T.C. İZMİR KATİP ÇELEBİ ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ

Transkript

1 T.C. İZMİR KATİP ÇELEBİ ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ Ortopedik Amaçlı Kemik Rahatsızlıklarının Tedavisine Yönelik Yapay Kemik Tasarımı FMBP-42 ÖNP SONUÇ RAPORU Proje Yürütücüsü: Doç.Dr. Mehmet.Özgür SEYDİBEYOĞLU Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Araştırmacılar Yrd. Doç. Dr. Mücahit SÜTÇÜ- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Kutlay SEVER- Makine Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Aylin ŞENDEMİR ÜRKMEZ- Ege Üniversitesi,Biyomühendislik Yrd. Doç. Dr. İ. Safa SATOĞLU- Tıp Fakültesi, Ortopedi ve Travmatoloji Anabilim Dalı Prof. Dr. Seyhun SOLAKOĞLU- Istanbul Universitesi, Capa Tıp Fakültesi Arş. Gör. Metehan ATAGÜR- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

2 İÇİNDEKİLER ÖZET ABSTRACT 1. GİRİŞ 2. ANALİZ ve SONUÇLARI 3. BİLİMSEL KATKILAR Sayfa No

3 Özet Poliüretan malzemeler, üretim ve tasarım kolaylığı, hafiflik, dayanıklılık, ısıl ve elektrik yalıtımı, çarpışmalarda sönümleme kabiliyeti gibi birçok avantajlarından dolayı farklı ticari alanlarda tercih edilmektedir. Poliüretan malzemelerde bir yada birkaç özelliği iyileştirmek için dolgu maddeleri eklenmektedir. Dolgu maddeleri eklenerek, poliüretan malzemelerin termal ve mekanik özellikleri geliştirilebileceği gibi, pahalı olan hammadde maliyeti azaltılarak daha ucuz ürün üretimi sağlanabilmektedir. Bu projede, ortopedi sektöründe kullanılmak üzere geliştirilmek istenen sert poliüretan köpükler, hazırlanma esnasında içeriğine eklenen diatomit ve hidroksiapatitin varlığında nasıl davranacağı çeşitli termal ve mekanik analizler yapılarak incelemeye alınmıştır. Anahtar Kelimeler: Poliüretan köpük, dolgu maddesi, mekanik özellikler, termal özellikler

4 Abstract Polyurethane materials are preferred in different commercial areas because of their many advantages such as production and design simplicity, lightness, durability, thermal and electrical insulation collision damping capability. Fillers for improving one or several properties of the polyurethane material is added. Adding fillers, such as thermal and mechanical properties of the polyurethane material can be improved, reducing the cost of production can be achieved cheaper products expensive ingredients. In this project, desired rigid polyurethane foams to be developed for use in orthopedics sector, how to behave in the presence of diatomite and hydroxyapatite content added to the various thermal and mechanical analysis performed during the preparation of the examination was taken. Key words: Polyurthane foam, filling material, mechanical properties, thermal properties

5 1. Giriş Ortopedik uygulamalarda karşılaşılan çeşitli sıkıntılar arasında ileri yaşlardaki hastalarda osteoporoz zemininde çok sık görülen kalça ve omurga kırıkları ve bunların ortopedik implantlarla tedavi edilmesi esnasında zayıflamış trabeküler yapının konulan implantın kemiğe tutunma gücünü olumsuz etkilemesine bağlı tespit yetersizlikleri vardır. Eklem içine uzanan metafizyel bölgedeki kemiklerin süngerimsi yapısının çökmesi bağlı olarak bu kırıklarda ameliyat esnasında eklem yüzeyinin tekrar oluşturulması esnasında eklemin hemen altında, plak ve vidaların tespitinin gerçekleşeceği bölgede kemik kaybına bağlı büyük boşluklar oluşmakta, bu boşlukların greftlenmesi gerekmektedir. Ancak greftlenen bu bölgelerdeki yeni kemik oluşumu belirli bir güce erişene kadar hastaya hareket verilememekte ve üzerine bastırılamamaktadır. Bu durum eklem sertliklerine ve uzun işgücü kayıplarına yol açmaktadır. Benzer bir şekilde özellikle metafizer kemikte büyük boşluklar oluşturun kemik kisti, dev hücreli tümör veya fibröz displazi gibi tümöral oluşumlar tutulan bölgelerde deformiteler oluşturmakta ve olumsuz sonuçlara yol açmaktadır. Bazı yöntemler tıp alanında kullanılmakla birlikte bu tür çözümler ya yeterince etkili değil ya da fizyolojik değildir. Ayrıca kalsiyum fosfat veya sülfat substratları gibi yöntemlerde oldukça yüksek fiyatlara mal olmaktadır. Bu sorunlara çözüm bulmak amacıyla proje kapsamında insan kemik dokusunda meydana gelebilecek hasarlar için bu doku maddesinin yerini alabilecek, boşluk doldurucu, yük taşımayı ve implant tutunumunu sağlayıcı biyouyumlu poliüretan esaslı kompozit köpükler üretilmiştir. Üretilen malzemenin kemik dokusu ile mukavemet değerleri gibi özelliklerin benzer olması amaçlanırken aynı zamanda ağırlığının da bireyin günlük yaşamında zorluk yaşamaması için hafif olması hedeflenmiştir. Poliüretan malzemeler, poliol sistemi ile izosiyanatın uygun oranlarda karışımı ile oluşmaktadır. Bu karışıma farklı dolgu ve katkı maddeleri eklenerek ile bir kompozit yapı elde edilmektedir. Katkı maddeleri ve dolgu maddeleri ile kompozit yapının mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri değişmektedir. Projenin bir diğer amacı da farklı mineraller ile poliüretan köpüğü destekleyip kemik yapısının benzeri olan ürünler elde etmektir. Projenin sonucunda endüstriyel ölçekte üretilebilecek, ortopedi hastaları için çözüm olabilecek implant malzemeler üretilmesi hedeflenmektedir. Proje sonucunda elde edilecek ürünlerin toksik etkilerinin olmaması, biyouyumlu olması ve vücut ile iyi bir etkileşim halinde olması beklenmektedir.

