GÖZENEKLİ TİTANYUM YAPILARIN ÜRETİMİ, MEKANİK ÖZELLİKLERİ VE BİYOMEDİKAL UYGULAMALARI

Transkript

1 GÖZENEKLİ TİTANYUM YAPILARIN ÜRETİMİ, MEKANİK ÖZELLİKLERİ VE BİYOMEDİKAL UYGULAMALARI Mustafa Güden ve Uygar Yıldırım Giriş Optimum fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklere sahip doğal malzeme yapıları mühendislik yapılarında sıkça taklit edilmektedir. Fonksiyonel dereceli yapılara artan ilgi doğal fonksiyonel dereceli yapıya sahip kemiğe karşı ilgiyi de arttırmaktadır. Süngerimsi kemiğin gözenekli yapısı, mühendislik uygulamalarında kullanılan açık hücreli metal köpüklerin yapısına oldukça benzemektedir (Şekil 1(a) ve (b)). Bu benzerlik, son yıllarda gözenekli metalik yapılara ilgiyi arttırmıştır. Gözenekli metal yapıların ileriki yıllarda implant malzeme olarak kullanım potansiyelinin, geometrik, mekanik ve biyolojik özelliklerin implant tasarım spesifikasyonlarına göre ayarlanması ile artması beklenmektedir. Bu özelliklerden bazıları şunlardır: gözenek miktarı ve boyutu, elastisite modülü, akma dayanımı ve biyo-uyumluluk. (a) (b) Şekil 1(a) kemik ve (b) açık hücreli nikel köpük yapıları. Üretim metodları Biyomedikal uygulamalarda yaygın kullanım potansiyeli bulunan açık hücreli Ti gözenekli yapılar bir çok metotla üretilebilmelerine karşın, hızlı, ucuz ve arzulanan malzeme geometrilerinin nihai şeklinde hazırlanabilmesi nedeniyle toz metalurjisi yöntemi en yaygın kullanılan metottur. Arzulanan gözenek miktarı ve şekline ve mekanik özelliklere bağlı olarak iki ayrı toz metalürji metodu, boşluk yapıcı madde kullanım veya tozlardan direkt sinterleme, gözenekli metal yapı hazırlamada kullanılmaktadır. Boşluk yapıcı madde kullanım metodu metal tozların boşluk yapıcı madde (örneğin üre ve amonyum karbonat) ile karıştırılması ile başlamaktadır. (Şekil 2). Karışım

2 çeşitli metal şekillendirme yöntemleriyle (tek eksenli presleme, ekstrüzyon ve benzeri) sıkıştırıldıktan sonra boşluk yapıcı maddenin düşük sıcaklıkta uzaklaştırılması ile devam etmektedir. Son aşamada ise toz tablet yüksek sıcaklıkta mekanik bütünlüğün sağlanması için sinterlenmektedir. Bu metot ile son şekillerinde kullanılmaya hazır homojen gözenek boyutuna ve yüksek gözenek yüzde miktarlarına (%60-%80) sahip, elastisite modülleri kemiğinki ile kıyaslanılabilir açık hücreli titanyum köpükler hazırlanmaktadır [1-3]. Şekil 3 de bu metotla hazırlanan titanyum köpüğün yapısı gösterilmektedir. Boşluk yapıcı maddenin uzaklaşması ile oluşan boşluklara hücre, iki hücrenin arasındaki sınıra ise hücre duvarı denilmektedir. Hücre boyutu ve şekli boşluk yapıcı madde toz boyutu ve şekli ve uygulanan sıkıştırma basıncı ile ayarlanabilir. Şekil 2 Boşluk yapıcı madde metodunun basamakları Şekil 3 Boşluk yapıcı madde metodu ile hazırlanmış titanyum köpük. Gözenekli metal yapılar küresel veya şekilsiz tozların direkt sinterlenmesi ile de hazırlanmaktadır [4, 5]. Bu metotta gözenek miktarı ve boyutu, boşluk yapıcı madde metoduna kıyasla daha düşüktür. Gözenek miktarı %20 ile %50 arasında değişmekte, gözenek boyutu ise 100 m civarındadır. Gözenekler, toz parçacıkları

