Yapay Kemik Uygulamaları İçin Hidroksiapatit. Hydroxyapatite For Artificial Bone Applications

Transkript

1 BiyoTeknoloji Elektronik Dergisi Cilt: 1, No: 1, 2010 (41-51) Electronic Journal of BioTechnology Vol: 1, No: 1, 2010 (41-51) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Derleme (Review) Ahmet PASĐNLĐ 1, R. Sami AKSOY 2 1 Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Makine Programı, 35100,Bornova, Đzmir 2 Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mak. Müh., 35100, Bornova, Đzmir Özet Biyomalzemeler, insan vücudundaki organ ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler olup, metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler olmak üzere 4 ana gruba ayrılırlar [1]. Biyomalzemelerde en önemli özellik vücuda uyuşabilirlik (biyouyumluluk) olup, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda yan etkiler (iltihaplanma, pıhtı vb.) oluşturmayan malzemelerdir. Biyoseramiklerden biri olan ve klinikte en çok kullanılan; Hidroksiapatit [HA:Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH)], kemik, diş ve diş minesi dokusunun inorganik yapısını oluşturan kalsiyum fosfat esaslı bir seramik olup, biyouyumluluğu nedeniyle yapay kemik olarak çeşitli protezlerin yapımında, çatlak ve kırık kemiklerin onarımında ve metalik biyomalzemelerin kaplanmasında kullanılmaktadır. Anahtar Kelimeler: Biyomalzemeler, Hidroksiapatit, Yapay Beden Sıvısı, Kaplama Hydroxyapatite For Artificial Bone Applications Abstract Biomaterials are used to replace or support the human organs or tissues. There are four different groups of biomaterials such as metallics, ceramics, polymers and composites. Biocompatibility is considered as the most important feature in biomaterials, allowing the surrounding tissue to differentiate normally and preventing undesired reactions (such as infection and blood clot). Hydroxyapatite (HA), chemical formula Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, is considered the structural template for the mineral phase of bone, dentin and enamel. HA is a calcium phosphate based bioceramic and mostly used in clinics for making artificial bone due to its biocompatibility and bioactivity properties (to be used in various prosthesis), treating cracks and fractures in the bone and coating of metallic biomaterials. Keywords: Biomaterials, Hydroxyapatite (HA), Sentetic Body Fluid (SBF), Coating 1. GĐRĐŞ Günümüzde önemi ve uygulama alanı gittikçe artan biyouyumlu, güvenilir ve etkin olan biyomalzemeler, insan vücudundaki organ ya da canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler olup, sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut sıvıları ile temas halindedirler [2]. En önemli özellik biyouyumluluk olup, yapısal ve yüzey uyumluluğu olmak üzere iki şekilde incelenebilir. Yüzey uyumluluğu, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal uyumluluk ise, malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur [3]. Bu makaleye atıf yapmak için Pasinli A. 1,Aksoy R., S. 2 Yapay Kemik Uygulamaları için Hidroksiapatit, BiyoTeknoloji Elektronik Dergisi 2010 (1) How to cite this article Kejanlı H. *, Taşkın M. *, Çalıgülü U., The Effect on the Connecting Charasteristic of Welding Temperature And Period on The Joining With the Diffusion Bonding Using Ni and Cu Interlayer of Ti 45.0Ni 49.6Cu 5.4 Composites Electronic Journal of BioTechnology, 2010 (1) 41-51

2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Bir doku hasar gördüğü veya işlevini yitirdiği zaman, hasarlı dokunun yerine sağlamının yerleştirilmesi iki şekilde gerçekleşmektedir; 1. Transplantasyon (nakil) 2. Đmplantasyon (yerleştirme) Transplantasyonda; hastanın kendi dokusu veya başka bir insandan ya da hayvandan alınan dokuların kullanımı söz konusudur. Đmplantasyonda ise biyomalzemeler kullanılmaktadır. Ancak tüm implantların ömürleri sınırlıdır. Özellikle implantların dokulara biyoaktif olarak sabitlenmesi, ortopedik protezlerin ömrünün uzamasında çok etkili olmaktadır. Tıbbi uygulamalarda kullanılan biyomalzemeleri; sert doku yerine kullanılacak biyomalzemeler ve yumuşak doku yerine