Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ HİDROKSİAPATİT NANOPARÇACIKLARININ SENTEZİ Burcu CENGİZ Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı ANKARA 2007 Her hakkı saklıdır

2 Doç. Dr. Nuray YILDIZ danışmanlığında, Burcu CENGİZ tarafından hazırlanan HİDROKSİAPATİT NANOPARÇACIKLARININ SENTEZİ adlı tez çalışması 26/09/2007 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oybirliği ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü KİMYA MÜHENDİSLİĞİ Anabilim Dalı nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Başkan : Prof. Dr. Hayrettin YÜCEL ODTÜ, Kimya Mühendisliği Üye : Prof. Dr. Zeki AKTAŞ Ankara Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Üye : Doç. Dr. Nuray YILDIZ Ankara Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof Dr. Ülkü MEHMETOĞLU Enstitü Müdürü

3 ÖZET Yüksek Lisans Tezi HİDROKSİAPATİT NANOPARÇACIKLARININ SENTEZİ Burcu CENGİZ Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Nuray YILDIZ Doğal kemik inorganik ve organik yapılar içeren kompozittir. Nano yapıda hidoksiapatit (HA, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) ve kollojen fiberlerden oluşmuştur. İnorganik/organik nanokompozit sentezi, yüksek biyoaktiflik ve mükemmel bağ yapma özelikleri için çok önemlidir. Kompozitin inorganik kısmını oluşturan HA, biyoaktif, biyoinert ve kemik iletkenliği özeliklerinden dolayı biyomedikal implant uygulamalarında ve kemik yenilenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada üç farklı yöntemle (yapay vücut sıvısından çöktürme, sol-gel ve ters misel yöntemi) HA sentezlenmiştir. Yapay vücut sıvısı olarak süreli yayınlarda kullanılan SBF (Simulated Body Fluid) çözeltisinin yanı sıra daha önce HA sentezi için kullanılmamış olan CaPTris (Calcium Phospor Tris) çözeltisi de incelenmiştir. Bu yöntemler uygulanırken farklı reaktif kullanımı, ses ötesi dalgaların uygulama süresi, sinterleme sıcaklığı gibi parametreler incelenmiş, elde edilen bulgular süreli yayınlarla karşılaştırılmıştır. Sentezlenen HA örneklerinin kristal çapları Sherrer eşitliği ile hesaplanmış ve nm aralığında olduğu belirlenmiştir. CaPTris ten çöktürülerek ve sol-gel yöntemleri ile sentezlenen HA kristallerinde izotropluk, SBF ve ters misel yöntemleri ile sentezlenen örneklerde ise anizotropluk olduğu d(002)/d(300) oranı hesaplanarak saptanmıştır. Sentezlenen örneklere ses ötesi dalgalar uygulandığında SBF ve CaPTris ten çöktürülerek sentezlenen HA da taneciklerin 15 dk ya kadar küçüldüğü daha sonra ise arttığı belirlenmiştir. Sol-gel yöntemiyle sentezlenen örneklerde farklı sinterleme sıcaklıklarında tanecik büyüklüklerindeki değişimlerin her koşul için farklı olduğu saptanmıştır. Ters misel yönteminde ses ötesi dalgaların tanecik büyüklüğünü küçültmek ve aglomerasyonu önlemek için yeterli olmadığı belirlenmiştir. SBF ve CaPTris ten çöktürülerek sentezlenen örneklerin tanecik büyüklüklerinin % 99 unun sırasıyla 620 ve 400 nm nin altında olduğu belirlenmiştir. Sol-gel yönteminde ise en küçük tanecikler 900 o C ta sinterlenen örnekte elde edilmiştir. Taneciklerin % 100 ünün 290 nm nin altında olduğu saptanmıştır. 2007, 68 sayfa Anahtar Kelimeler: Hidroksiapatit, nano tanecik, yapay vücut sıvısı, sol-gel, ters misel i

