SERAMİK İMPLANTLAR. Seramik İmplantlar. Yüksek basma mukavemeti. Yüksek Elastisite Modülü (kemikle uyumsuz) Yüksek aşınma ve korozyon dayanımı

Transkript

1 SERAMİK İMPLANTLAR Seramik İmplantlar Avantajlar Yüksek basma mukavemeti Yüksek aşınma ve korozyon dayanımı Yüzeyi parlatılabilir Dezavantajlar Yüksek Elastisite Modülü (kemikle uyumsuz) Düşük çekme mukavemeti Düşük kırılma tokluğu Biyoaktif / biyoinert Üretim ve işlenmeleri zor

2 A) Biyoinert a) Alümina (Al2O3) b) Zirkonya (ZrO2) c) Pirolitik Karbon Seramik İmplantlar B) Biyoaktif a) Hidroksiyapatit (HA) b) Biyoaktif camlar c) Biyoaktif cam-seramikler C) Biyobozunur Trikalsiyum fosfat (TCP) Doku Cevabına Göre Biyoseramikler

3 Seramik İmplantlar Yapay kalp kapakçığı (pirolitik karbon) Kemik dolgusu, kemik çimentosu (TCP) Dişçilikte dolgu malzemesi Porselen kaplama Dental implant (alümina, zirkonya) Ortopedide sert doku implantı (alümina, zirkonya) Biyoaktif kaplamalar (biyocam, HA) OKSİT (BİYOİNERT) SERAMİKLER

4 Alümina (Al 2 O 3 ) Yoğunluk 3.9 g/cm 3 Elastisite Modülü 380 GPa Erime Sıcaklığı 2070 C Alümina (Al 2 O 3 ), Biyoinerttir. Korozyon dayanımı, aşınma direnci, mekanik özelliklerine bağlı olarak, yük taşıyan implantlarda kullanılır. Mekanik özellikleri tane boyutuna ve gözenekliliğine bağlıdır. Saflığı sinterlemede sıvı faz oluşumunun önüne geçmek için %99,5 in üzerinde olmalıdır.

5 Zirkonya (ZrO 2 ) ZrO 2 CSZ Yoğunluk 5.68 g/cm g/cm 3 Elastisite Modülü Erime Sıcaklığı 210 GPa 210 GPa 2710 C 2710 C Zirkonya (ZrO 2 ), biyoinerttir ve yorulma dayanımı yüksektir. Monoklinik, tetragonal ve kübik yapılarda bulunur. Mekanik özellikleri sinterlemeye bağlıdır. Sinterlemede zirkonya tetragonal yapıdan, monoklinik yapıya dönüşebilir. Soğutmada tekrar tetragonal faza dönebilir. Dönüşümlerde hacim değişimi nedeniyle çatlaklar oluşur. Zirkonyayı kübik fazda kısmen kararlı tutabilmek için stabilizatörler (MgO) kullanılır C 1170 C

6 Kısmen Stabilize Edilmiş Zirkonya (PSZ) Dönüşüm Toklaşması Zirkonyanın Uygulamaları

7 BİYOAKTİF CAM Biyoaktif Camlar Biyoaktif camlar (biyocam) fizyolojik sıvılarda yüzeyde hidroksikarbonatapatit (HCA) oluşturarak kemiğe bağlanırlar. Biyoaktif cam, yüzeylerindeki silika gruplarının Ca ve P ile yer değiştirmesi sonucunda doku ve implantlar arasında bağlanmanın gerçekleştiği malzemelerdir. Dezavantajları; amorf olmaları, mekanik zayıflıklarıdır. Ticari camlardan bileşim açısından farkları, düşük SiO 2 (<% 60), yüksek Na 2 O ile CaO ve yüksek CaO/P 2 O 5 oranıdır (5)

8 45S5 Biyoaktif Camı (Biyocam) İlk üretilen ticari biyoaktif camdır. % 60 dan fazla SiO 2 içerenler kemiğe bağlanmamaktadır. CaO/P 2 O 5 oranı 5 den küçük olduğunda biyoaktiftik göstermez. Silikat, camın erimesini ve homojenleşmesini sağlar. Fosfat vücut içinde yüzeyde oluşan kalsiyum fosfat tabakasının oluşumuna katkıda bulunur. 45S5 Biyo-Camının Bileşimi (%) SiO 2 CaO Na 2 O P 2 O ,5 24,5 6 Kullanım Alanları Biyoaktif camlar, yük uygulamalarında kullanılamayacak düşük mekanik özelliklere sahiptirler. Kaplama olarak kullanılırlar. Gömme implant, toz şeklinde veya kompozitlerde biyoaktif faz olarak kullanılır.