kullanılacak biyomalzemeler olarak iki grupta toplamak mümkündür. Ortopedik ve diş implantları, genelde metal ve seramiklerden hazırlanırken, kalp damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri, polimerlerden üretilmektedir. Bununla birlikte, metal-polimer veya polimer-metal kompozit biyomalzemeler de farklı tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Örneğin, bir kalp kapakçığı, polimer-metal biyomalzeme, bir kalça protezi de metal-polimer biyomalzeme kompozitlerinden oluşmaktadır [1]. Bu çalışmada biyomedikal uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılan ve yapay kemik-diş uygulamalarında mükemmel özellikler gösteren HA hakkında bilgiler verilmiştir. 2. HĐDROKSĐAPATĐT 2.1. Genel Bir Bakış Kemik dokusunun inorganik yapısını oluşturan kalsiyum fosfat esaslı HA, tıp ve dişçilikte kullanılan bir biyoseramik malzeme olup, biyouyumluluğu nedeniyle yapay kemik olarak çeşitli protezlerin yapımında, çatlak ve kırık kemiklerin onarımında ve metalik biyomalzemelerin kaplanmasında kullanılmaktadır. HA hekzagonal rombik kafes yapısında olup, birim hücre boyutları; a=b=9.432 A ve c=6.881 A dur. Đdeal Ca/P oranı 10/6 ve hesaplanan yoğunluğu gr/cm 3 tür (Park, 1992). HA nın mekanik özelliklerine ait değerler, Tablo 1. de verilmiştir [4]. Tablo 1. HA nın Mekanik Özellikleri Elastisite modülü (GPa) Bası mukavemeti (MPa) 294 Eğilme mukavemeti (MPa) 147 Sertlik (Vickers, GPa) 3.43 Poisson oranı 0.27 Yoğunluk (teorik, g/cm 3 ) Kemik Dokusu ve Hidroksiapatitin Kemik Dokusundaki Durumu Đnsan kemiklerinin kortikal ve trabeküler kısımlarının matrisleri iki fazdan oluşmaktadır: Kalsiyum HA ve Trikalsiyum fosfat (TCP:Ca 3 (PO 4 ) 2 ). Asıl faz olan doğal kalsiyum HA, kortikal kemiklerde %50 den az olmamak üzere gözenekli bir yapı oluşturur. Diğer yandan, trabeküler kemikler ise %75 in üzerinde gözeneklilikte bir kafese sahiptirler. Đnsan kemiklerindeki gözeneklerin boyutları, 100 ile 500 µm aralığında değişmekte ve doğal kemik iliği ile doldurulmuşlardır. Kemikler, dentin, diş minesi, HA, protein, diğer organik maddeler ve su içeren doğal kompozitlerdir. Diş minesi, bu dokular arasında en çok mineral içeren ve en sert dokudur. Kemik dokusunun mukavemeti, bütün bileşenlerinin ayrı ayrı mukavemetlerinden daha büyüktür. Kemik yapısındaki kallojen, esnek yapısıyla, HA nın gevrek kırılmasını önlerken, HA, sertliğiyle kallojenin plastik deformasyon bölgesine girmesini engeller. Doğal kemik dokusu ile HA'nın yapısı arasındaki benzerlik Şekil 1. de verilen SEM görüntülerinden de anlaşılmaktadır [5]. 42

3 Pasinli A. 1, Aksoy R., S. 2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Hidroksiapatitin Biyouyumluluğu a)kemik b) HA Şekil 1. Kemik dokusu ve Hidroksiapatit in yapısı [5] HA nın en önemli özellikleri arasında mükemmel biyolojik uyumluluğu önde gelir. HA, sert dokularla direk kimyasal bağ kurar. HA partiküllerinin yada gözenekli blokların kemiğe yerleştirilmesinde; yeni doku, 4 8 haftada şekillenir [6]. HA gözenekli yapısı; hücrelerin, gözeneklerin içine doğru büyümesinden dolayı, dokuların implante nüfuz etmesini sağlar. Ayrıca HA'nın yapısındaki gözenekler, bir kanallar sistemi gibi davranıp, kemik yapıya kanın ve diğer önemli vücut sıvılarının ulaşmasını sağlar. HA nın emilimi yılda % 5-10 hızıyla gerçekleşir. Yapılan deneylerde HA implantların, öncelikle fibrovasküler doku ile kaplandığı ve zamanla bu dokudaki olgun lamellerin, kemiğe dönüştüğü tespit edilmiştir [7]. HA nın osteokonduktif özellikleri de implantların kemiğe sıkı yapışmasına ortam ve olanak sağlar. Ayrıca HA nın lokal büyüme faktörlerine, özellikle kemik proteinlerine karşı kuvvetli kimyasal bağlanma eğilimi olduğu saptanmıştır [8]. HA non-toksik (zehir etkisi olmayan) [9] özelliklere sahip olması sayesinde meydana gelebilecek vücut reaksiyonları da minimumdur Hidroksiapatitin Üretim Yöntemleri HA ilk kez [10] tarafından kimyasal çöktürme yöntemi kullanılarak sentezlenmiş olup, daha sonra, su-bazlı kalsiyum ve fosfat tuzları içeren çözeltilerden kimyasal çöktürme veya asit-baz titrasyonu gibi yöntemlerle elde edilebilmektedir [11]. Üretim