KEMİK KÜLÜ KATKILI BİOSERAMİK TOZ ÜRETİMİ

Transkript

1 KEMİK KÜLÜ KATKILI BİOSERAMİK TOZ ÜRETİMİ Atilla EVCİN*, Taner KAVAS*,Ali KARTAL* and Sümeray KOYAŞ* *Afyon Kocatepe University, Faculty of Engineering, Department of Ceramic Engineering, 03200, Afyon, Turkey, evcin@aku.edu.tr, tkavas@aku.edu.tr, akartal@aku.edu.tr, skoyas@aku.edu.tr ABSTRACT The matrix of human cortical and trabecular bones consist of two phases. These two phases which are calcium hydroxyapatite [HA: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] and tri-calcium phosphate [TCP:Ca 3 (PO 4 ) 2 ] are the significant parts of inorganic parts of bone tissues of the live organisms. The major phase of natural calcium hydroxyapatite forms a porous structure in the cortical bones, with a total porosity not less than 50 %. On the other hant, trabecular bones are comprised of a porous lattice with porosities in exess of 75 %. The pore spaces, varying in size range of 100 to 500 µm in human bones are basically filled with natural collagen The obtained powders produced from this ages solutions in which % (W) ash in bone have been added were sintered at 1200 ºC and thus the bioceramic powders were produced. The produce of powders has scanning electron microscope (SEM) and X-Ray diffraction (XRD) analysis Keywords: Bioceramic, hydroxyapatite, bone ash, powder. 1. GİRİŞ Tüm omurgalı canlılar iskelet dokuları ve dişlerin oluşturulması için vücutta kalsiyum ve fosfat biriktirilmesi ve kullanımına yarayan fizyolojik mekanizmalarla donatılmıştır. Kemiklerdeki canlı hücrelerin başlıca işlevi, iskelet içinde kemik dokularının gelişmesi ve rehabilitasyonu için gereken minerallerin düzenli ve yeterli bir biçimde biouyumlu olmasını kontrol etmek ve kemik dokularına bunları sağlamaktır. Kemik matrisi, inorganik, organik ve su şeklinde üç ana bileşenden oluşur. İnorganik faz hemen tümüyle, günümüzde sentetik olarak da üretilebilen kalsiyum hidroksiapatit [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] olup kemik ağırlığının % 70 ini ve hacimce % 50 sini hidroksiapatit oluşturmaktadır [1,4].

2 HA bioaktif olarak bilinir ve HA implantleriyle ara yüzeysel bağlı olan dokularda zaten vardır. TCP bioseramikleri, diğer taraftan bioçözünebilirdirler ve kemik dokuları TCP implantlarda azar azar yerini alır. Kollojen, kemiklerin ana organik fazıdır. Kemiklerde bulunan diğer bioseramik (inorganik) fazlar şu şekilde sıralanabilir ; Trikalsiyumfosfat [ TCP : Ca 3 (PO 4 ) 2 ], dikalsiyumfosfat, oktakalsiyumfosfat ve amorf kalsiyum fosfattır. Kemiklerin bioseramik matriks fazı iskeletin mekanik ve yapısal özelliklerini düzenler ve canlı hücre ve yumuşak dokuları için gözenekli kafesi sağlar [5,6]. Kemik doku ve sentetik kemik uygulamalarında düşünülen ideal malzeme ve/veya malzemeler şu özelliklere sahip olmalıdır. - Biouyumluluk - Canlı organizma içinde olumsuz tepkimelere yol açmamak - Mekanik sağlamlılık ve yeterlilik - Cerrahi müdahale ortamında kullanım kolaylığı - Kolayca sterilize olabilme yeteneğine sahip olması - Diamagnetik olması [5] Kalsiyum fosfat bazlı sentetik seramik dişlerin ve kemiklerin inorganik matriks fazlarına olan kimyasal ve elementel benzerlikten dolayı ideal implant malzemeler olarak düşünülmüştür. Bütün kalsiyum fosfat fazları arasında özellikle HA ve TCP, yukarıdaki kriterler altında ideale en yakın sentetik sert doku malzemesi olarak tanınmıştır. Bioseramiklerin medikal uygulamaları kalçalar, dizler, dişler, tendonlar ve ligamentler için yerine geçecek yedekler içerir ve periodental hastalıkların tedavisinde taşıyıcıdır, mixillofacial reconctraction, augmentation, çene kemiklerinin stabilizasyonu, spinal füzyon ve tümör ameliyatlarından sonra kemik dolgu olarak kullanım yerleri vardır. Bioseramik implantlar bu iki fazın (HA ve TCP ) uniform ve ihtiyaca tam cevap veren karışımlardan yapılabilir. Bioçözünebilirlik boyunca TCP, uygun Ca ve P iyonlarıyla kemiklerin üretimi ve en iyi çözünme zamanında meydana gelebilir. Hidroksiapatit kemiğin inorganik bileşeni olduğu için yaş seramik kaplama formlarında, medikal uygulamalarda geniş ölçüde kullanılmıştır. Ayrıca, HA birincil alkollerin dehidrojenasyonu ve dehidrasyonu için katalizör olarak kullanılmıştır. HA birçok apatit yapılı malzemeler arasında en popüler olanıdır [5]. Hidroksiapatit (HA), β trikalsiyumposfat (β-tcp) ve onların kompozitleri mükemmel biouyumlulukları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır [7,8]. Bunların kimyasal bileşimi, kemikle temasında mükemmel bir uyuma yol açarak kemik mineralinkine benzerdir [9,10]. Sinterlenmiş hidroksiapatit ve kemik minerali arasındaki ana fark, yüksek kristalinite ve karbonatın olmayışıdır [11].