3 arasında sinterleme sonrasında oluşan boşluklardan oluşmaktadır. Şekil 4 de Ti6Al4V tozların sinterlenmesi ile hazırlanan gözenekli malzeme ve mikroyapısı gösterilmektedir. (a) (b) Şekil 4 Küresel Ti6Al4V tozların sinterlenmesi ile hazırlanan (a) gözenekli metal yapısı ve (b) tozlar arası boşluklar. Mekanik ve biyolojik özellikler Köpük metal yapılar basma altında karakteristik deformasyon özelliği göstermektedir. Gerilme-birim şekil değişimi grafiği; I-lineer elastik, II-çökme ve IIIyoğunlaşma bölgelerinden oluşmaktadır (Şekil 5(a)). Mekanik özellikler örneğin elastisite modülü, gözenek miktarının artması ile yükselmektedir. Gözenek miktarının %35 ile %80 arasında değiştiği titanyum köpük malzemede, elastisite modülü 20 GPa nın altındadır (Şekil 5(b)) ve bu değer, kemiğin elastisite modülü ile kıyaslanabilir seviyelerdedir. Ti6Al4V alaşım tozlarından hazırlanan köpük ve sinterlenmiş toz yapıları, titanyum tozları ile hazırlanan gözenekli yapılarla benzer elastisite modüllerine sahiptir. Şekil 6 da farklı parçacık boyutu ile hazırlanan Ti6Al4V sinterlenmiş tozların akma dayanımının gözenek miktarı ile değişimi gösterilmektedir. Aynı şekilde karşılaştırma amacı ile saf titanyum tozları ile hazırlanan tozların akma dayanımı da gösterilmektedir. Kortikal kemik implant uygulamaları için gerekli maksimum gözenek miktarı Ti6Al4V tozlarında %45 iken, bu oran titanyum tozlarda %25 dir. (a) (b) Şekil 5 Titanyum köpüğün (a) gerilme-birim şekil değişimi davranışı ve (b) elastisite modülünün gözenek miktarı ile değişimi [3].

4 Akma dayanımı (MPa) m 157 m 212 m Ti tozu [5] kortikal kemik Gözenek miktarı (%) Şekil 6 Ti6Al4V tozlarından hazırlanan sinterlenmiş gözenekli yapılarda akma dayanımının gözenek miktarı ile değişimi ve sinterlenmiş titanyum toz gözenekli yapıları ile karşılaştırma. Gözenekli yapıların biyomalzeme olarak kullanımı, gözeneklerin doku gelişimini teşvik etmelerinden kaynaklanmaktadır. Implantlarda kullanıldığında oluşan doku gelişimi, implantla çevresindeki doku arasında nispeten kalıcı ve sağlam bir bağ oluşmasını sağlar. Gözenekli implantlarda göz önünde bulundurulması gereken iki ayrı kompozit yapı vardır: (1) doku gelişiminden önceki implant, bu durumda gözeneklerin içerisinde doku sıvısı bulunur ve (2) dokuyla dolu olan implant. Doku gelişiminden önceki implant söz konusu olduğunda, gözenekli malzemenin elastisite modülü ve mekanik dayanım değerlerinin homojen türdeşinden daha düşük olduğu unutulmamalıdır. Gözenekli yapı kemikle uyumlu implantların üzerinde kemiksi dokuların gelişimini teşvik etmek için kullanılmaktadır. Gözenek büyüklüğü malzemenin tokluğunu etkilese de elastisite modülü ve mukavemet değerleri üzerinde çok fazla etkisi yoktur. Ancak gözenek büyüklüğü biyolojik açıdan oldukça önemlidir. Özellikle ortopedik implantlarda, 150 m ile 500 m arasındaki gözenekler, içerisinde kemiksi dokuların gelişimine izin vererek implantın kemiğe bağlanmasına yardımcı olmaktadır. Normal haversian kemiklerde bulunan kemik hücrelerinin (osteon) boyutları da 150 m civarındadır. Gözenekli yapı kemiğe implante edildiğinde, gözenekler ilk önce pıhtılaşan kan ile, sonrasında ise osteoprojenitör mesenkimal hücrelerle dolar. Yaklaşık dört hafta sonunda kemiksi yapı gözenekleri doldurur. Kemik dokusu mekanik gerilmelere bağlı olarak gelişimini sürdürür. İyileşmenin ilk safhalarındaki mekanik stabilite, kemiksi dokunun gelişmesinde önem taşır. Eğer çok fazla hareket olursa, kemik yerine kollajenik yara dokusu (collagenous scar tissue) oluşur. Gözenekli kaplamalar ortopedik implantların sabitlenmesinde aktif rol oynar. İmplantın tasarımı, gelişen kemiğin fizyolojik sınırlar içerisinde yüklenmesini sağlayarak, gerilme korunmasından (stress shielding) kaynaklanan kemik kaybını engellemelidir. Son yıllarda yapılan bir çalışmada iri titanyum tozlarının Ti-6Al-4V alaşımının üzerinde sinterlenmesinin alaşımın mikroyapısına etkileri incelenmiştir C de yapılan sinterleme işleminin, alaşımın dane yapısında büyümeye yol açarak implantın mekanik ve fatik özelliklerinde düşüşe neden olduğu saptanmıştır [6].