6 2. Analiz ve Sonuçları Poliüretan köpük üretilirken öncelikle kullanılan poliol karışımı, yüzey aktif madde, uygun katalizörler, şişirme ajanının belli oranlarla karıştırılması ile elde edilmiştir. Proje kapsamında üretilen poliüretan köpükleri elde ederken, kemiğin yapısına mineralojik açıdan benzerlik yaratmak poliol karışımının içerisine %1, %2, %5 oranında diatomit ve hidroksipatit gibi çeşitli inorganik malzemeler eklenmiştir. Elde edilen inorganik katkılı poliol karışımı ile izosiyanatın uygun oranlarla homojen olarak karıştırılması ile poliüretan köpük kolaylıkla üretilmiştir. Diatomitin eklenmesindeki amaç; kemiğin yapısına mineralojik açıdan benzerlik yaratmak iken hidroksipatitin poliüretan köpüğe katılmasındaki amaç; kemik oluşumunu desteklemenin yanı sıra, biyobozunur poliüretan köpük kullanılması durumunda vücut içerisinde parçalanan poliüretan köpük yerini zamanla hidroksiapatit ve yeni kemik hücre oluşumlarına bırakacak olmasıdır. SEM Analizi Birinci iş paketi sonucunda, katkılı poliüretan köpükler üretilmiş olup, hizmet alımı yapılarak SEM (taramalı elektron mikroskobi) görüntüleri elde edilmiştir. Katkısız poliüretan köpüklerin SEM analizleri Şekil 1'de gösterilmiştir. Şekil 1: Katkısız poliüretan köpük Şekil 2'de diatomit katkılı olan poliüretan köpüklerin SEM analizi görülmektedir. SEM analizlerine göre diatomit katkılı olan PU köpükler kemik dokusuna morfolojik olarak benzerlik göstermektedir.

7 Şekil 2: Diatomit katkılı PU Kemik dokuda meydana gelen zararlarda hem yeni kemik hücre oluşumunu destekleyen hem de vücut içinde zamanla parçalanan poliüretan köpük yerini doldurabilecek olan hidroksiapatit katkılı poliüretan köpüklerin SEM analizi sonucu elde edilen görüntüleri Şekil 3'te gösterilmiştir. Şekil 3: Hidroksiapatit katkılı Poliüretan köpük FTIR Analizi Farklı yüzdelerde hazırlanmış takviye malzemeleriyle güçlendirilmiş Poliüretan (PU) köpüklerin yapısal karakterizasyonu, Nicolet is5 model, Thermo Fisher Scientific marka Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR) kullanılarak cm -1 dalga boyu aralığında yapılmıştır. Poliüretanın FTIR spektrumu Şekil 4'te gösterilmektedir. Poliüretan sentezi için 2271 cm -1 piki çok önemlidir çünkü bu pik poliüretan sentezinde reaksiyona girmeyen serbest izosiyanatı göstermektedir. Şekil 4'e bakıldığında 2271 cm -1 piki görülmediğinden poliüretan sentezinin başarıyla tamamlandığı söylenebilmektedir. Ayrıca poliüretana ait bazı spesifik piklerde bu grafikte gösterilmektedir. Bu pikler; 2875 cm -1 'de CH 2, 1715 cm -1 'de C=O,