yöntemi, biyoseramiğin sert doku değişimi ya da doku ve protezlerin birleştirilmesinde kullanılacak olmasına göre farklılık gösterir. Sert doku yer değişimlerinde, çevre dokuların protezlere nüfuzu ve tutturulması için belirli oranda gözenekli olması istense de, gerekli olan en önemli özellik mukavemettir. Fakat protezin mukavemetinin, çevre kemik dokusunun mukavemetinden çok fazla olması, gerilme yığılması (stress shielding) denilen probleme neden olur. Biyoseramik malzemelerin mukavemeti, tamamen yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Eğer bir biyoseramiğin mukavemetinin artması isteniyorsa, yoğunluk arttırıcı işlemlerden geçirilmelidir. Doku ve implant birleşimlerinde; gözeneklilik, dokunun gelişimi ve biyoseramiğin implant ile birleşmesi açısından önemlidir. Gözenekli malzemeler, yüksek alan/hacim oranına sahiptirler. Bu da biouygunluğu sağlar. [12] ve [13] gözenekli kalsiyum fosfat seramiklerin üretilmesi üzerine çeşitli çalışmalar yapmıştır. Gözenekli seramik implantların en büyük avantajı; kemik, seramik malzemenin gözenekleri içerisinde büyüdüğünde, oluşan ara yüzeyin mekanik açıdan yüksek kararlılığa sahip olmasıdır. Gözenekli implantlar, kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak da kullanılırlar. Mercanların mikro yapısı, kontrollü gözenek büyüklüğüne sahip seramiklerin oluşturulması açısından en ideal malzeme olmaktadır. Gözenekli malzemeler, her zaman için yığın formlarında daha zayıftır ve artan gözenekliliğe bağlı olarak, malzemenin dayanımı daha da azalmaktadır. Gözenekler dokuların iç büyümesine de izin verirler. Dolayısıyla protezin desteklenme ve korunması sağlanır. Ayrıca, gözenekler bir kanal sistemi gibi davranarak, kemik içerisine kan ve diğer vücut sıvılarının ulaşımını sağlarlar. Fakat gözenekliliğin fazla olması mukavemeti düşürdüğünden optimum bir oran kullanılmalıdır. Gözenekli biyoseramik üretiminde yaygın olarak, katılaştırıcılı birleştirme ve damlatmalı döküm olmak üzere iki yöntem kullanılmaktadır. Doku birleştirmelerinde sık kullanılan bu yöntemlerin dışında, polimerik sünger metodu, köpük metodu, organik katık ekleme, jel ve kayma döküm, direkt konsolidasyon ve hidroliz yardımlı katılaştırma gibi yöntemlerde kullanılmaktadır. [11 12], Kalsiyum HA'yı, nano-boyutlarda yüksek kimyasal homojenlik ve saflıkta seramik tozlar olarak, kalsiyum nitrat ve di-amonyum hidrojen fosfat tuzlarının, özgün bir kompozisyona sahip Sentetik Vücut Sıvısı (SVS) 43

4 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) çözeltilerinde uygun oranlarda çözülmesi ile başlanarak, insan vücudu sıcaklığı olan 37 C de ve yine insan vücudu ph değeri olan 7.4 te, biyomimetik koşullarda yürütülen özgün bir kimyasal sentez yöntemi ile elde etmiştir. [14] HA üretmek için bir ethylene glycol çözeltisi (Ca(OAC) 2.xH 2 O) ve bir butanol çözeltisi (P ) kullanmıştır. Đşlem sırasında kullanılan, asetik asit (HOAC) ve amonyum nitrat (NH 4 N0 3 ), dengeleyici ve oksitleyici olarak görev yapmıştır. Bu yöntem ile elde edilen HA'yı, kaplamaların hazırlanması uygulamasında potansiyel olarak tanımlamaktadır. [15] HA seramiklerinin elyaflar ile güçlendirilmesi sonucunda kırılma tokluklarının artırılması için; HA elyaflarını, ergitilmiş tuz sentezi (ETS) yöntemini kullanarak ilk kez üretmiştir Hidroksiapatit in Klinik Uygulamaları Kemik greftleri (yama, ek), iyi huylu kemik tümörlerinde standart cerrahi işlemlerden biridir. Kemik tümörlerinde yeniden yapılandırma işlemlerinde; insan, hayvan kaynaklı ve biyolojik esaslı olmayan malzemeler kullanılır. Bu uygulamada kullanılacak malzemenin, kolay üretilip elde edilebilen ve biyouygunluğu yüksek bir malzeme olması gereklidir. Toksik (zehir etkisi) olmamaları nedeniyle vücudu en alt düzeyde olumsuz etkileyen ve kemik grefti olarak kullanımlarda avantaj olarak sayılabilecek kimyasal ve fiziksel özelliklerin yanında, biyouyumlu oldukları için klinikte en çok kullanılan seramikler; HA ve TCP veya bunların kompozitlerini içeren kalsiyum fosfat seramiklerdir. TCP, klasik hızlı rezorbe olan Ca-P seramiğidir. Blok TCP nin porları küçük ve arasındaki bağlantılar tam