4 ABSTRACT Master Thesis SYNTHESIS OF NANOSIZED HYDROXYAPATITE Burcu CENGİZ Ankara University Graduate School of Natural and applied Sciences Departmant of Chemical Engineering Supervisor: Assoc.Prof.Dr. Nuray YILDIZ Natural bone is actually an inorganic/organic composite mainly made up of nanostructure hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2, HA) and collagen fibers. It is of most importance to synthesize nano-composites of inorganic/organic in order to have good biocompatibility, high bioactivity and great bonding properties. Hydroxyapatite, a major inorganic component of bone, has been used extensively for biomedical implant applications and bone regeneration due to its bioactive, biodegradable and osteoconductive properties. In this work, HA nanoparticles were synthesized using three different methods (precipitation from simulated body fluid, sol-gel and reverse microemulsion methods). CaPTris solution was also used as simulated body fluid together with SBF solution used before in literature. The effect of reactants, ultrasonication time and sintering temperature on particle size were carried out and results were compared with literature findings. Crystallite sizes of synthesized HA samples calculated with well known Sherrer equation were between nm. Isotropy for HA samples synthesized with precipitation from CaPTris and sol-gel methods and anisotropy for HA samples synthesized with precipitation from SBF and reverse microemulsion methods were determined by calculating d(002)/d(300) ratio. The particle size of HA synthesized by precipitation from SBF and CaPTris solutions decreased up to 15 min after that it increased again by increasing ultrasonication time. It was found that the particle size of HA synthesized by sol-gel method changed irregularly depending on sintering temperature at different conditions. Ultrasonication was not effective to decrease particle size and to prevent agglomeration in the reverse microemulsion method. Particle size distributions showed that 99 % of the particles synthesized by precipitation from SBF and CaPTris solutions are under 620 and 400 nm, respectively. With sol-gel method the finest particles were obtained at 900 o C sinterring temperature and 100 % of the particles were under 290 nm. 2007, 68 pages Keywords: Hydroxyapatite, nano particle, simulated body fluid, sol-gel, riverse micelle ii

5 TEŞEKKÜR Yüksek lisans çalışmam süresince çalışmalarımda bana yol gösteren ve yönlendiren danışmam hocam Sayın Doç. Dr. Nuray YILDIZ a, yürüttüğümüz projede her zaman fikir ve önerilerini benimle paylaşan hocalarım Prof. Dr. Ayla ÇALIMLI ve Prof. Dr. Zeki AKTAŞ a, çalışmamın her aşamasında bilgilerini benimle paylaşan hiç bir yardımını esirgemeyen sevgili çalışma arkadaşım Araş. Gör. Yavuz GÖKÇE ye, FTIR analizlerini yapmam için laboratuarlarını kullanmama izin veren Yrd. Doç. Dr. Emir H. ŞİMŞEK e, SEM analizlerimi yapan Gazi Üniversitesi Malzeme Bilimi Bölümün den Prof. Dr. Süleyman TEKELİ ye, XRD analizlerimde yardımcı olan Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü nden Prof. Dr. Ayhan ELMALI ya, Ercüment YÜZÜAK a, Hacettepe Üniversitesi Fizik Bölümü Öğr. Gör. Filiz ERCAN a, zeta sizer analizlerimi yapmam için laboratuvarlarını kullanmama izin veren Hacettepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü nden Prof. Dr. S. Ali Tuncel ve Araş. Gör. Berna ÇAĞLAYAN a, araştırma grubu arkadaşlarımdan Ceren ATİLA, Erdem YALÇINKAYA ve Mehmet YILMAZ a, tüm hayatım boyunca bana karşı anlayışlı, sabırlı ve hiçbir fedakarlıktan kaçınmayan sevgili aileme tüm içtenliğimle teşekkürü borç biliyorum. Bu çalışma TÜBİTAK tarafından 104M412 numaralı, Nano Boyutta Hidroksiapatit, Kitosan ve Bunların Kompozitinin Sentezi ve Karakterizasyonu konulu proje ile desteklenmiştir. Burcu CENGİZ Ankara, Eylül 2007 iii

6 İÇİNDEKİLER ÖZET...i ABSTRACT...ii TEŞEKKÜR...iii SİMGELER DİZİNİ...vi ŞEKİLLER DİZİNİ...vii ÇİZELGELER DİZİNİ... x 1. GİRİŞ GENEL BİLGİLER Biyomalzemeler Biyouyumluluk Biyoseramikler Kompozit Malzemeler Kompozitin organik kısmı (biyobozunur polimerler) Kompozitin inorganik kısmı KAYNAK ÖZETLERİ MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Yöntem Çöktürme yöntemi ile HA sentezi SBF den çöktürme yöntemi ile HA sentezi CaPTris ten çöktürme yöntemi ile HA sentezi Sol-gel yöntemiyle HA sentezi Ters misel yöntemiyle HA sentezi Analizler Yapıya yönelik analizler Büyüklüğe yönelik analizler Morfolojiye yönelik analizler DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA Çöktürme yöntemi FTIR analizi iv