8 1229 cm -1 'de C N bağından ve 1509 cm -1 de C N gerilmelerinden ve N H eğilmelerinden kaynaklanan karakteristik pikler vermektedir. -0,01 0,00 Transmittance (%) 0,01 0,02 0,03 0,04 katkisiz PU 2 0, Wavenumbers (cm-1) Şekil 4: Katkısız Poliüretan köpüklerin FTIR spektrumu Şekil 5 de üç farklı konsantrasyona sahip diatomit takviyeli PU köpüklerinin FTIR spektrumları çakışık olarak gösterilmektedir. Diatomit konsantrasyonun değişmesi ile 1715 ¹ cm dalga boyundaki C=O piklerinin yükseklikleri artmaktadır ve buna bağlı olarak diatomitin yapıya yüzdesiyle doğru orantılı olarak yapıya katıldığını görülmektedir. -0,1 0,0 0,1 Transmittance (%) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 katkisiz PU 2 Diatomite %5 diatomit 6 %2 diatomit 4 %1 diatomit Wavenumbers (cm-1) Şekil 5: Diatomit katkılı Poliüretan köpüklerin FTIR spektrumu

9 -0,2 0,0 Transmittance (%) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 katkisiz PU 2 H.A %5 H.A. %2 H.A. 10 %1 H.A. 9 1, Wavenumbers (cm-1) Şekil 6: Hidroksiapatit katkılı Poliüretan köpüklerin FTIR spektrumu Şekil 6 da üç farklı konsantrasyona sahip hidroksiapatit takviyeli PU köpüklerinin FTIR spektrumları çakışık olarak gösterilmektedir. Diatomit katkılı PU köpüklerde olduğu gibi, hidroksiapatit konsantrasyonun değişimi 2875 ¹ cm dalga boyundaki CH 2 piklerinin yüksekliklerini değiştirmektedir. TGA Analizi TGA cihazı, ölçümlerde kullanılan numunenin kütlesinin sıcaklığın artışına bağlı olarak azalışını ölçmektedir. TGA deneyleri üniversite bünyemizde bulunan Perkin Elmer Diamond TG/DTA cihazı ile yapılmış olup, numuneler 30 0 C'den C'ye kadar ısıtılmıştır. Ölçüm esnasında genel olarak sıcaklık sabit olarak artmaktadır. Ölçümlerde PU köpükler azot (N2) atmosferinde ve 10 C/dk sıcaklık artış hızında 950 ºC ye kada ısıtılmıştır. Numunelerin kütle değişim davranışını gösteren TGA eğrileri çizilmiştir. Böylece PU köpüklerin termal davranışı tespit edilmektedir.

10 %1 Diatomit %2 Diatomit %5 Diatomit Katkisiz PU Weight % (%) Sample Temperature ( C) Şekil 7: Katkısız PU köpükler ile Diatomit katkılı Pu köpüklerin TGA sonuçları Şekil 7'de diatomit katkılı Pu köpüklerin termal davranışları katkısız PU köpükler ile karşılaştırılmıştır. TGA analizlerinden PU köpüklerden katkısız olan diatomit katkılı olanlara göre daha çok bozunmaktadır dolayısıyla diatomitun yüksek sıcaklıkta bozunmada malzemeye iyileştirme kazandığı söylenebilir. Belirli sürede en az kütle kaybı %2 oranlı üründe görülmektedir. Bu sonuçlara göre diatomit katkısının %2 'den fazla konulmasının termal bozunmaya fazla etkisi olmadığını anlaşılmaktadır %1 HA %2 HA-15son-15many %5 HA-15son-15many %5 HA- 30+manyetik Katkisiz PU Weight % (%) Sample Temperature ( C) Şekil 8: Katkısız PU köpükler ile Hidroksiapatit katkılı Pu köpüklerin TGA sonuçları

11 Hidroksiapatit katkılı PU köpüklerin termal bozunma sonuçlarının katkısız PU köpükler ile karşılaştırıldığı Şekil 8'e göre Hidroksiapatit termal bozunmaya katılma oranıyla ters orantılı olarak etki etmektedir. PU'ya % 5 oranında katılan Hidroksiapatit %1 ve %2 katılan köpüklere göre termal bozunmadan daha az etkilenmektedir. Bununla birlikte şekilden de anlaşılacağı üzere nanopartikül boyutundaki Hidroksiapatitin PU köpükler hazırlanırken kullanılan karıştırma şeklinde en iyi sonuç veren yöntem 15 dakika manyetik karıştırmanın devamında yapılan 15 dakika sonikatör ile karıştırma tekniğidir. Basma Analizi Sert poliüretan köpükler projede kemik doku yerine kullanıldığı için basma dayanımları belli bir değer veya üzerinde olmalıdır dolayısıyla bu özelliklerinin tespiti büyük önem arz etmektedir. Basma deneyleri üniversite bünyemizde bulunan Shimadzu AGS-X model cihazda yapılmıştır. Basma dayanımını tespit etmek için BS EN ISO 844:2009 standartları kullanılmıştır. Deneyde kullanılan kübik numunenin boyutları 50mm x 50mm x 50mm ve numunenin yoğunluğu ortalama gcm -3 dir. Test hızı 5 mm min -1 olmakla birlikte farklı malzemeden alınan iki örneğinde kalınlığın %85'ine kadar basma yapılmıştır. Her farklı malzemeden en az 2 numune alınarak yapılan basma testinde alınan değerlerin ortalamaları alınarak aşağıdaki grafikte verilmiştir. Şekil 9: Diatomit katkılı PU köpüklerin gerilme yüzde şekil değişim grafiği

12 Diatomit katkılı poliüretan köpüklerin gerilme yüzde şekil değişim grafiği Şekil 9'daki gibidir. karşılaştırılması şekildeki gibidir. Grafiğe göre takviyesiz PU köpüğün maksimum basma dayanımı 0,13729 MPa olarak ölçülmüşken bu değer % 1 katkılı PU için 0,13371 MPa değerine düşmüş, %2 katkılı PU için 0,17493 MPa ve % 5 katkılı PU için 0,20056 MPa değerlerine çıkmıştır. Diatomit takviyeli PU köpük malzeme için takviye konsantrasyonuna göre elastisite modüllerindeki değişim Şekil 10'da gösterilmiştir. Takviye katılmamış PU köpük için elastisite modülü 0, GPa olarak ölçülmüştür. Buna göre takviyesiz PU ve % 1 katkılı PU için elastisite modüllerinde fazla bir değişim gözlenmezken %2 katkılı PU için bu değer büyük bir artış göstererek 0, GPa değerine ulaşmış bu değer % 5 katkılı malzemede tekrar 0,00656 GPa değerine düşmüştür. Şekil 10: Diatomit takviyeli PU köpük malzeme için takviye konsantrasyonuna göre elastisite modüllerindeki değişim Hidroksiapatit katkılı PU köpük için basma grafikleri şekil 11'de gösterilmiştir. Takviyesiz PU köpüğe kıyasla en yüksek basma dayanımı % 1 katkı ile 0, MPa olarak ölçülmüştür. Bu değerler % 2 katkılı PU için 0,17997 MPa ve %5 katkılı PU için 0, MPa olarak ölçülmüştür.

13 Şekil 11: Hidroksiapatit katkılı PU köpüklerin gerilme yüzde şekil değişim grafiği Şekil 12'de Hidroksiapatit katkılı PU köpük için takviye konsantrasyonuna göre elastisite modülleri kıyaslanmıştır. Buna göre, elastisite modüllerinde katkısız PU malzemeye kıyasla %1 katkı oranında 0, GPa ile en büyük artış gözlenmiştir. Bu değer %2 lik katkı oranında 0,00545 GPa değerine düşüş gösterirken %5 katkı oranında 0, GPa değerine çıkmıştır. Şekil 12: Hidroksiapatit takviyeli PU köpük malzeme için takviye konsantrasyonuna göre elastisite modüllerindeki değişim

14 3. Bilimsel Katkılar Makale düzenleme işlemi devam ederken Green Chemistry and Sustainable Technologies 2015 için hazırlanan sözlü sunum yapılmıştır. Sunumların başlıkları ise; The Production of Bio-based Polyurethane Foam from Biodiesel Residues A New Paradigm for Thermosetting Resins; Recycling of Thermosetting Polyurethane Foams Natural Fiber Reinforced Polyurethane Foam Polyurethane Foams in Biomedical Applications Proje süresince elde edilen poliüretan köpükler biyouyumluluk analizlerinin yapılması için Prof. Dr. Seyhun Solakoğlu na gönderildi ve sonuçları beklenmektedir. Bu proje kapsamında geliştirilen poliüretan köpüklerin farklı özelliklerine göre makale başvurusu yapılmış olup literatüre katkı sağlanması amaçlanmıştır. Makale isimleri ve gönderildikleri dergi adları; Biofiber Reinforced Polyurethane Rigid Foam-Journal of Renewable Materials The Production of Bio-Based Polyurethane Foams From Biodiesel Residues-Journal of Applied Science yada Journal of Biomedicine and Biotechnology