olmadığı için malzeme tümüyle rezorbe olmadan kemik oluşumu gerçekleşemez. Bu nedenle blok TCP iyi bir greft (yama) malzemesi değildir. HA, yavaş rezorbe (emilen-yok olan) olan klasik Ca-P seramiğidir. Blok HA in-vivo olarak stabildir ve yılda %5-10 oranında rezorbe olur. Blok HA fibrovasküler (lifli ve damarsal) doku tarafından invaze (içine almak-yayınmak) olur ve daha sonradan matür (olgun) lameller kemiğe dönüşür [7]. HA nın biyouygunluğu, [8] ve [16] tarafından deneylerle kanıtlanmıştır. Bu deneylere dayanarak HA 1983 yılından itibaren kullanılmaktadır. Bu uygulamada kullanılan HA, cm boyutlarında gözenekli bloklar halindedir. Bu bloklar %55 70 oranında gözenekliliğe sahip olup, bu gözeneklerin boyu µm civarındadır. Bu bloklar, C de kurutulmuş ve yaklaşık 15 MPa lık sıkıştırma mukavemetine sahiptirler. Uygulanacak bölgenin durumuna göre farklı boyutlarda bloklar kullanılır. Bu bloklar ameliyattan önce gaz-sterilize yöntemine tabi tutulurlar. HA blok ve granülleri, yığma yoluyla kemikteki boşluklara doldurulur. Yığma işlemi sonrasında granüllerin saçılmasını önlemek için bölgeye fibrin yapıştırıcı eklenir. Bu uygulamadaki en dikkat edilen özellik, kemik ile sıkı bir yapı oluşmasıdır [17]. HA nın bir diğer kullanım alanı ise, Şekil 2. de görülen oküler implant uygulamasıdır [18]. Biyouygunluk ve toksik olmama gibi özellikler, HA'yı oküler implant uygulaması için ideal bir biyomalzeme yapmaktadır. Bu implantlarda kullanılan HA, 500 µm çapında, birbiriyle bağlantılı gözeneklere sahiptir. Bu gözenekler implante, dokuların iç büyüme gerçekleştirmesini ve dolayısıyla implantın göz boşluğuna tutunmasını sağlar. Şekil 3 de çeşitli türde yapay gözler görülmektedir [19]. Şekil 2. Hidroksiapatit oküler implant uygulanması [18] Şekil 3. Çeşitli türde yapay gözler [19] 44

5 Pasinli A. 1, Aksoy R., S. 2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Şekil 4 de görülen bağlantı vidalarının (pedicle screws) HA ile kaplanması, gevşeme riskini azaltarak, vidaların daha iyi bağlanmasını sağlamıştır. Çoğu uygulamada vidanın bir kısmını HA kaplama yeterli iken, kemik erimesi olan hastalarda ve tümör ameliyatı gibi belirli durumlarda tam kaplama daha iyi tutunma sağlayabilir [20] yılında yapay göz ve orta kulak implant uygulamalarında kullanılan ve başarılı olunan HA, FDA ( Food and Drug Administration) tarafından onay verilince, ticari olarak piyasaya çıkmış ve çok satılmıştır. Şekil 5. de orta kulak implantına ait bir uygulama görülmektedir [21]. HA, plastik cerrahide de; yanak, alt ve üst çene, burun, alın gibi yüz bölgesine ait kısımların rekonstrüksiyonunda kullanılmaktadır. Şekil 4. HA ile kaplanmış bağlantı vidaları (pedicle screws) [20] Şekil 5. Orta kulak implantına ait bir uygulama [21] 2.6. Hidroksiapatit in Metalik Biyomalzemeler Üzerine Kaplama Olarak Kullanılması Kalça eklem protezlerindeki gibi metal implantlar üzerine kaplama, HA'nın en önemli uygulamalarından biridir. PMMA nın kullanımında oluşan komplikasyondan kaçınmak için bir fiksasyon (sabitleme) aracı olarak femur (büyük bacak kemiği) protezlerinde ve kapsüllerinde geniş bir şekilde kullanılmaktadır [22]. Bir araştırmada; 8 yıllık takip sonucunda 324 implantta %3 lük bir femoral gözden geçirme rapor edilmiştir [23]. Benzer sonuçlar [24] tarafından rapor edilmiştir (118 kalça protezi 8 yıl takip edilmiş ve %98 lik bir başarı elde edilmiştir). Bu çalışmalarda, implant üzerinde kemik iç büyümesinin arttığı sonucuna varılmıştır. Kaplamadan iyi bir sonuç almak için, kaplama kalınlığı, malzemenin kimyasal kompozisyonu ve metalin yüzey pürüzlülüğü anahtar faktördür [25], [26]. Metal yüzeyine HA kaplama uygulaması; kimyasal bağlanma yolu ile kemik/implant sabitlemesi elde etmek için metalik malzemelerin mekanik özellikleri ile HA nın yüksek biyouygunluğu ve biyoaktifliğini birleştirmektir [27]. Metalik biyomalzemelerin HA ile kaplanmasında, ince bir HA tabakası biyoaktivite sağlar. Metallerin biyoaktivitesini artırmak için yapılan bir çok çalışma, kimyasal ve ısıl işlemle oluşmuş amorf sodyum titanat tabaka kalınlığının yaklaşık 1 µm olduğunu göstermiştir [28-32]. HA