5 Sürdürülen bir çok çalışmanın amacı, çeşitli kimyasal ve ısıl işlemler sonunda gözenekli, titanyum malzemeleri biyoaktif hale getirerek kemikle entegrasyonunu hızlandırmayı amaçlamaktadır. Kimyasal işlemler içerisinde, NaOH uygulaması sıklıkla kullanılmaktadır. NaOH içerisinde bekletilen titanyum yüzeyinde sodyum ve titanyumdan oluşan bir hidrojel tabakası oluşmaktadır. Kimyasal işlem sonrasında 600 C de yapılan ısıl işlem ile, hidrojel tabakası amorf sodyum titanat tabakasına dönüşür. Sodyum iyonlarının salınımıyla yüzeyde negatif yüklü Ti-OH grupları oluşur. Bu gruplar pozitif yüklü kalsiyum ve fosfat iyonlarının yüzeye yapışmasını sağlayarak, implant yüzeyinde apatit birikmesine yardımcı olur. %40 gözenek miktarına sahip maksimum gözenek büyüklüğü 250 m olan titanyum malzemeler yukarıda açıklandığı şekilde kimyasal ve ısıl işleme tabi tutulduktan sonra, simüle vücud sıvısının (SBF) içerisinde bekletildikten sonra, yüzeyleri incelenmiştir. Yapılan analizler yüzeyde apatit birikiminin sağlandığını göstermiştir [7]. Bu konuda yapılan in vivo çalışmalardan birinde ise, gözenek oranı %40 ila %60 arasında değişen m gözenek büyüklüğüne sahip gözenekli bloklar ve aynı gözenek oranlarında m gözenek büyüklüğüne sahip fiber ağlarından (fiber mesh) oluşan silindirler olgun köpeklerin sırt kaslarına implante edilmiştir [8]. Implantlar 3 ve 12 aylık periyotlar sonrasında incelenmiştir. 12 ay sonucunda kimyasal ve ısıl işleme tabi tutulmuş gözenekli bloklarda kemik oluşumu gözlenmiştir. Kimyasal işlem sonucu yüzeyde oluşan üç boyutlu mikro gözenekli yapının kemik entegrasyonunda önemli rol oynadığı vurgulanmıştır. Gözenekli yüzeylere sahip titanyum alaşımı implantların sol-jel yöntemiyle kalsiyum fosfatla kaplanması ve implantların in vivo olarak incelenmesi son yıllarda yapılan çalışmalar arasında yer almaktadır [9-11]. Gözenekli malzemelerin, kemik matriks proteinleri ya da demineralize kemik ve hidroksiapatit kristalleri gibi dolgu malzemeleriyle birlikte kullanımına yönelik çalışmalar da yapılmaktadır. Tavşanlar üzerinde yapılan bir in vivo çalışmada osteoblast hücreleriyle kaplanan titanyum implantlarda kemik dokusu oluşumunun önemli derecede hızlandığı gözlenmiştir [12]. Halihazırda gözenekli titanyum ve titanyum alaşım yapıları implanlarda yüzey kaplaması olarak kullanılmaktadır. Yüksek mekanik dayanıma sahip ve gözenek miktarının ve boyutunun dereceli şekilde değişmesi ile oluşturulacak fonskiyonel dereceli gözenekli implant yapılar ileriki yıllarda biyomedikal uygulamalarda yaygın kullanım potansiyeline sahip yeni yapılardır. KAYNAKLAR 1. Bram M, Stiller C, Buchkremer H. P, Stöver D, Baur H, High purity titanium, stainless steel and superalloy parts. Adv Eng Mater 2001;2: Wen CE, Mabuchi M, Yamada Y, Shimojima K, Chino Y, Asahina T, Processing of biocompatible porous Ti and Mg. Script Mat 2001;45: Wen CE, Yamada Y, Shimojima K, Chino Y, Asahina T, Mabuchi M, Processing and mechanical properties of autogenous titanium implant materials. J. Mater Sci 2002; 13: Oh IH, Nomura N, Masahashi N, Hanada S, Mechanical properties of porous compacts prepared by powder sintering. Script Mat 2003;49: Oh IH, Nomura N, Masahashi N, Hanada S, Microstructures and mechanical properties of porous titanium compacts prepared by powder sintering. JIM Mater Trans 2002;43: Amigo V, Salvador MD, Romero F, Solves C, Moreno JF, Microstructural evoluation of Ti-6Al-4V during the sintering of microspheres of Ti for orthopedic implants. J Mater Proces Techn 2003;141:

6 7. Liang F, Zhou L, Wang K, Apatite formation on porous titanium by alkali and heat-treatment. Surface and Coatings Technology 2003;165 : Fujibayashi S, Neo M, Kim HM, Kokubo T, Nakamura T, Osteoinduction of porous bioactive titanium metal. Biomaterials 2004;25: Nguyen HQ, Deporter DA, Pilliar RM, Valiquete N, Yakubovich R, The effect of sol-gel-formed calcium phosphate coatings on bone ingrowth and osteoconductivity of porous-surfaced Ti alloy implants. Biomaterials 2004;25: Gan L, Pilliar R, Calcium phosphate sol-gel-derived thin films on porous-surfaced implants for enhanced osteoconductivity. Part I: Synthesis and characterization. Biomaterials 2004;25: Gan L, Wang J, Tache A, Valiquette N, Deporter D, Pilliar R, Calcium phosphate sol-gel-derived thin films on porous-surfaced implants for enhanced osteoconductivity. Part II: Short-term in vivo studies. Biomaterials 2004;25: Frosch KH, Isondergeld I, Dresing K, Rudy T, Lohmann CH, Rabba J, Schild D, Breme J, Stuermer KM, Autologous osteoblasts enhance osseointegration of porous titanium implants. Biomaterails 2003; 21: