3/7/2016 BİYOMEDİKAL MALZEMELERDEKİ GELİŞMELER (II) ( ) Tablo 8. Karbon implantların bazı uygulamaları

Transkript

1 BİYOMEDİKAL MALZEMELERDEKİ GELİŞMELER (II) ( ) 5. METALİK OLMAYAN İMPLANT MALZEMELERİ Medikal uygulamalarda kullanılan ve metalik olmayan malzemeleri 3 ana başlık altında incelemek mümkündür. Bunlar; 1 a) Karbon esaslı implant malzemeleri b) Polimerik esaslı implant malzemeleri c) Seramik implant malzemeleri dir Karbon Esaslı İmplant Malzemeleri Birçok farklı atomik yapısal formda meydana gelebilen karbon, biomedikal alanda çok önemlidir. Karbon-karbon kompozitler eklem yerlerinde yük taşıyan kısım olarak kullanılır. Bazı karbon formları kimyasal ve mekanik yapıları nedeniyle kemik, kıkırdak, tendon, bağ ve damarlı dokular gibi hasarlı biolojik yapıların yerine kısmen bazen ise tamamen kullanım için son derece uygundur. 3 Karbonun özel formlarından kan arıtıcısı için çalışmalar yapılmaktadır. 4 Tablo 8. Karbon implantların bazı uygulamaları Karbonun diğer malzemelere göre en büyük avantajı, mekanik özellikleri ve mükemmel biyolojik uyumluluğudur

2 6. POLİMERİK ESASLI İMPLANT MALZEMELERİ Medikal olarak en yaygın kullanım alanları ortopedik ve kardiyovasküler uygulamalardır. İmplant olarak polimerlerin geliştirilmesine son yıllarda başlanmıştır. 7 8 Tablo 10. Polimerik biomalzemelerin bazı kullanım alanları Şekil 23. İnsan vücudunda kullanılan polimerik biomalzemeler 9 10 Poliamid: dikiş ipliği, yapay piller, Polietilen (PE) : Yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) kalça protezi, kalp pili ve yapay böbrek kan portları(tutamaçları) üretiminde, Diyaliz (kanın makineyle süzülmesi) makinaları, kan damarları, yapay böbrekler, kan torbaları, medikal borular, yüz (estetik), mide segmenti ve kulak gibi uygulamalarda da kullanılmaktadırlar. Polietilen Teraftalat: kan damarları, 11 Şekil 19. PVC den yapılan kan torbası 12 2

3 Polisiloksan veya Polidimetilsiloksan (PDMS): C-HanazinciriyerineSi-O ana zincirine sahiptir.polisiloksan birçok tıbbi uygulamalar için silastik ticari adı altında görülen silikon polimerleri için kimyasal isimdir. Silikon polimerler implantasyonlarda en yoğun kullanımı olanlardır. Parmak eklemleri, yapay kalp kapakçıkları, hemodiyaliz için atar ve toplardamar makasları, kan oksijenizasyon zarları, yapay deri ve ilaç salım sistemleri, dış kulak, kas, çene ve burun implantları, yanık tedavisi gibi tıbbi uygulamalar bazı örnek uygulamalardır Silikon polimerlerin mükemmel biolojik uyumlulukları onları diğer polimerlerin gelişiminde referans malzemesi yapmıştır. Fakat en büyük dezavantajları mekanik özelliklerinin zayıf oluşudur. polymer injectable materials Şekil 20. Polidimetilsiloksan (PMDS)mikroyapısı Şekil 21. Polidimetilsiloksan (PMDS) dan yapılan oksijenatör (solunum cihazı) Şekil 22. Polidimetilsiloksan (PMDS) dan yapılan hidrosefali şantı* *(omurilik sıvısının çekilmesinde kullanılan bir cihaz)