kaplamalı metaller iyi sabitleme sağlasa da, HA ile metal arasındaki yapışma dayanımının düşüklüğü, HA tabakasının metal yüzeyinden kaybına neden olabilmektedir. Ayrıca, kaplama sırasında oluşacak yüksek sıcaklık da, gerek kaplama gerekse de kaplanacak malzemede yapısal değişikliklere neden olmaktadır [33]. Kaplamanın in-vivo stabilitesi, direkt olarak kristalinite ile ilgilidir. Kristalinite, kaplamadaki kristal HA yüzdesidir [34]. Başarılı bir kaplama için malzeme ve kaplama yönteminin iyi seçilmesi gereklidir Yapay Beden Sıvısı (YBS) Đçinde Hidroksiapatit (HA) Üretimi Biyouyumlu ortamda (insan vücut sıcaklığı 37ºC ve ph=7.4 şartlarında) kimyasal çöktürme (in situ) metodu kullanılarak YBS içinde HA üretme işlemi, YBS nin hazırlanması, kimyasal işlem, ısıl işlem ve YBS içinde bekletme aşamalarından oluşmaktadır [35]. 45

6 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) YBS nin Hazırlanması Yarı kararlı tampon çözelti olarak bilinen ve iyon konsantrasyonu açısından, insan kan plazmasına eşdeğer kimyasal yapıda olan yapay beden sıvısını [11-12], [28] ve [36-39] çalışmıştır. Taş [11] Kokubo nun hazırlamış olduğu YBS deki; HCO 3 - ve Cl - değerlerinde değişiklik yaparak, kan plazmasındaki iyon konsantrasyonuna daha uygun YBS elde etmiştir. Pasinli ve arkadaşları ise yeni bir yaklaşım ile kan plazmasında bulunan Cl - iyonunu 103 mm değerinde gerçekleştirmiş ve hazırlanan YBS, tüm inorganik iyonlar yönünden de ilk defa kan plazması ile benzer bileşim göstermiştir [46]. CaP kaplama işlemi için hazırlanan YBS çözeltisinde kullanılan kimyasal reçete ve işlem süreci için patent alınmıştır [47]. Tablo 2 de insan kan plazması ve YBS nin iyon konsantrasyonu görülmektedir. Tablo 2. Đnsan plazması ve YBS nin iyon konsantrasyonu [11, 37, 46] Đyon Kokubo (mm) Taş (mm) Lac-SBFx1 (mm) Đnsan Plazması (mm) Na Cl HCO K Mg Ca HPO SO YBS; NaCl (sodyum klorür), NaHCO3 (sodyum hidrokarbonat), KCl (potasyum klorür), Na 2 HPO 4 2H 2 O (disodyumhidrojenfosfat), MgCl 2 6H 2 O (magnezyum klorür), Na 2 SO 4 (sodyum sülfat), (CH 2 OH) 3 CNH 2 (hidroksimetilaminometan), CaCl 2 H 2 O (kalsiyum klorür) ve HCl (hidrojen klorür) kullanılarak hazırlanmıştır. Tablo 3. de [11] verilen kimyasal maddeler, verilen sırada ve birer birer beher içinde 175 ml deiyonize suya katılarak çözülür. Ancak yaklaşık 10 ml hazırlanan 1M HCl çözeltisinin 3.75 ml si 6 no lu madde katılmadan hemen önce çözeltiye eklenir. Aksi halde çözeltide bulanıklık oluşur. Geriye kalan HCl, titrasyon boyunca çözeltiye katılır. 8 no lu madde katıldıktan sonra çözelti sıcaklığı ortam sıcaklığından vücut sıcaklığı olan 37 C ye yükseltilir. Bu sıcaklıkta 1 M HCl ile ph=7.4 değerinde sabit tutulacak şekilde deiyonize su ile son hacim olan 250 ml. ye ulaşıncaya kadar seyreltme yapılarak YBS hazırlanmıştır. Tablo 3. YBS nin kimyasal yapısı [11] No Kimyasal Madde g/l mg/250 ml 1 NaCl NaHCO KCl Na 2 HPO 4 2H 2 O MgCl 2 6 H 2 O CaCl 2 2 H 2 O Na 2 SO (CH 2 OH) 3 CNH Apatit Oluşum Mekanizması [37] Metal yüzeyinde apatit oluşum mekanizmasını şu şekilde açıklamaktadır: Titanyum metali, genellikle pasif bir titanyum oksit tabakası ile kaplı olduğundan dolayı kimyasal açıdan dayanıklıdır. Alkali sulu solüsyon içinde şu şekilde tepkimeye girer: Öncelikle pasif titanyum tabaka, TiO 2 +OH - = HTĐO 3 - tepkimesini verir. Daha sonra Ti+3OH - = Ti(OH) e - Ti(OH) e - = TiO 2.H 2 O +1/2H 2 Ti(OH) OH - = Ti(OH) 4 TiO 2.nH 2 O + OH - = HTiO 3 -.nh 2 O 46

7 Pasinli A. 1, Aksoy R., S. 2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Negatif yüklenen HTiO 3 -.nh 2 O, sodyum iyonlarını yapısı içine alır. Daha sonra yüzeyde apatit çekirdeklenmesini başlatacak, kimyasal ve ısıl işlem süreci devreye girer. Kimyasal ve ısıl işlemlerin, titanyum malzeme yüzeyinde apatit oluşumu ve kemiğe bağlanmasına etkisini, [31], [40] ve [41] farklı çalışmalarla incelemişlerdir Kimyasal Đşlem Metal yüzeyinde apatit oluşum mekanizmasından hareket ederek, Deney numunelerini, saf aseton ve damıtık su ile yıkandıktan sonra 5 M NaOH çözeltisi içinde, 60 C sıcaklıkta 24 saat tutulduğunda, sodyum titanat hidrojelli yapı oluşmaktadır [30], [37]. Bu arada önce yüzeydeki alüminyumun çözünerek çözeltiye geçmesi sonucunda, metal yüzeyinde alkali titanat hidrojeli oluşumu sağlanacaktır. 