3 2. DENEYSEL ÇALIŞMA 2.1. Deney Programı Deneysel çalışmanın birinci aşamasında Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O ve (NH 4 ) 2 HPO 4 çözeltileri ayrı ayrı kaplarda hazırlanmıştır. Üç farklı kapta hazırlanan (NH 4 ) 2 HPO 4 çözeltisi, Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O çözeltisi üzerine yavaş yavaş katılmak suretiyle ve sürekli karıştırma işlemi yapılmıştır. Her kaba sırasıyla % kemik külü katılarak NH 3 çözeltisiyle ph ayarlama işlemi [ph=9] yapılmıştır. Karıştırma sonucunda 65 ºC de 2 saat süreyle ısıtılıp,oda sıcaklığında 1 gün bekletilmiştir. İkinci aşamada kurutulan tozlar, 1200 ºC de 6 saat sinterlenerek SEM (Elektron Mikroskop) ve XRD (X-Ray Difraksiyon) analizleri yapılarak sonuçlar incelenmiştir Deneyde Kullanılan Malzemeler Kalsiyum Nitrat Bu çalışmada teknik kalsiyum nitrat kullanılmıştır.kalsiyum nitratın bazı teknik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Kalsiyumnitrat ın Teknik Özellikleri Açık formül Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O Formül ağırılığı 236,15 ph (%5, 20 ºC) 4-7 Demir (Fe 3+ ) % 0,001 Ağır metaller (Pb 2+ ) % 0,002 Klorür (Cl - ) %0,005 Sülfat (SO 2-4 ) % 0, Kemik Külü Kemik unu kemik üretiminin yan ürünü olduğundan yağ ve jelatinden arındırılmış 1-2 mm büyüklüğünde öğütülmüş şekildedir. Bu çalışmada Afyon da bulunan BOZOK et ve et ürünleri sanayi tarafından sağlanan kemik unu kullanılmıştır. Kemik ununun kimyasal analizi Tablo 2 de verilmiştir. Kemik unu daha sonra 900 ºC de 4 saat kalsine edilerek kemik külü haline getirilmiştir.

4 Tablo 2. Kemik ununun kimyasal analizi Bileşim % Ham kül 51,92 Nem 8,64 Ham Protein 32,39 Kalsiyum 18,66 Fosfor 8,55 Ham Selüloz 3,95 Ham Yağ 6, Di-Amonyum Hidrojen Fosfat Bu çalışmada MERCK firmasının, molekül ağırlığı 132,05 gr/mol olan ve (NH 4 ) 2 HPO 4 kimyasal formülüne sahip di-amonyum hidrojen fosfat kullanılmıştır Amonyak Bu çalışmada AK Kimya A.Ş. den temin edilen % 25 lik teknik amonyak kullanılmıştır Bioseramik Tozların Üretimi Diamonyum Hidrojen Fosfat (NH 4 ) 2 HPO 4 belirli miktarda saf suda çözülür. Saf suda çözülerek hazırlanan Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O bu iki madde karıştırma işlemine tabi tutulur. Ağırlıkça % oranlarında kemik külü bu karışımlara ilave edilerek üç ayrı beherde hazırlanır. NH 3 eklenerek ph ayarlama işlemi gerçekleştirilir. ph=9 a ayarlanır ve karıştırma işlemine devam edilir. Üç farklı oranda hazırlanan bu karışımlar 65 ºC de iki saat ısıtılarak daha sonra bir süre ile oda sıcaklığında soğutma işlemine bırakılır. Ardından 1200 º C de 6 saat süre ile sinterleme işlemine tabi tutularak numuneler tablet halinde basılmış, SEM (Taramalı Elektron Mikroskop) ve XRD (X-Ray Difraksiyon) analizlerine tabi tutularak sonuçlar incelenmiştir. Deney akım şeması Şekil 1 de verilmiştir.