4 Politetrafluroetilen (PTFE): Teflon ticari adıyla bilinir. Polietilen (PE) benzeri yapıda olup, PE'deki hidrojenlerin flor atomlarıyla yer değiştirmesi sonucu sentezlenir. PTFE, hem ısısal hem de kimyasal olarak çok kararlı olmasına rağmen, işlenmesi zor bir polimerdir. Mükemmel kayganlığa sahip PTFE damar protezlerinde kullanılır. Polihidnogsietilmetakrilat : Yumuşak lens, yanık tedavisi, ilaç salım sistemi en çok kullanıldığı yerlerdir. Polimetil Metakrilat (PMMA) : Işık geçirgenliği, sertliği ve kararlılığı nedeniyle göz içi lensler ve sert kontakt lenslerde kullanılır Hidrojeller Hidrojeller, suda şişebilen, çapraz-bağlı polimerik yapılara denir. Hidrojeller, tıbbi uygulamalar açısından sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle son 30 yıldır ilgi odağı durumundalardır. Tıbbi uygulamalarda en yaygın olarak kullanılan hidrojel, çapraz-bağlı PHEMA (polihidroksimetilmetakrilat) dır. Normal biyolojik reaksiyonlarda inert tir. Bozunmaya dirençlidir, vücut tarafından emilmez, ısıyla steril edilebilir, çok değişik şekil ve formlarda hazırlanabilir. Tıbbi öneme sahip diğer hidrojel, poliakrilamid dir Hidrojellerin ilk uygulaması, kontakt lensler olarak ortaya çıkar. Hidrojellerin diğer uygulamaları; yapay tendon malzemeleri, yaraiyileşmesinde biyo yapışkan madde, yapay böbrek zarları, yapay deri, estetik cerrahide malzeme olarak kullanımları şeklinde sıralanabilir. Son yıllardaki en önemli uygulamalardan biriyse eczacılık alanında, kontrollu ilaç salan sistemlerdeki kullanımlardır. Örnek olarak insülin salımı verilebilir

5 Hidrojellerin ileri uygulamalarından biri de yapay kasların geliştirilmesidir. Elektrokimyasal uyarıları mekanik işe çeviren akıllı hidrojeller, insan kas dokusu işlevi görebilir. Bu özellikten yararlanarak yapay kaslar yapılmaktadır. 8. Kompozit Polimerler Polimer kompozitler manyetik özellik taşımadıklarından, manyetik rezonans (MRI) ve tomografi (CT) gibi modern tanı sistemleriyle uyumlu olmalarının yanısıra, ortopedi ve diş hekimliği uygulamaları dışında, yumuşak doku implantı olarak da kullanılırlar SERAMİK İMPLANT MALZEMELERİ Gelişen teknoloji ile beraber malzeme hazırlama ve üretim proseslerindeki ilerlemeler sayesinde üstün mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip seramiklerin diğer teknolojik uygulamalarda olduğu gibi biyoteknolojide de dikkat çekmesi çok uzun sürmemiştir. 27 Seramikler, camlar ve camseramikler, çok iyi kimyasal özellikleri nedeniyle insan vücudundaki birçok biyomekanik uygulamada kullanılmaya elverişli malzemelerdir. 28 Özellikle, hidroksiapatit, biyocamlar ve hidroksiapatit kristalleri içeren cam-seramikler, vücut içerisinde vücuda yabancı bir reaksiyona sebep olmazlar ve kemiğe kimyasal olarak bağlanarak rijit ve güvenilir bir kemik-implant arayüzeyi oluşturabilirler. Fakat, bu malzemelerin kırılma toklukları, yorulma dayanımları vs. gibi mekanik özellikleri yük taşıyan implant ve protez uygulamalarında kullanılmalarına elverişli değildir

6 Bu nedenle, bu tür uygulamalarda genellikle metallik malzemelerin üzerine kaplama olarak kullanılırlar. Son zamanlarda, seramik malzemelerin nanofaz formlarının implant/protez malzemesi olarak kullanılabilirliği test edilmektedir Biyoseramikler Seramik biyomalzemeler ya da daha yaygın olarak kullanılan şekliyle biyoseramikler, günümüzde üzerinde en fazla araştırma yapılan implant malzeme grubudur Bioseramiklerin implant olarak kullanılabilmelerini sahip oldukları aşağıdaki özellikler sağlar. c) Yüksek basma mukavemeti d) Mükemmel aşınma özellikleri a) Vücuttaki kimyasal kararlılık b) Çeşitli şekil ve porozite e) Apatit fazında üretilen seramiklerin doğal kemiğin (kalsiyum hidroksiapatit) bileşimine ve yapısına benzerliği oranlarında üretilebilme Ancak çekme durumunda sahip oldukları zayıf mekanik özellikler nedeniyle biyoseramikler bazı implant uygulamaları için fazla tercih Bioseramiklerin en yaygın kullanım alanları da aşağıda özetlenmiştir: 1) Bel ve omuriliğe ait omurların onarımında, 2) Dişe ait hataların düzeltilmesinde, edilmezler. 35 3) Tam veya kısmi kalça parçalarında, 36 6