24 saat süren bu işlemin sonrasında kostik banyosundan alınan numuneler, damıtık su ile yıkanıp, etüvde 40 C sıcaklıkta 24 saat olgunlaşmaya bırakılmıştır. Daha sonra ise ısıl işlem safhasına geçilmiştir Isıl Đşlem Isıl işlem, numunenin sıcaklık kontrollü bir fırında, belirli bir hızda (5 C/min) ısıtılarak, 600 C sıcaklık değerine çıkarılması ve orada 1 saat tutulması ve tekrar oda sıcaklığına soğutulması adımlarından oluşmaktadır. Isıl işlem sonucunda, yüzeyde bulunan sodyum titanat hidrojeli, suyu alınmış ve stabil sodyum titanata (Na 2 Ti 5 O 11 ) ve rutileanatase (TiO 2 ) ye dönüşmüş olacaktır. Oluşan bu yapı, yüzeyde apatit çekirdeklenmesini tetikler [30], [37] Yapay Beden Sıvısı Đçinde Bekletme Kimyasal ve ısıl işlemden geçirilmiş numuneler, YBS içine daldırılarak, belirli aralıklarla çözeltinin bir kısmı taze çözelti ile yenilenmiştir. Böylece, metal yüzeyindeki Na-titanatlı yapıda bulunan Na + iyonlarının, YBS içinde bulunan H 3 O + iyonları ile yer değiştirmesi sonrasında, apatit oluşumu için gerekli olan Ti-OH zemini oluşmuş olur ki metal yüzeyinde oluşan Ti-OH grupları, bir kalsiyum titanat oluşturmak sureti ile indirek olarak apatit çekirdeklenmesini başlatırlar. YBS içinde bulunan Ca 2+ iyonları ile PO 4 3- iyonlarının yüzeye bağlanabileceği aktif merkezlerin ortaya çıkması ile Şekil 6. da görüldüğü gibi apatit oluşumu sağlanmıştır [42]. Yüzeyde oluşan apatit, YBS içindeki kalsiyum ve fosfat iyonlarını tükettiği için, belirli aralıklarla çözeltinin bir kısmı taze çözelti ile yenilenmiştir. a) Kimyasal işlem b) Isıl işlem c) YBS içinde bekletme Şekil 6. HA Kaplama işlemi aşamaları ve apatit oluşumu [30] ve [37] den adapte edilmiştir [35] Kalsiyum titanatın oluşma mekanizması; negatif yüklü Ti-OH grupları ile pozitif yüklü Ca iyonlarının, elektrostatik etkileşimi ile açıklanmaktadır. [43] e göre de Ti-OH gruplarından dolayı titanyum üzerinde Ca-P oluşması varsayılmaktadır ki bu, implantın kemik ile bağlanmasına (osseointegration) yol açmaktadır. [37] ve [44] 1YBS lik çözeltide apatitin çekirdeklenmeye başladığını, 1.5YBS de ise geliştiğini ve yüzeyde oluşan HA kalınlığının da arttığını rapor etmişlerdir. Yüksek konsantrasyonlu 5YBS lik solüsyon içinde 24 saatten daha az sürede, metal yüzeyinde Ca-P kaplamanın mümkün olduğunu rapor etmişlerdir [45]. Bu çalışmalar sonrasında metal yüzeyinde elde edilen ve bakalit içine alınan HA kaplanmış numuneye ait optik mikroskoptan alınan kesit mikroyapısı şekil 7 de verilmektedir. 47

8 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) HA Ti6Al4V Şekil 7. Ti6Al4V Đmplant Yüzeyine HA Kaplama [35] Metal yüzeyine kaplanmış HA nın XRD analizi ise Şekil 8 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi tipik Titanyum kristalleri, (hkl-kafes parametreleri) (011) piki, (010) piki ve (002) pik noktalarında oluşmuştur. HA ya ait kristaller ise sırası ile (002) piki, (120) piki, (112) piki, (310) 39.82, (113) ve (123) pik noktalarında oluşmuştur. Ti Titanyum Şiddet (cps) Ti o Apatit Ti Ti 2Theta (Derece) Şekil 8. HA Kaplanmış Ti6Al4V Đmplant Malzemeye Ait XRD Grafiği [35] Metal yüzeyine kaplanmış HA nın SEM deki görüntüsü Şekil 9 da verilmiştir. Şekilde görüldüğü metal yüzeyinde oluşan HA tanecikleri küresel ve gözenekli bir yapıya sahiptir. Şekil 9. Ti6Al4V Đmplant Malzeme Yüzeyine Kaplanmış HA ya Ait SEM [35, 46] 48

9 Pasinli A. 1, Aksoy R., S. 2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) SONUÇLAR Đnsan vücudundaki organ ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan metal, seramik, polimer ve bunların kompozitlerinden oluşan biyomalzemeler, tıp ve diş hekimliğinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemelerde en önemli özellik biyouyumluluk olup, kendisini çevreleyen dokularda istenmeyen tepkiler oluşturmadan işlevlerini yerine getirmeleridir. Biyolojik sistemlerle uyumlu çalışabilecek yeni malzemelerin geliştirilmesi için araştırmalar devam etmekte ve gün geçtikçe önemi ve uygulama alanı