9 Biyoaktif Camlarınİçeriği: Cam Yapıcılar, Biyoaktif camlarda cam yapıcı SiO 2 dir. SiO 2, ağ yapısını oluşturur. SiO 2 camın erimesini ve homojenleşmesini sağlar. Ağ Yapı Düzenleyiciler, SrO, MgO, CaO, Na 2 O ağ düzenleyicidir C de ergiyen silikanın 1500 C lerde ergitilmesini sağlarlar. Ağ ağ yapısını bozarlar. Ara Oksitler, biyoaktif camların yapısında ağ bozucu etki yapabilecekleri gibi camın bileşimine ve üretim tekniğine bağlı olarak ağ yapı içerisinde de yer alabilirler. Cam ağ yapısı Camın modifikasyonu

10 Cam yapılarda 2 çeşit bağ bulunmaktadır 1 Komşu Si atomları arasındaki Köprü Oksijen (BO) bağları. 2 Si ve Modifiye atomları arasındaki Köprü Yapmayan Oksijen (NBO) bağları. Seramik, Cam ve Cam-Seramiklerin biyolojik davranışı Köprü yapan/yapmayan bağların oranına bağlıdır. Biyoaktif Camların Kemiğe Bağlanması 1. Na + ve Ca + iyonları solüsyondan gelen H + ile yer değiştirir. Yüzeyde Si-OH bağları oluşur. 2. Si-OH ın polimerizasyonu ile silika jel tabakası oluşur. 3. Solüsyonda bulunan Ca ve P, yüzeye çöker, OH-/PO 4 3- ın Ca+ ile birleşmesi ile amorf CaO-P 2 O 5 oluşur. 4. CaO-P 2 O 5 tabakası solüsyondan gelen OH- ile birleşmesiyle HA tabakasına dönüşür. Bu yüzey (HA) kemiğe benzediği için dokuların yüzeye bağlanması mümkün olmaktadır. 5. HA oluşumundan sonra hücreler çoğalıp, farklılaşarak camın kemiğe bağlanmasını sağlar. Bu süreç 6-12 günde gerçekleşir. Si-OH SilikaJel CaO-P 2 O 5 HA Bağlanma

11 Biyoaktif Camların Kemiğe Bağlanması REAKSİYON KİNETİĞİ LİÇ Alkali elementlerin serbest bırakılmasıdır. Katyonların H + ile yer değiştirmesidir. ph artar. BAĞ ÇÖZÜNMESİ OH - iyonu yardımıyla Si-O-Si-O-Si- bağları kırılır. Si, Si[(OH) 4 ] halinde çözeltiye geçer. Yüzeyde SiOH oluşur ve jel tabaka meydana gelir. ÇÖKELME Ca 2+ ve PO 4 3- iyonları önce camdan ayrışır sonra yüzeyde CaO- CaP ca zengin tabaka oluşturur. CaP daha sonra HCA tabakasına dönüşür.

12 BİYOAKTİF CAM-SERAMİKLER Biyoaktif Cam-Seramikler Cam-seramik, kristallenmeye uygun bileşimdeki camların kontrollü kristallenmesi ile üretilen bir malzemedir. Kemiklerle bağ oluşturan cam-seramikler ise, biyoaktif camseramikler olarak bilinmektedir.

13 Biyoaktif Cam-Seramikler Biyoaktif cam-seramikler, geleneksel cam-seramiklere göre; - Daha fazla CaO içerir - Daha az SiO 2 içerir - Al 2 O 3 bulunmaz Biyoaktif cam-seramiklerde P 2 O 5 çekirdeklendirici olarak kullanılmaktadır ve geleneksel cam-seramiklerde çekirdeklendirici olarak kullanılan TiO 2 ye göre oranı daha yüksektir. SiO 2 içeriği yüksek olanlar biyoinerttir. CaO düşük olanlar biyo-emilebilen malzemelerdir. Camlar kontrollü kristalizasyonla cam-seramiklere dönüştürülür. Kontrollü kristalizasyonşu adımlardan oluşur: Çekirdeklenme Kristalizasyon

14 A/W Cam-Seramiği En önemli biyoaktif cam-seramik, apatit ve wolastonit (CaOSiO 2 ) kristalleri ve cam matristen oluşan üç fazlı malzemedir. Bu malzemeye apatit/wolastonit (A/W) denir. Biyoaktif A/W cam-seramiği mükemmel mekanik özelliklere sahiptir.