7 4) Solunum tüpleri olarak, 5) Orta kulakta küçük kemikler olarak, 6) Kalp kapakçıklarında, 7) Kemik vidaları, hastalanmış kemik kaybı boşluklarının doldurulmasında Kemiğin seramik implant ile değiştirilmesinin aşınma, korozyon, mukavemet, özgül ağırlık gibi birtakım üstün özelliklerinin yanı sıra başka avantajları da vardır Seramik implantlar kontrollü bir şekilde sinterlenerek yapısında bir miktar porozite bırakılır. Böylece kemiğin bu poroziteye doğru nüfuz ederek implantla kaynaşması sağlanır. Biomalzeme olarak kullanılan seramik implantlar genellikle Al 2 0 3, Si 3 N 4, hidroksiapatit ve Si0 2 esaslıbiocamdır Bioseramiklerde aranan diğer bir önemli özellik ise implantın vücut tarafından kabul edilmesidir. Bu nedenle bioseramiklerde vücutta bulunan Ca, K, Mg, Na, P un yer alması tercih edilir. Biyoseramikler: insan vücudunda implant-protez olarak kullanılan, metal olmayan ve inorganik yapıların karışımından oluşan genel bir terim olarak tanımlanıp, biyoinert, biyobozunur ve biyoaktif olmak üzere üç grupta incelenmektedir

8 Biyoinert Malzemeler Biyoinert malzemeler; kemikle veya diğer dokularla reaksiyona girmeyen, inert yapıda olan polikristalin seramiklerdir. 43 Kimyasal açıdan oldukça kararlıdırlar. Bu malzemelerle çevresindeki doku arasında hiçbir bağlanma olmaz. Sadece, implant ile biyolojik malzeme arasında lifli bir doku oluşur. 44 Bu doku kimyasal veya biyolojik olarak bağlanmadığı için kolayca hareket edebilir. Biyoinert malzemelerin vücutta herhangi bir tepki vermemelerinin nedeni, ortamdaki kimyasallarla kimyasal reaksiyona girmemeleridir. Sonuç olarak; hücresel malzemelere bitişik yaşarlar fakat onlarla bağ oluşturmazlar. İmplant olarak kullanılan ilk malzemeler biyoinert malzemelerdir. İki önemli türü mevcuttur: alümina (Al 2 O 3 ) ve zirkonya (ZrO 2 ) Şekil 24. Baş kısmı Al den yapılmış kalça protezi

9 Şekil 25. Diş tedavisinde kullanılan alümina seramikler Şekil 26. Medikal cihazlarda kullanılan alümina seramik nozullar Biyobozunur Malzemeler Şekil 27. Biomalzeme olarak kullanılan Zirkonya seramikler Biyobozunur malzemeler implantasyondan sonra parça halinde veya bütün olarak kaybolur. Hasarlı doku yerine kullanılırlar. Knee replacement femoral component made of zirconia ceramics 51 Trikalsiyum fosfat ve tetrakalsiyum fosfat gibi bazı kalsiyum fosfat seramikleri bu gruba aittir Kalsiyum-fosfat (Ca-P) Seramikleri Kalsiyum fosfat esaslı bioseramikler, özellikle tıpta ve dişçilikte yaklaşık 25 yıldır kullanılmaktadır. Diş implantları, cildiye işlemleri, dişeti işlemi, çene kemiği yapısı, ortopedi, kulak, burun, boğaz uygulamaları ile belkemiği cerrahisi kalsiyum fosfat seramikler için en genel uygulama alanlarıdır. Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri şeklindeki yapılardır. Hidroksiapatit (HA: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ), Trikalsiyum fosfat (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) ve Oktakalsiyum fosfat (CaH(PO 4 ) 3.2OH) bu yapılara örnek verilebilir. Bu malzemeler ayrıca kemik tozu olarak da kullanılmaktadır

10 Trikalsiyum fosfat seramikleri (TCP), kemiklerde dolgu malzemesi olarak yıllardır başarıyla kullanılmaktadır. Tüm kalsiyum fosfat seramikleri, değişen hızlarda biyolojik olarak bozunurlar. Aşağıdaki şekilde, orta kulak implantına ait bir uygulama görülmektedir. İmplantasyon, üzerinde kemik büyümesini sağlar ve daha sonra yerini kemiğe bırakır Biyoaktif Malzemeler Bioaktif malzemeler, yumuşak doku ile bağ oluşturur. Fakat birçok durumlarda istenilen biolojik aktivite bioaktif malzemelerin canlı vücut dokusu ile kaynaşıp temas halinde olduğu kemik ile arayüzeyde kuvvetli bir bağ oluşturmasıdır. Uygun bir bioaktif malzemede implant ile kemik arasında çabuk ve kuvvetli bir bağ oluşturulur Böylece, implant malzemelerin herhangi bir sabitleme yöntemi (vidalama gibi), kemik çimentosu (polimetal metakrilat) veya kemik dokularının yüzeyden içeriye doğru büyüyebileceği, özellikle gözenekli yüzeye sahip olarak dizayn edilmiş implant malzeme kullanımı gerekmeksizin sabitleştirilmesi sağlanır. Malzeme yüzeyi üzerinde bir hidroksikarbonat apatit(hca) tabakası oluşumu bir biyoaktif seramik malzeme özelliğidir. Bioaktivite derecesi, bağlanma tabakasının kalınlığına, mukavemete, yapışmaya, HCA nın oluşum hızına göre ölçülür

