA oluşumu sırasında meydana gelen iyon değişimi verilmiştir.

Şekil 4.3 Biyoaktif cam yüzeyinde HCA oluşumu aşamasında iyon değişimi [28]

6. Hidroksi kalsiyum apatit (HCA) tabakasının oluşumundan sonra osteoprogetitör hücreler çoğalıp, farklılaşarak biyoaktif camın biyolojik olarak kemiğe bağlanmasını sağlar. [26] Biyoinert malzemelerde osteoprogenitör hücrelerin osteoblast hücrelerine dönüşümü malzemeden herhangi bir iyon salınımı gerçekleşmediğinden gerçekleşmez.

Bu duruma ek olarak fibronektin ve vibronektin gibi ekstrasellüler matriks elemanları sentezler. Matriks oluşumunu daha sonra mineral birikimi izler ve osteosit hücreleri kollejen-HCA matriks içine gömülür. Bütün bu süreç 6- 12 gün içerisinde gerçekleşir.

[27], [28] Şekil 3.4’ de biyoaktif cam yüzeyinde HCA oluşumu verilmiştir.

Şekil 4.4 Biyoaktif camların yüzeyin HCA oluşum basamakları [27]