15

16 METALİK CAMLAR Metalik Camlar Kristalin, uzun mesafeli düzen Amorf, kısa mesafeli düzen

17

18 Üretim

19 Vitreloy

20 PİROLİTİK KARBON

21 KARBON Karbon aşağıdaki formlarda bulunur; - Amorf karbon - Grafit - Elmas - Camsı karbon - Pirolitik karbon Fakat sadece camsı karbon ve pirolitik karbon kullanılmaktadır!!! Diğer seramiklere göre daha iyi biyouyumluluk, biyoinertlik ve pıhtılaşma direnci gösterirler, fiziksel özellikleri kemiğe yakındır. PİROLİTİK KARBON Düşük sıcaklıkta izopirolitik karbon (LTI) ve çok düşük sıcaklıkta izopirolitik karbon (ULTI) olarak iki türü mevcuttur. Kan ve yumuşak dokularla biyouyumluluğa sahip olduğu oranda pıhtılaşma direnci de gösteren karbon, sirkülasyon aparatlarında, kan damarlarında ve mekanik kalp kapakçığında kullanılırlar. Günümüzde, kalp kapakçıklarının çoğu polikristalin grafit veya monolitik malzemeler üzerine LTI kaplanmasıyla üretilmektedir. Yoğunluk 1,5-2,2 g/cm 3 Elastisite Modülü 4-40 GPa

22 Pirolitik Karbon Pirolitik karbon grafite benzer, farkı tabakalar arasında üretimdeki düzensizliklerden kaynaklanan bir miktar bağ oluşmasıdır. Bir hidrokarbonun (propan, metan), parçalanma sıcaklığına ısıtılması ( C) ve grafitin kristallenmesiyle (piroliz) üretilir. Bor katkılı pirolitik karbon ve izotropik pirolitik grafit bu alandaki yeni malzemelerdir. İzotropik pirolitik grafit in pirolitik karbondan farkı alaşım elementi içermemesidir. C-fiber / PEEK implant

23 PyroCarbon Biyoinert Yüksek aşınma direnci Çok çok düşük sürtünme katsayısı Kemiğe benzer özellikler Pyrocarbon Biyo-elastisite

24 Pyrocarbon Üretimi Hammadde Grafit (Altlık) Grafitin İşlenmesi Grafitin, CVD ile pirolitik karbon kaplanması Kalsiyum-Fosfat Seramikler

25 Kalsiyum Fosfat Seramikler Kemiğe benzer implant malzemelerdir. Bileşimlerinin kemiğin mineral fazına benzer olması nedeniyle kemikle uyumludur. Kalsiyum Orto Fosfat Kalsiyum ortofosfat, kalsifiye olmuş dokularla olan benzerliklerine bağlı olarak geniş ölçüde kullanılmaktadır. Zayıf mekanik özelliklerine bağlı olarak kalsiyum ortofosfatlar, dayanım gerektiren uygulamalarda kullanılmaz.

26 Di Kalsiyum Fosfat Dihidrat (DCPD) ph< 6,5 olan sulu çözeltilerde kristallendirilebilir. DCPD biyolojik olarak önemli bir yapıdır. Kemik mineralizasyonunda ve minenin çözünmesinde ara ürün olarak bulunur. Dişin oluşturulmasında kullanılır. Kalsiyum Eksik Hidroksipatit, CDHA, CDHA, yapay kemik bileşenlerinin üretimi için kullanılır.

27 α-tri Kalsiyum Fosfat, α-ca 3 (PO 4 ) 2 β-tcp nin 1125 C nin üzerindeki sıcaklıklara tabi tutulmasıyla elde edilir. α-tcp ve β-tcp, aynı bileşime sahip olsalar da kristal yapıları ve çözünürlükleri farklıdır. β-tcp, daha kararlıdır. β-tri Kalsiyum Fosfat, β-ca 3 (PO 4 ) 2 Oda sıcaklığında kararlı bulunan β-tcp nin çözünürlüğü, α- TCP den düşüktür. Tıpta, β-tcp kalsiyum ortofosfat kemik çimentolarında kullanılmaktadır. Saf β-tcp diş macunlarına eklenerek parlatma ajanı olarak kullanılmaktadır.

