Doç. Dr. Fatih ÇALIŞKAN Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fak. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği EABD

Transkript

1 Biyoseramik Teknoloji Uygulamaları Diş ve kemik aşılarından enzim ve mikrop hareketsizleştirici yataklara kadar çeşitli biyoteknoloji uygulamalarında seramiklere gerek duyulur. Biyoseramik malzemeler insan kalça, diz, omuz, dirsek, parmak ve bileklerinin onarımı ve de kullanılır [6.51]. Kemik aşısı olarak kullanılan üç seramik çeşidi çözünebilir ve biyoetkendir. Biyoetkisiz seramikler arasında dokunun büyümesine izin veren ve iyi bir mekanik bağ oluşmasını sağlayan mikro gözenekli Al2O3 gözenekli metaller üstünde hidroksiapatit (HA) kaplama bulunur. Etkisizliklerinin sonucu olarak seramik malzeme yakınındaki kemiğin yeniden şekillenmesinde bağışıklık tepkimelerinin veya biyokimyasal etmenlerin (yükünler ve çözeltiye geçen diğer maddelerin) etkisi olmaz. Çözünebilir malzemeler arasında kalsiyum sülfat (alçı), trikalsiyum fosfat ve kalsiyum fosfat tuzları bulunur. Bu aşılar yavaş yavaş bozunur ve çevredeki doğal dokular tarafından ele geçirilir. Biyoetken seramikler kemik veya çevresindeki dokularla etkileşime girer ve kiyasal bağ oluşturur. Bu tür seramiklere örnek olarak HA, biyoetken camlar ve biyoetken cam seramikler gösterilebilir. Çeşitli HA kaynak ve biçimi bulunur. Bunların arasında sentetik HA, mercan kaynaklı HA ve deniz alglerinden elde edilen pikojen HA bulunur. Bunlardan alg kökenli HA, kemiğin fizikokimyasal özelliklerine en yakın özelliklere sahip olandır [6.53]. Alg kökenli HA nın iç ve tane yapısı ve hammadde olarak kullanılan çeşitli alg türleri Şekil 6.16 da gösterilmiştir. HA nın kullanım alanları arasında dişçilik, travmatoloji ve ortopedide kemikteki boşlukların doldurulması, plastik cerrahide sert doku hatalarının düzeltilmesi ve travmatoloji ve ortopedide kemiklerarası aralıklarda köprü oluşturulması bulunur [6.54]. Ortognatik cerrahide yüzdeki kemik deformasyonlarının giderilmesi için kalıcı HA aşıları geniş çapta denenmiştir. HA, ağız cerrahisinde periosteal hatalar ve diş yuvalarının yükseltilmesinde dolgu maddesi olarak yaygın uygulama alanı bulmuştur. HA ve biyoetken camlar uzun zamandır orta kulak cerrahisinde başarıyla kullanılmıştır. HA kaplamalar biyoetkenlikleri nedeniyle iyileşme sürecini hızlandırabilir

2 fakat çoğu uzman bunların 4-6 yıl arası hizmet- ten sonra çözünebileceği konusunda fikir birliğine varmıştır. Bu nedenle kalıcı uygulamalarda önerilmemektedirler. Diz ve kalça için kullanılan biyomedikal aşıları Ti ya da paslanmaz çelik tel veya Ti ve Ag tanecik katkılı Ca Na fosfosilikat cam malzemelerden yararlanır. Bu camların temel bileşenleri SiO (6O%), Na20, CaO, P205, MgO ve K2O dur. Yüksek Na20 ve CaO yüzdesi ve yüksek bir CaO/P205 oranı gereklidir [6.55]. Alümina ve kararlılaştırılmış zirkonya seramikler ortopedik yük taşıyan uygulamalarda kullanılır. Şekil 6.17 Al2O3, Zr02 ve HA dan yapılmış olan bazı aşı parçalarını göstermektedir. Uzun süreli izleme çalışmalarına göre bir TiAIFe alaşımına birleştirilmiş olan alümina soket ve küre düzeneği yüksek başarı oranı elde etmiştir. Şekil Alg kökenli HA içindeki 10 µm enli petek yapılı kanallar a alg iskeletinde birleştirici gözenekler b ve bu amaçla kullanılan çeşitli algler c (Friatec AG Medical Technology Division Mannheim Almanya)