5 Ca(NO 3 )4H 2 O (NH 4 ) 2 HPO 4 % Kemik Külü Saf Su Karıştırma Karıştırma Saf Su Karıştırma NH 3 Karıştırma (ph=9) 65ºC Isıtma 2 Saat Soğutma 1 Gün Bekletme Kurutma Sinterleme 1200 ºC 6 Saat Karakterizasyon X-RAY Difraksiyon Elektron Mikroskop Şekil 1. Bioseramik toz üretimi genel akım şeması 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 3.1. XRD Sonuçları Üretilen tozların faz analizi, Afyon Kocatepe Üniversitesi TUAM da bulunan Lab X XRD-6000 SHIMADZO markalı XRD cihazı ile yapılmıştır. Sırasıyla % 10, 20 ve 30 kemik külü katkılı tozların XRD sonuçları Şekil 2 de verilmiştir. Şekilden katkısız toz üretiminde α-tcp, β-tcp ve HA yapıları görülmektedir. % 10 kemik külü katkılı tozların XRD dan α-tcp, β-tcp ve HA yapıları, % 20 kemik külü katkılı olanda ise β-tcp ve HA yapıları görülmektedir. % 30 kemik külü katkılı üretilen tozların XRD paternlerinde sadece HA oluştuğu gözlenmiştir. Katkı miktarının artmasıyla α-tcp, β- TCP yapısından HA yapısına dönüşüm gerçekleşmektedir.

6 Şekil 2. Bioseramik tozların XRD analizleri.

7 3.2. SEM Analizi Üretilen tozların görüntü analizi, Afyon Kocatepe Üniversitesi TUAM da bulunan SEM cihazı ile yapılmıştır. Sırasıyla % 10, 20 ve 30 katkılı tozların SEM fotoğrafları Şekil 3 de verilmiştir. SEM fotoğraflarından bioseramik toz tane boyutunun katkı miktarının artmasıyla azaldığı görülmektedir. Katkısız % 10 Katkılı % 20 Katkılı % 30 Katkılı Şekil 3. Üretilen bioseramik tozların SEM fotoğrfaları

8 4. SONUÇLAR Çekirdeklendirici olarak bu çalışmada bioseramik toz üretiminde üç farklı oranda katılan kemik külünün üretilen tozların özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Hidroksiapatit üretimi için,üç farklı oranda çekirdeklendirici kemik unu katılarak, hazırlanan tozlar 1250 Cº de 6 saat sinterlenmiş ve X-ışınları difraksiyonu ve SEM (Elektron Mikroskop) ile analizleri yapılmıştır. XRD sonuçlarından katkı miktarının artmasıyla pik boylarının kıyaslanması sonucu oluşan hidroksiapatitin miktarının arttığı görülmektedir. REFERENCES 1. Janikowski T. ve McGee T. D., "Artificial Teeth for Permanent Implantotion". Proc. Lowa Acad Sci, 76, , LeGeros R Z, Trautz O R, LeGeros J P, Klein E and Shirra W P, Science , McConnell D, Am. Mineral , Sınha A., Ingle A., Munım K.R., Vaıdya S.N., Sharma B.P. and Bhısey A.N., Development of calcium phosphate based bioceramics, Bull. Mater. Sci., Vol. 24, No. 6, pp , December Engin N.Ö., Makro Gözenekli Kalsiyum Hidroksiapatit (HA) ve Trikalsiyum Fosfat (TCP) Bioseramiklerin Üretilmesi,ODTÜ, Ankara, Şubat Kıvrak N., Taş C., Synthesis of Calcium Hydroxyapatite-Tricalcium phosphate (HA- TCP) Composite Bioceramic Powder and Their Sintering Behaviour, American Ceramic Society, J. Of American Ceramic Society, 81, 9, Sep Ritter S K, Chem. & Engg. News Aug. 25, p. 27, Suchanek W and Yoshimura M, J. Mater. Res , Le Geros RZ. Biological and synthetic apatites. In: Brown PW, Constantz B, editors. Hydroxyapatite and related materials. Boca Raton: CRC Pres, p , Weiner S, Wagner HD., The material bone: structure-mechanical function relations. Annu Rev Mater Sci, 28, pp , Peters F, Schwarz K, Epple M. The structure of bone studied with synchrotron X- ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy and thermal analysis. Thermochim Acta, pp , 2000

9 INTERNATIONAL POWDER METALLURGY CONFERENCE PRESENTING AUTHOR INFORMATION SHEET* Title : Yrd. Doç. Dr. Name and Surname : Atilla EVCİN Affiliation : Address : Afyon Kocatepe Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Afyon evcin@aku.edu.tr A short curriculum vitae of presenting author. Lisans 1989 Anadolu Üniversitesi Mühendisli Mimarlık Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans Doktora 1996 A.K.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya EABD 2003 Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya EABD Seramik Mühendisliği Bölüm Başkan Yardımcılığı ve Kimya Mühendisliği Bölüm Başkanlığını yürütmektedir. Signature Date Note: Overhead projectors, slide projectors and data show devices will be available for presentation. It is strongly recommended to use transparencies, slides and above facilities instead of reading the text directly from the paper during presentation.... *Please send this form together with the other documents within the same envelope.