28 Amorf Kalsiyum Fosfat ACP, kalsiyum ortofosfat çimentolarında ve dişçilikte dolgu malzemesi olarak kullanılır. ACP nin polimerle oluşturulan biyoaktif kompozitleri, dişçilik ve cerrahide kullanılır. HİDROKSİAPATİT (HA)

29 Hidroksiapatit (HA) Kemikler ve diş minesi; HA, protein, organik maddeler (kolajen) ve su içeren kompozitlerdir. Kemik kolajen lifleri içerisine gömülmüş, nm uzunluğunda inorganik (HA) içeren, doğal bir kompozittir. Ca/P oranı 1,67 Yoğunluk 3,16 g/cm 3 Elastisite Modülü Kafes GPa Hekzagonal Rombik Hidroksiapatit (HA) Apatit, M 10 (RO 4 )X 2 genel formülüne sahip bileşiklere verilen isimdir. R fosfor, M genellikle Ca olmak üzere çeşitli metaller, X ise hidroksit veya halojenlerdir (F). HA kemiğin inorganik bileşenine benzer olup, Ca 10 (OH) 2 (PO 4 ) 6 formülündedir. Apatit M 10 (RO 4 )X 2 genel formulünde M, R ve X yerine gelebilecek elementler Grup Element M R X Ca, Sr, Ba, Cd, Pb, Mg, Na, K P, CO 2, As, Si, Ge, Cr, B, V OH, CO 2, O, F, Cl, Br

30 HA gözenekli yapısı; hücrelerin, gözeneklerin içine doğru büyümesinden dolayı, dokuların implanta nüfuz etmesini sağlar. HA implantların, doku ile kaplandığı ve kemiğe dönüştüğü tespit edilmiştir. Elmastan sonra doğada bilinen en sert maddedir. Kırılgandır. Floroapatitlerden sonra ikinci en kararlı ve sudaki çözünürlüğü en az olan bileşiktir. HA, kemik ve diş minerallerine benzerliğine bağlı olarak implantların kaplanmasında kullanılır. HA nın Kullanım Alanları Diş Hekimliğinde Bakteriler dişte hasara neden olur. Hasarlı mine doldurularak onarılır. HA mineye benzemektedir. Mine reminerealizasyonunda apatit önerilmektedir. Apatit içeren diş macunları, mineyi kısmen onarabildiği gibi beyazlatma etkisi de göstermektedir. Ortopedide Kemik greftleri, sadece hasarlı kemik bölgesinin yenilenmesinde değil aynı zamanda uygulandığı bölgede kemik gelişimini aktive edebilecek özellikte olmalıdır. HA Kaplamalar Ti üzerine ince HA kaplama. Metalin üstün mekanik özellikleri ile HA nın biyouyumluluk ve biyoaktivitesi birleştirilir.

31 Florapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 Tüm kalsiyum ortofosfatlar arasında en sert, en kararlı ve çözünürlüğü en az olandır. FA biyolojik sistemlerde meydana gelmez. Floritlerin en çok bulunduğu doku, kemik ve en az bulunduğu doku mine dokusudur.

32 KOMPOZİT İMPLANTLAR Kompozitİmplantlar Kompozit, farklı kimyasal yapıdaki iki ya da daha fazla malzemenin, özelliklerini koruyarak oluşturduğu malzemedir. Matris olarak polimerler, güçlendirici olarak cam, karbon ya da polimer lifler, ve seramikler kullanılır. Kompozitler, yüksek dayanıma ve düşük elastisite modülüne sahip olduklarından, ortopedik uygulamalarda kullanılır. Polimer kompozitler MRI ve tomografi gibi sistemleriyle uyumludurlar.

33 HA-Cam Kompozitler HA nın zayıf mekanik özellikleri uygulamalarını kısıtlamaktadır. Biyoaktif camın HA ile birleştirilmesiyle, mekanik özellikleri arttırılabilir. Cam katkılı HA kompozitleri dokulara ara yüzeyde bir bağ oluşturmaksızın bağlanabilme yeteneğine sahiptir. HA-Metal Kompozitler Ti alaşımları, üstün mekanik özellikler, düşük yoğunluk, korozyon dayanımı ve biyouyumluluklarına bağlı olarak olarak kullanılmaktadır fakat biyoinerttir. HA ise yüksek biyoaktiviteye sahiptir fakat mekanik özellikleri zayıftır. HA partikül takviyeli Ti matrisli kompozitler HA nın biyoaktivitesi ile Ti nin mekanik özelliklerini birleştirmektedir.