3 Seramiklerin dişçilikteki ilk kullanımı fildişi, kemik, ahşap ve başka insanlardan çıkarılan dişlerin yerine 1774 yılında porselen dişlerin geçmesidir [6.57]. Seramikler lekeli, çürük ve kötü kokulu takma diş sorununu çözmüş fakat doğal dişin estetik özellikleri elde edilememiştir. Dişçilikte kullanılan ilk seramikler üç bileşenli porselen malzemelerdir (bkz. Altbölüm 7.2). Bu bileşimlerden kil kuvarsın çıkarılması ile estetik özellikler iyileştirilmiştir. Kullanımdaki estetik porselenler temelde feldspat minerallerinden üretilen ve az oranda kristal katkılı alkali ile değiştirilmiş alüminosilikat camlarıdır. Lusit (KAISi2O5) içeren yüksek genleşmeli porselenler bunun dışındadır. Yüksek oranlarda (ağ.%40 55) lusit parçacıkları güçlendirme katkısı olarak kullanılır. Lusit yeterli yarısaydamlık özelliği sağlar ve bu, estetik nedenlerle önemli bir özelliktir. Ayrıca lusit, feldspat camlarınınkine yakın kırılma göstergesine sahiptir ve karma malzemenin ısıl genleşme katsayısını yükseltir. Lusit aynı zamanda diş porselenlerinin katkısız cama göre daha yüksek tokluğa ulaşmasında da kullanılır. Çoğu estetik seramik düşük dayanımlıdır ve işlevsel beklentilerin yüksek olduğu kaplama (kron) ve protez gibi uygulamalara uygun değildir. Daha yüksek dayanımlı seramikler metal yerine göbek malzemesi olarak kullanılır çünkü yarısaydamlıkları nedeniyle bu seramiklerin optik özellikleri metallere göre daha uygundur. Başlangıçta Al2O3 ile dayanımı artırılmış camlar göbek malzemesi olarak kullanılmıştır. Daha yüksek dayanım ve tokluk için geliştirilmiş bir başka göbek malzemesi alüminosilikat emdirilmiş ağ.%70 85 alüminadır. Bu malzeme iki farklı yolla üretilir. İlk yol alümina gövdenin çamur dökümü, pişirme ve cam emdirme işlemlerinden oluşur. İkinci yol önpişirilmiş gözenekli alümina blokların CAD/CAM ile işlemesi ve ardından bu parçalara cam emdirme işlemlerini içerir.[6.57]

4 Şekil Tıp uygulamalarında kullanılan seramik parçalar: alümina küresel başlıklar ve ekler (BIOLOX forte), kalça artroplasti için karma malzemeler (BIOLOX delta), hidroksilapatit seramik (BIOLOX osprovit), biyoetken kaplama veya granüller ve özel cerrahi uygulamalarda kullanılan döküm malzemeler (CeramTec AG Innovative Ceramıc Engineering Plochingen Almanya) Çene saplamaları alümina, HA ve biyoetken camlardan yapılır. Şekil 6 18 saplama örneklerini sergilemektedir. Başlangıçta bunlar tek parça alümina gövdeden yapılırdı (Şekil 6.18 ortada). Uzun süreli sonuçlar alüminanın tokluğundan kaynaklanan bazı olumsuzlukları ortaya çıkarmıştır. Bunun sonucunda ikinci kuşak saplamalar geliştirilmiştir. Bu saplamalar HA ile kaplanmış titanyumdan (Şekil 6.18 solda) veya kaplamasız titanyumdan oluşur ( Şekil 6.18 sağda) [6.58]. Bir başka seçenek basamaklı Ti silindir bir kök ve seramik bir diş gövdesinin birleşiminden oluşur (Şekil 6.19). Katkısız alümina aşılar mekanik özelliklerin yaşamsal olmadığı durumlarda uygundur. Bu uygulamalara örnek olarak kemikçik zincirinin tamamen ya da kısmen değiştirildiği orta kulak aşıları, ur cerrahisinde nefes borusu destekleyici halka, kornea değişimi (optik parça olarak korundum tekil kristal ve tutucu halka olarak alümina kullanılır), kemik duvarlarda (septum) destekleyiciler ve orbital plakalar gösterilebilir [6.56].

5 Şekil 6. İki tür Frialit -2 Ti saplama (sol ve sağ) ve ilk Frialit -1 alümina (ortada) (Friatec AG Medical Technology Division Mannheim Almanya) Bir başka uygulama kanser tedavisinde yitriya alüminosilikat cam mikrokürelerin kullanımıdır. Bu mikroküreler bedenin kanserli bölgelerine ışınımın yerel olarak iletilmesinde kullanılmıştır. Daha yüksek toklukları nedeniyle MgO-PSZ ve Y2O3-PSZ eklem değişiminde alümina yerine seçenek olarak düşünülmektedir. Zirkonya tabanlı seramiklerin mekanik yeterlilikleri biyomedikal alümina ile karşılaştırılmış ve ilki daha üstün bulunmuştur. Y2O3-PSZ deneme aşıları bir yıllık süre ile fare ve tavşanlara yerleştirilmiş alümina ile karşılaştırılmış ve benzer biyouyumluluk göstermiştir. Karbon kardiovasküler parçalarda örneğin yapay kalp kapakçığı (valfi) olarak ve ortopedik parçalarda (ör: kemik ve kalça protezlerinde) kullanılır. Gözenekli seramikler enzim, antikor, antijen ve mikrop hareketsizleştirme yüzeylerinde yüksek kimyasal, ısıl ve biyolojik dirençleri sebebiyle kullanılır.