artan biyouyumlu malzemeler, vücudun kendini yenileme kapasitesini kullanacak veya artıracak yönde gelişmektir. Metalik biyomalzemelerin [26] HA ile kaplanması, doğal dokuların yeniden yapılanmasını sağlar ve vücut içinde kullanılan protezlerin kullanım süresinin artırılmasında katkı sağlamaktadır. [31] ve [32] kimyasal ve ısıl işlem sonrası yüzeyi apatit kaplanmış titanyum implantların, kemiğe bağlanmalarının iyi ve yük taşıyan implantlarda faydalı olduğunu rapor etmişlerdir. Sonuç olarak; biyomimetik metot ile metal yüzeyinin HA kaplanması, plazma ve diğer metotlarla karşılaştırıldığında fiyat ve kolay üretiminden dolayı, ince ve dirençli biyoaktif tabakanın, gözenekli yapılar ve vidalarda dahil olmak üzere implantın yüzey morfolojisini değiştirmemesinden dolayı, bütün implantlara uygulanabileceğini söyleyebiliriz. 4. KAYNAKLAR 1.Gümüşderelioğlu, M., Biyomalzemeler, Bilim ve Teknik Dergisi, TÜBĐTAK, Temmuz özel sayısı, Pasinli, A., Biyomedikal Uygulamalarda Kullanılan Biyomalzemeler, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, (4) 25-34, Wintermantel, E., Mayer, J., Blum, J., Eckert, K.L., Lüscher, P. and Mathey, M., Tissue engineering scaffolds using superstructures, Biomaterials, 17, 83-91, Billotte, W.G., Ceramic Biomaterials, The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition. CRC Press LLC, Tirrell, M., Kokkoli, E., The role of surface science in bioengineer materials, California, Bajpai, P.K., Ceramic Amino Acid Composites for Repairing Traumatized Hard Tissues. In: Handbook of Bioactive Ceramics, vol.ii: Ca-P and HA Ceramics. Yamamuro, T., Hench, L.L., and Wilson-Hench, J., Eds. p , CRC Pres, Bato Raton, FL, Yetkin, H., Ortopedi ve Travmatolojide Biomateryaller. 8th Biomedical Science and Technology Symposium (BĐOMED8), IL02, METU Ankara/TURKEY, September 5-8, Bajpai, P.K., Fuchs, C.M., Development of a hydroxyapatite bone grout. In: proceedings of the firet annual scientific session of the academy of surgical research. San Antonio, Texas, Hall, C.W. Ed. p , Pergamon Pres, New York, NY, Capello, W.N., D'Antonio, J.A., Finberg, J.R., Manley, M.T., HA-coated total hip femoral components in patients less than fifty years old., Jour. of Bone Joint Surg., 79A, , Hayek, E., and Newesly, H., Pentacalciummonohydroxyorthoph., Inorg. Synth., 7, 63, Taş A.C., Synthesis of Biomimetic Ca-Hydroxyapatite Powders at 37ºC in Synyhetic Body Fluids, Biomaterials, 21, , Taş, A.C., in situ Coating of Calcium Hydroxyapatite on Titanium or Stainless Steel Surfaces at 37 C in Synthetic Body Fluids, 4. Seramik Kongresi, Tebligler Kitabi, Cilt 2, pp , Eylül 1998, Eskisehir. 49

10 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Oktar, F.N., Göller, G.,Heybeli, N., Varol, R., Đnsan dişi kullanılarak gözenekli biyoseramik üretimi, Deneysel Araştırma, Vol. 13, No. 2, , Weng, W., and Baptista, J.L., A New Synthesis of Hydroxyapatite, Jour. of the European Ceramic Society, 17, , Taş A.C., Molten Salt Synthesis of Calcium Hydroxyapatite Whiskers. Jour. of Amer. Ceram. Soc., 84, 2, , Piattelli, A., Trisi, P., Passi, P., Piattelli, M., and Cordioli G.P., Histochemical and confocal laser scanning microscopy study of the bone-titanium interface: an experimental study in rabbits. Biomaterials, 15, 3, , Wise, D.L., Biomaterials and Bioengineering Handbook, Camridge Scientific, inc. Belmont, Massachusetts, Jordan, D.R., Mawn, L.A., Brownstein, S., McEachren, T.M., Gilberg, S.M., Hill, V., Grahovac, S.Z., Adenis, J.P., The bioceramic orbital implant: a new generation of porous implants, Ophthal. Plast. Reconstr. Surg.,16, 5, , Sanden, B., Olerud, C., Petren-Mallmin, M., Larsson, S., Hydroxtapatite coating improves fixation of pedicle screws. The jour. of bone & joint surgery (Br), vol. 84-B: , Willert, H.G., Bertram, H., Buchhorn,G.H., Osteolysis in alloarthroplasty of the hip: the role of bone cement fragmentation. Clin. Orthop. ; 258, , Capello, W.N., D Antonio, J.A., Manley, M.T., Feinberg, J.R., Hydroxyapatite in total hip arthroplasty: clinical results and critical issues. Clin. Orthop.; 355: , Geesink, R., Hoefnagels, N., Eight