34 HA-Polimer Kompozitler HA miktarının artmasıyla esneklik azalır, biyoaktivite ve elastik modülü artar. HA-PE kompozitlerinde biyobozunma ve PE nin inert olması, kompozitin kemiğe bağlanma özelliğini azaltması, dezavantajdır. Kemik hatalarının doldurulmasında en etkin kompozit, HA/kolajen kompozitleridir. Doğal Biyoseramikler Kitin / Kitosan Kolajen Jelatin Selüloz Elastin Fibrinojen

35 POLİMER İMPLANTLAR Avantajlar Yüzey modifikasyonuna uygun Üretimi ve işlenmesi kolay Ayarlanabilir mekanik ve kimyasal özellikler Biyobozunur olabilirler Sünektirler Düşük yoğunluk ve Elastisite modülü Dezavantajlar Çözünebilirler, Su ve protein absorblarlar Yüzeyleri kirlenebilir Sterilizasyonu zor (ısıdan etkilenirler) Biyobozunur (bazı durumlarda) Düşük mekanik özellikler Aşınma ve kırılması kolay

36 Polimer İmplantlar Kardiyovasküler alanda (PU, PTFE, Silikon Kauçuğu) İlaç salım sistemlerinde (PLG, PLA) Doku mühendisliğinde iskelet malzemesi (PLA, PLG) Kalp kapakçıkları (PTFE) Yapay kalpler (PU) Lensler (PMMA, PC) Ortopedik implant (UHMW-PE, PMMA) Polimer İmplantlar Doğal Polimerler Proteinler : Kollagen, Jelatin, Elastin Polisakkaritler : Selüloz, Nişasta, Polinükleitler: DNA, RNA. Sentetik Polimerler Polimetilmetakiralit (PMMA) Polietilen (PE) Politetrafloroetilen (Teflon, PTFE) Polivinilklorür (PVC) Polikarbonat (PC) Poliüretan (PÜ) Poliamidler (Naylon, PA) Polietereterketon (PEEK) Polilaktikasit (PLA) ve poliglikolikasit (PGA)

37 Sentetik Polimerler PMMA, (Polimetilmetakrilat) Hidrofobik yapıdadır. Lucite ve Plexiglas isimleriyle tanınmaktadır. Işık geçirgenliği, sertliği ve kararlılığı nedeniyle Lenslerde kullanılır. Kemik çimentosu yapımında kullanılır.

38 PTFE, (Teflon) Isısal ve kimyasal açıdan kararlı ancak işlenmesi zordur. Çok hidrofobik ve mükemmel kayganlığa sahiptir. Damar protezlerinde, Kalp kapakçıklarında kullanılır. PC, (Polikarbonat) Yüksek çarpma dayanımı nedeniyle ve kalp-akciğer makinelerinde kullanılırlar. Kontakt lens yapımında kullanılır.

39 PU (Poliüretan), Esnektirler, kanla uyuşabilirlikleri iyi olduğundan kalp-damar uygulamalarında kullanılır. Şekil bellek özelliği gösterebilir. PVC, (Polivinilklorür) Sert ve kırılgan olmasına karşın, plastikleştirici ilavesiyle esnek hale getirilebilir. PVC, uzun vadede, plastikleştiricinin yapıdan sızmaları nedeni ile problemlere yol açar. PDMS Oksijen geçirgenliği nedeniyle solunum cihazlarında kullanılır. Esneklik ve kararlılığından dolayı eklemler, kan damarları, kalp kapakçıklarında kullanılır.

40 Doğal Polimerler Maliyetleri yüksektir. Jel yapıcı, bağlayıcı, kayganlaştırıcı, ve yapıştırıcı olarak kullanılabilmektedirler. Dokuların yapısal bileşenlerinden meydana gelmelerinden dolayı, doku yenileme uygulamalarında biyobozunurluk ve biyouyumluluk gibi avantajlara sahiptirler. Düşük mekanik dayanımları ve yüksek bozunma hızları dolayısıyla kompozit olarak kullanılmaktadırlar. Jelatin Kollajenin kısmi türevi olup, bir proteindir. Biyobozunurdur.

41 Kollajen doğal bir proteindir ve doku mühendisliği yapı iskelelerinde kullanılır. Emilebilir ve vücutla bütünleşebilir. Fibrin fibrinojen polimerizasyonuyla oluşan doğal bir polimerdir. Kitin ve Kitosan Kitin; yengeç ve böceklerin kabuklarında bulunur. Yapay deri ve emilebilir ameliyat ipliği yapımında kullanılır. Doğalken çözünebilir değildir; fakat, kitosan yapıdayken suda çözünebilmektedir. Biyouyumlu ve antibakteriyeldir. Kitosan, kitinin asetillenmesiyle elde edilen bir biyopolimerdir. Kitosan, kemik yapı iskeleleri için uygun bir malzemedir.