11 Biyoaktifbiyoseramikler; hidroksiapatit biyoseramiklerini, cam ve cam seramiklerinikapsar Hidroksiapatit Bir kalsiyum fosfat bileşiği olan hidroksiapatit kemik ve dişlerdeki mineral yapılarla aynı kompozisyondadır. Apatit terimi benzer yapıya sahip ancak aynı bileşime sahip olmayan bileşik ailesini tanımlamaktadır Bu nedenle apatit bir tanımlamadır ve bileşim anlamına gelmez. Tüm bu iyi özelliklerine rağmen, saf HA nın mekanik özellikleri zayıftır. HA, spesifik olarak kalsiyum hidroksiapatit, belirli bir kimyasal Kırılma dayanımı ve tokluğu düşüktür. kompozisyona; Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ve kristalografik yapıya sahiptir Bu yüzden HA seramikler yapay diş ve kemik gibi yük taşıyıcı bölgelerde kullanılan implant malzemeler için uygun değildir. Tıbbi uygulamaları sadece düşük yüklerin uygulandığı implantlar, tozlar, kaplamalar İmplantlarda, titanyum ve diğer metaller üzerine kaplama malzemesi olarakkullanılmaktadır. Böyle durumlarda, mekanik özellikleri metaller tarafından sağlanırken, HA ile de biyouyumluluk temin edilmektedir. ve düşük yüklü poröz implantlarla sınırlıdır

12 HA, doku ve kemik ile kaynaşarak vücut ile bir bütünlük oluşturur. Ayrıca osteokondüktif bir özellik de gösterir. Osteokondüktiflik: kemik dokusunun oluşumu için kalıp veya şablon görevi gören bir tür yapı iskelesi olmasıdır. Bu özellik hızlı iyileşme gerektiren bir implant için gereklidir. Hidroksiapatit organizmada; İskelet sisteminde % 69 Dişlerde; osementte %70 odentinde %77 ominede %98 oranında bulunur Bioaktif Cam ve Cam- Seramikler Camlar, silika (SiO 2 ) bazlı malzemelerdir. Cam-seramikler ise (Li/Al) Lityum/Alüminyum veya (Mg/Al) Magnezyum/Alüminyum kristalleri içeren camlardır Biyocamda ise, silika gruplarının bazıları kalsiyum, fosfor veya sodyumileyerdeğiştirmiştir(sio 2, Na 2 O,CaO,P 2 O 5 ). Böylece doku ve implant arasında kimyasal bağlanma gerçekleşir. Bioaktif camlar, kemik dışında daha yumuşak dokulara da bağlanabilirler. Cam yüzeyi dokular ile arayüzey bağlanmasını sağlayan, biolojik olarak aktif bir hidroksikarbonat apatit(hca) tabakası oluşturur

13 Bioaktif cam implantların üzerinde oluşan HCA fazı, kemikteki mineral faz ile aynı kimyasal yapıya sahiptir. Bu tip bağlama, mevcut mekanik kuvvetlere dirençli bir arayüzey oluşturur. Silisyumun varlığı, kemiğin minerallenme hızının artmasına ve normal iskeletin gelişimine yol açar Kemik yerine kullanılabilen diğer bir cam-seramik ise mika kristallerini içeren mika cam-seramikleri (işlenebilir camseramikler) dir. Mika kristalleri, cam-seramiğin işlenebilmesini sağlamakta ve tıbbi operasyon sırasında daha kolay bir uyumun oluşmasına yol açmaktadır. machinabilty Cam ve cam-seramikler dişçilikte de kullanılabilmektedir. Metalik diş protezlerinin üzerine kaplanan potasyum-alümina-silikatlar, doğal dişlere benzemesi için renklendirilebilen LAS esaslı cam-seramikler, mika camseramikler, komple dişten ziyade ince bir kaplama şeklinde uygulanan kalsiyummagnezyum-fosfor silikat tipi camseramikler bu amaçla çalışılan camseramik sistemlerine örnek olarak verilebilir. 77 glass-ceramic on a metal framework glass-ceramic as multi-unit bridge (metal-free) glass-ceramic as single units (metal-free) 78 13