years results of HA coated primary total hip replacement. Acta. Orthop. Belg.; 63: 72-75, Hamadouche, M., Sedel, L., Ceramics in orthopaedics, Reviwe article. The jour. of bone & joint surgery (Br), vol. 82-B: , Pasinli, A., Yıldız, H., Çelik, E., Aksoy, R.S., 2008, Mechanical Properties of Calcium-Phosphate Coatings on Ti6Al4V Implant Materials by Biomimetic Method, Electronic Journal of Machine Tecnologies, (4) 1-10, Ward, L.P., Strafford, K.N., Wilks, T.P., and Subramanian, C., The role of refractory element based coating on the tribological and biological behaviour of orthopaedic implants. Jour. of Materials Processing Technology, 56, , Li, P., Kangasniemi, I., de Groot, K., Kokubo, T., Bonlike HA induction by a Gel-Derived Titania on a Titanium substrate. journal of American Cer. Soc., 77, 5, , Kitsugi, T., Nakamura, T., Oka, M., Yan, W.Q., Goto, T., Shibuya, T., Kokubo, T., and Miyaji, S., Bone bonding behavior of titanium and its alloys when coated with TiO 2 (Ti oxide) and Ti 5 Si 3 (Ti silicate). J. of Biomedical Mater. Res., Vol. 32, , Kim, H.M., Miyaji, F., Kokubo, T. and Nakamura, T., Preparation of bioactive Ti and its alloys via simple chem. surface treat. J. of Biomedical Mater. Res., Vol. 32, , Kim, H.M., Miyaji, F., Kokubo, T. and Nakamura, T., Bonding strength of bonelike apatite layer to Ti metal substrate. J. of Biomed. Mater. Res., Vol. 38, ,

11 Pasinli A. 1, Aksoy R., S. 2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Yan, W.Q., Nakamura, T., Kawanabe, K., Nishiguchi, S., Oka, M., Kokubo, T., Apatite layer coated Ti for use as bone bonding implants, Biomaterials, 18, , Weng, W., and Baptista, J.L., Preparation and character. of HA coatings on Ti6Al4V alloy by a Sol-Gel Method, J. of American Cer. Soc., 82, 1, 27-32, Tong, W., Chen, J., and Zhang, X., Amorphization and Crystallization During Plasma Spraying of HA, Biomaterials, 16, 11, , Pasinli, A. Ph.D. Thesis, Celal Bayar Univ., Manisa, June (2004) Neuman W, Neuman M., The chemical dynamics of bone mineral. Chicago: University of Chicago Press, p. 34, Kokubo, T., Apatite formation on surfaces o f ceramics, metals and polymers in body environment. Acta materials, vol. 146 no: 7, pp, , Kokubo, T., Surface chemistry of bioactive glass ceramics. J. of Non-Cryst Solids, 51, , Ohtsuki, C., Kokubo, T., Yamamuro, T., Mechanism of HA formation of CaO-SiO 2 -P 2 O 5 glasses in simulated body fluid. J. of Non-Cryst Solids,143, 84-92, Nishio, K., Neo, M., Akiyama, H., Nishiguchi, S., Kim, H.M., Kokubo, T., Nakamura, T., The effect of alkali and heat treated Ti and apatite formed Ti on osteoblastic differentiation of bone marrow cells. J. of Biomedical Mater. Res., 52, , Fujibayashi, S., Nakamura, T., Nishiguchi, S., Tamura, S., Uchida, M., Kim, H.M., Kokubo, T., Bioactive Ti: Effect of Na removal on the bone bonding ability of bioactive Ti prepared by alkali and heat treatment. J. of Biomedical Mater. Res., 56: , Takadama, H., Kim, H.M., Kokubo, T., Nakamura, T., An X ray photoelectron spectroscopy study of the process of apatite formation on bioactive titanium metal. J. of Biomedical Mater. Res., 55: , Tengvall, P., and Lundstrom, I., Physico-chemical considerations of titanium as biomaterials, Clinic. Mater., 9, , Tanahasi, M., Yao, T., Kokubo, T., Minoda, M., Miyamoto, T., Nakamura T., and Yamamuro, T., Apatite coatig on organic polymers by a biomimetic process. J. of American Cer. Soc. 77, 11, , Barrere, F., van Blitterswijk, C.A., de Groot, K., Layrolle, P., Influence of ionic strength and carbonate on the Ca P coating formation from SBFx5 solution, Biomaterials, 23, , Pasinli, A., Yuksel, M., Celik, E., Sener, S., Tas, C.A., 2010, A new approach in biomimetic synthesis of calcium phosphate coatings using lactic acid-na lactate buffered body fluid solution Acta Biomaterialia 6, , Pasinli, A., Yuksel, M., Havitcioglu, H., Tas, A. C., Aksoy, R. S., Celik, E., Yildiz, H., Toparli, M., Canatan, A., Sener, S., 2009, Calcium Phosphate Coating of Ti6Al4V by a Na-lactate and Lactic Acid-buffered Body Fluid Solution PCT Patent; Appl. No: WO 2009/ A2,