42 BİYOBOZUNUR POLİMERLER Biyobozunur Polimerler Doğal Fibrin Kolajen Kitosan Jelatin Hyaluronan Sentetik PLA, PGA, PLGA, PCL, Polyorthoesters Poly(dioxanone) Poly(anhydrides) Poly(trimethylene carbonate) Poly(phosphazenes)

43 Biobozunur Polimerler Bozunma mekanizmaları Enzimatik Hidroliz Homojen Heterojen Yüzey Erozyonu (Poly(ortho)ester) Bulk Bozunma (PLA,PGA,PLGA, PCL) Biyobozunur Polimerler Yapı iskeleleri için en çok yararlanılan biyobozunur sentetik polimerler PLA, PGA ve PLGA dir. Hidrolitik bozunmaya uğrarlar. Bu özellikleri sebebiyle emilebilir ameliyat ipliği olarak, ya da ilaç salınım sistemlerinde kullanılırlar.

44 Biyobozunur Polimerler AKILLI POLİMERLER

45 Uyarıya cevap verebilen polimerler cevap verdikleri uyarı türlerine göre sınıflandırılabilir. Sıcaklık hassas polimerler ph hassas polimerler İyonik güce hassas polimerler Kimyasal maddelere hassas polimerler Işığa hassas polimerler Elektrik alana hassas polimerler Manyetik alana hassas polimerler

46 Akıllı polimerlerin kullanım alanları Biyolojik algılamalarda İlaç salınımında Doku dejenerasyonunda Yapay kaslarda Mikro-elektro-mekanik-sistem aletlerinde Çocuk bezleri Akıllı pencereler İlaç Salınımı Akıllı polimerlerin (Hidrojeller) ph, sıcaklık gibi değişimlerle şişip büzülmesinden ilaç salınımında yararlanılır. Akıllı bir hidrojel içine enzim immobilize edildiğinde enzimatik reaksiyon ürünleri jelin faz geçişini tetikleyebilir. Böylece kimyasal uyarı çevresel uyarıya ve mekanik uyarıya (şişme) çevrilmesi mümkün olabilir. Bu uyarı-cevap tekniği, akıllı polimerlerin ilaç salınımında kullanılabilirliğine dikkat çekmiştir. İlaç salım sistemleri kimyasal bir uyarıya cevap olarak ilacın serbest bırakıldığı sistemlerdir. Örnek olarak artan glikoz konsantrasyonuna bağlı olarak insülin salımı verilebilir.

47 İlaç salnımım sistemleri salınımı kontrol eden mekanizmaya göre: Difüzyon kontrollü sistemler Membran sistemler Matriks sistemler Kimyasal kontrollü sistemler Vücutta aşınan sistemler Zincire takılı sistemler Çözücünün harekete geçirdiği sistemler Şişme kontrollü sistemler Ozmotik kontrollü sistemler Diğer sistemler Eski Şişme/ Difüzyon Bulk erozyon (PLA, PGA) Yüzey erozyonu (Polianhidrid)

48 Rezervuar difüzyon kontrollü sistem Matris difüzyon kontrollü sistem Biyobozunur sistem Hidrojeller Suda şişen (aktive olunca), polimerik yapılara denir. Ana zincirler arasında van der Waals bağları mevcuttur. Bu nedenle suda çözünmezdirler. Tıbbi uygulamalarda en yaygın hidrojeller, çapraz-bağlı PHEMA ve Poliakrilamiddir. Hidrojeller üç boyutlu ağ yapısıdır ve %90 su içeren boşluklara sahip ağlardan oluşmaktadır ve tasarlanan ilk biyomalzemedir. Dokulara benzerlik gösterir. Bozunmaya dirençlidir, vücut tarafından emilmez, ısıyla sterilize edilebilir.

49 Kuru durumunda hidrojel katı gibi davranır, bunun yanında çözücüyü absorbe ederek şişme özelliğine sahiptir. Hidrojel bir uyaran ile karşılaştığında kendi hacminin bin katınaşişebilir. Hidrojelin özelliklerindeki değişim ve hacim değişikliği moleküler etkileşimlerle sağlanmaktadır. Bunlar ozmotik basınçta yükselişe neden olmaktadır. Hedefle karşılaştığında, moleküler etkileşimler olmaktadır, bu da cevaplara dönüşmektedir. Cevaplar büyüme, şişme ya da solüsyonun dönüşümü olabilir. Mekanik kararlılık, oksijen geçirgenliği ve uygun kırınım indisine sahip oluşları, nedeniyle Lenslerde kullanılırlar. Uygulamalardan biri Kontrollu İlaç Salım sistemleridir. İnsülin salınım kontrolu, glikozda artma olduğunda insülin salabilen akıllı hidrojellerle yapılır. Diğer uygulamaları yapay deridir. Hidrojeller