14 Diş dolgusunda da cam ve cam-seramikler kullanılabilir. Karışımdaki reçine diş oyuklarını kavrar. Bu malzemeler, organik bir reçine ile karıştırılmış cam tozları şeklinde kullanılır. Cam-seramiklerin kullanımı bu uygulama da ayrıca renklendirmenin yanı sıra aşınma direncide sağlar Diş Hekimliğinde Porselen Seramikler Diş porseleni eksik dişlerin tamamlanmasında kullanılan bir malzeme grubudur. Estetik açıdan doğal dişe benzediği için tercih edilmektedir. Diş hekimliğinde porselenden 2 şekilde faydalanır: a) Ful porselen b) Metal destekli porselen Ful porselen çiğneme basıncından fazla etkilenmeyen alanlarda kullanılır. Çiğneme basınçlarının daha yoğun olduğu bölgelerde mukavemet sağlamak için bir metal alt yapıya gerek duyulur. 83 Porselenin diş hekimliğinde kullanılması; yüksek düzeyde estetik, renk değiştirmeme, dokuylatamuyumve metalle iyi bağlanması gibi avantajlar sunmaktadır

15 Bunun yanı sıra, hazırlanış süresinin uzun ve özel çalışma gerektirmesi ile pahalı olması diş porselenlerinin en büyük dezavantajlarıdır BİYOSERAMİK FORMLARI Biyoseramikler, yekpare katı formlarının yanı sıra değişik form ve yapılarda da uygulama alanları bulmaktadırlar. Bunlara; granüller, kaplamalar, kompozitler, iç ve yüzey boşluklu poroz formlar örnek olarak verilebilir Granül Formları Yekpare biyoseramikler dişçilikte; yapay diş imalinde ve diş kökü tedavilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, tetragonal zirkonya gibi tok ve yüksek dayanıma sahip seramikler eklem protezlerinde aşınmaya karşı mukavemet aranan uygulamalarda tercih edilmektedir Nano-Faz Seramikler Canlı sistemlerde canlı dokular, en küçük yapı taşları olan proteinler ve karbonhidratlar vs. den oluşur. Bunlar gerek boyutları gerekse etkileşimleri açısından nano sistemlerdir(nanometre boyutlu). Vücudun yük taşıyan iskelet sisteminin en önemli elemanı olan kemiğin içerdiği proteinler yine nano fazmalzemelerdir

16 İnorganik kısmını teşkil eden hidroksiapatit viskerleride 25 nm genişlik ve 50 nm uzunlukları ile yine nano-malzemelerdir. Dolayısıyla vücutta günlük normal hücre aktiviteleri nano sistemlerin etkileşimi şeklinde gerçekleşir. Vücutta, şu an kullanılan implant/protez malzemeleri ise genellikle mikron boyutlu morfolojilere sahiptir ve normal biyolojik aktivitenin söz konusu olduğu skalanın çok üzerinde kalırlar. 91 Nonafaz malzemeler üzerinde yapılan biyouygunluk deneyleri, bu malzemelere daha fazla kalsiyum birikmesine sebep olan osteoblast (kemik oluşum) hücreleri yapışma oranlarında artış ve fibroblast (lifli doku oluşumu) hücrelerinin yapışmasında azalma olduğunu göstermiştir. 92 Nanofaz malzemelerde mikron boyutlu malzemelere göre osteoblast aktivite ile kalsiyum yapışma oranının 3-4 kat arttığı tespit edilmiştir. Mikron boyutlu iç yapılara sahip malzemeler kullanılarak imal edilen bazı implant/protez sistemlerinde yaşanan bir problemde hareketli kısımlarda oluşan sürtünmenin yüzeylerden kopardığı malzeme tozları ve parçacıklardır. Çevreye yayılan bu tozlar, zamanla implant-kemik arasına girerek kemik erimesine ve implantta gevşemeye bunu takip eden safhalarda hasara sebep olabilmektedirler Son zamanlarda yapılan araştırmalar nano malzemelerin kemik ve kıkırdak hücre fonksiyonlarına fazla zarar vermediklerini ortaya koymuştur, yani mikron boyutlu malzemeler kadar tehlike arz etmemektedirler