50 Hidrojeller Şişme

51 Şekil Bellekli Polimerler

52 Elastikleşen (yumuşayan) iğne Ameliyat ipliği

53 GÖZENEKLİ MALZEMELER VE METAL KÖPÜKLER Gözenekli Malzemeler Gözenekli malzemeler yüksek oranda (>%50) gözenek içeren malzemeler olup düşük yoğunlukları ve farklı fiziksel, mekanik, termal ve akustik özellikleri nedeniyle yeni bir mühendislik malzeme grubunu oluşturmaktadır.

54 Gözenekli Malzemeler Gözeneklerinin şekline, dağılımına ve birbirleri ile olan bağlantısına bağlı olarak özellikleri değişmekte olup çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Gözenekli malzemelerin özelliklerini belirleyen temel parametreler Yoğunluk (gözenek miktarı) Gözenek boyutu (iri ince) Gözenek şekli (karmaşık küresel) Gözenek tipi (açık kapalı) Polimer köpükler düşük ısıl iletkenlikleri nedeniyle yalıtkanlık gerektiren uygulamalarda kullanılır. Seramik köpükler yüksek sıcaklık dayanımlarından dolayı döküm sektöründe filtre olarak kullanılmaktadır.

55 Metal Köpükler Metal köpükler hafiflik, rijitlik, ısı ve ses izolasyonu özellikleriyle otomotiv, demiryolu ve inşaat endüstrileri, uzay araçları, biyomedikal uygulamalar, filtreleme, ısı değiştirici, soğutma sistemleri, sıvı iletimi gibi uygulamalarda kullanılır. Gözenekli malzemeler hücrelerinin yapılarına göre ikiye ayrılmaktadır. İki boyutlu bal peteği yapısına sahip gözenekli malzemeler: Birbirine bağlı altıgen hücrelerden oluşmaktadır. Üç boyutta bağlantılı gözeneklerden oluşan malzemeler.

56 Açık gözenekliler bağlantılıdır. gözenekler birbiri ile Kapalı gözenekliler gözenekler birbirinden ayrılmıştır. Üretim Yöntemleri Sıvı Hal Katı (T-M) Döküm Gaz Hapsetme Sprey Kaplama Toz Sinterleme Ötektik Katılaşma Boşluk Yapıcı Köpükleştirme İçi Boş Küre (düşük erime noktalı Al, Zn, Pb) Metal İyonu Buhar Fazı Elektrokimyasal Kaplama Buhar Kaplama (Ni, Cu) (Ti, Fe, Al, Cu, Mg) l ika!! d me lar yo ama i B ul g uy (Ni, Cu, Ni-Cr)

57 Doğrudan Metal Köpürtme Metaller, sıvı metale gaz üfleyerek veya gaz oluşturucu maddelerle sıvı içinde gaz oluşturarak köpürtülebilir. Gaz üfleyerek köpürtmede, viskozite Al 2 O 3 ilavesiyle arttırılarak gaz kabarcıklarının yükselmesi engellenir. Daha sonra metal, gaz üflenerek köpükleştirilir. Metal köpük, sıvı yüzeyinden çekilerek katılaştırılır. Gaz oluşturucu maddelerle sıvı içerisinde gaz oluşturulan yöntemde sıvı alüminyuma % 1-3 Ca ilave edilir. Karıştırma sonucu metalin viskozitesi artar. Daha sonra gaz oluşturucu (TiH 2 ) katılır. Bu madde sıvı içinde hidrojen oluşturur ve genleşme oluşur. Sonra tank soğutularak katı köpük elde edilir.

58 Ötektik Katılaşma Yöntemi Bu yöntemde bazı sıvı metallerin hidrojenle ötektik oluşturmasından yararlanılır. Bu metalleri yüksek basınçta H 2 atmosferinde ergiterek H 2 ile doyurulmuş sıvı eriyik elde edilir. Daha sonra sıcaklık düşürülürse eriyik ötektik dönüşüme uğrayarak heterojen iki fazlı bir yapıya dönüşür. Katılaşmanın olduğu yerlerde H 2 oranı yükselir ve gaz kabarcıkları oluşur.

59 Döküm Açık gözenekli poliüretan bir köpük ısıya dayanıklı bir karışım (mullit, CaCO 3 ve reçine karışımı) ile kaplanır. Daha sonra PU uçurulur ve sıvı metal elde edilen boşluğa dökülür. Seramik kabuk uzaklaştırılarak metal köpük elde edilir. Karışım Köpükleştirme Metal tozu, köpükleştirici ve katkılardan oluşan bir karışım hazırlanır ve ısıtıldıktan sonra bir kalıp içine dökülür. Köpükleştiriciden dolayı karışım viskoz bir hal alır ve genleşir. Ortofosforik asit ile Al hidroksit kullanarak Al köpük üretilebilmektedir.

60 Boşluk Yapıcı - Sinterleme Yöntemi Sinterleme öncesi yeterli mukavemet için parafin, PVA, PMMA, gibi polimer bağlayıcılar kullanılmaktadır. Boşluk yapıcı olarak karbamit, NaCl, naftalin, ve Mg kullanılmaktadır. Boşluk yapıcı ana metale zararlı bir artık bırakmadan uzaklaştırılabilmelidir. Metal, bağlayıcı ve boşluk yapıcı karıştırılır. Karışım preslenerek ham numuneler üretilmektedir. Çeşitli boşluk yapıcı giderme yöntemleri kullanılmaktadır. Çözücüde çözme, suda çözündürme ve termal uzaklaştırma başlıca boşluk yapıcı uzaklaştırma yöntemleridir. Ham numuneler, mukavemet kazanmaları için oksitlenmeyi önleyecek uygun atmosferde, belirli sıcaklık ve sürelerde sinterlenmektedir. Boşluk Yapıcı-Sinterleme Yöntemi

61 Boşluk Yapıcı-Sinterleme Yöntemi Metal Tozu Boşluk Yapıcı Metalik Köpük Ham numune Sinterlenmiş numune Gözenekli ham numune Basma Davranışları Öncelikle gerilme ile şekil değişimi doğrusal artmar. Sonra gerilmede keskin bir düşüş yaşanır. Sonra sabit gerilmede deformasyon gerçekleşir (Plato Bölgesi). Son aşamada gözeneklerin yassılaşması, hücre duvarlarının ezilmesiyle yoğunlaşma yaşanmakta ve basma gerilmesi artmaktadır. Artan gözeneklilik ile mukavemet ve plato gerilmesi azalmakta, plato bölgesinin uzunluğu artmaktadır.

62 Basma Davranışları Çekme Basma Enerji Absorblama Gözenekli metaller yüksek enerji absorblama kabiliyetine sahiptir. Enerji absorblama kapasiteleri üretildikleri metallerin enerji absorblama kapasitelerine yakındır.

63 Termal, Akustik ve Elektriksel Özellikleri Kapalı gözenekli metallerin ısıl iletkenlikleri aynı metalin yoğun halinden 8-30 kat daha düşük olup ısıya dayanıklı malzeme olarak kullanılmaktadır. Açık hücreli gözenekli malzemeler ısı iletimi gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Gözenekli metallerin akustik özellikleri ses ve gürültü kontrolünde önemlidir. Gözenekli malzemelerin elektriksel iletkenlikleri içerdikleri boşluk nedeniyle yoğun malzemelerden çok daha düşüktür. Kullanım Alanları Kullanım alanını belirleyen özellikler; açık-kapalı gözeneklilik, gözenek boyutu, metal türü ve mikroyapısı, şekil verme kabiliyeti ve maliyettir. Uygulama Sahası Özellik Örnek Otomotiv sektörü Darbeye dayanım, Hafif yapı malzemesi, Ses absorbsiyonu Al alaşımı köpükler, Sandviç paneller, Alporas ses absorbsiyon malzemesi Havacılık Hafif yapı malzemesi Ti6Al4V-sandviç paneller İnşaat (yapı) sektörü Biyomedikal uygulamalar Enerji absorbsiyonu, Hafif yapı malzemesi Dokunun köpüğün içine büyüyebilmesi Alüminyum köpükler Ti ve alaşımları, Co-Cr, 316L paslanmaz çeliği, Ta Akışkan kontrolü Açık gözenekli yapı Filtre

64 Biyomedikal Uygulamalar!!! Gözenekli malzemeler şu özellikleri taşımalıdır; Gözenek boyutu µm aralığında olmalıdır. Büyük gözenekler mukavemeti çok düşürür, çok küçük gözenekler ise bazı hücreler tarafından kapatılabilir. Açık (bağlantılı) gözenekli bir yapı olmalıdır (içine doku büyümesi ve vücut sıvısı iletimi için). En az %60 gözeneklilik olmalıdır (yeterli hafiflik ve açık gözeneklilik için).

65