7 5.1.2 XRD analizi Lazer tekniğiyle tanecik büyüklük analizi Zeta sizer ile tanecik büyüklük analizi SEM analizi Sol-gel Yöntemi FTIR analizi XRD analizi Lazer tekniğiyle tanecik büyüklük analizi Zeta sizer analizi SEM analizi Ters Misel Yöntemi FTIR analizi XRD analizi Lazer tekniğiyle tanecik büyüklük analizi SEM analizi DEĞERLENDİRME ÖNERİLER KAYNAKLAR EK 1 Sherrer Eşitliği ile Kristal Çapı Hesaplanması ÖZGEÇMİŞ v

8 SİMGELER DİZİNİ AOT CaPTris CTAB CTS FTIR HA PEG SBF SEM TX-100 XRD Dioktil sülfosüksinat, sodyum tuzu Kalsiyum Fosfor Tris Çözeltisi Setil trimetil amonyum bromid Kitosan Fourier Dönüşümlü Infrared Spektroskopisi Hidroksiapatit Polietilen Glikol Yapay Vücut Sıvısı Taramalı Elektron Mikroskobu Polioksi etilen (Triton X-100) X Işını Kırınımı vi

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 HA nın şematik olarak gösterimi Şekil 4.1 Işık Saçılmasının şematik gösterimi Şekil 5.1 SBF den çöktürme yönteminde sentez süreci sonunda PEG 2000 eklemeden ve farklı sürelerde bekletilerek elde edilen HA örneklerinin FTIR spektrumları Şekil 5.2 CaPTris ten çöktürme yönteminde sentez süreci sonunda PEG 2000 eklemeden ve farklı sürelerde bekletilerek elde edilen HA örneklerinin FTIR spektrumları Şekil 5.3 Yapay vücut sıvısından (SBF ve CaPTris) çöktürme yönteminde sentez süreci sonunda PEG 2000 eklenerek sentezlenen HA örneklerinin FTIR spektrumları Şekil 5.4 XRD spektrumları a. referans b. SBF den çöktürülerek sentezlenen HA Şekil 5.5 XRD spektrumları a. referans b. CaPTris ten çöktürülerek sentezlenen HA Şekil 5.6 Farklı sürelerde ultrasonik banyoda bekletilmiş HA örneklerinin (SBF den çöktürülerek sentezlenen) boyut dağılım grafikleri Şekil 5.7 Farklı sürelerde ultrasonik banyoda bekletilmiş HA örneklerinin (CaPTris ten çöktürülerek sentezlenen) boyut dağılım grafikleri Şekil 5.8 PEG 2000 eklenerek ve ses ötesi dalgalar verilerek SBF den çöktürülen HA nın boyut dağılım grafiği Şekil 5.9 PEG 2000 eklenerek ve ses ötesi dalgalar verilerek CaPTris ten çöktürülen HA nın boyut dağılım grafiği Şekil 5.10 SBF den çöktürülerek sentezlenmiş ve faklı sürelerde ses ötesi dalgalar verilmiş HA örneklerine ait büyüklük dağılım grafiği Şekil 5.11 CaPTris ten çöktürülerek sentezlenmiş ve faklı sürelerde ses ötesi dalgalar verilmiş HA örneklerine ait büyüklük dağılım grafiği Şekil 5.12 SBF den çöktürülerek elde edilen HA nano taneciklerine ses ötesi dalga uygulama süresinin etkisi Şekil 5.13 CaPTris ten çöktürülerek elde edilen HA nano taneciklerine ses ötesi dalga uygulama süresinin etkisi vii

10 Şekil 5.14 SBF den ve CaPTris ten çöktürülerek sentezlenmiş HA nano taneciklerinin büyüklük dağılım grafikleri Şekil 5.15 a. SBF den b. CaPTris ten çöktürülerek sentezlenmiş HA nano taneciklerinin SEM görüntüleri Şekil 5.16 Referans HA, 4 h bekletme - 80 o C ta kurutma 700 o C ta sinterleme, 4 h bekletme 80 o C ta kurutma 800 o C ta sinterleme, 48 h bekletme 700 o C ta sinterleme, 48 h bekletme 800 o C ta sinterleme, 72 h bekletme 700 o C ta sinterleme, 72 h bekletme 800 o C ta sinterleme ile hazırlanan HA taneciklerinin FTIR spektrumları Şekil 5.17 XRD spektrumları; a. referans b. sol-gel yöntemiyle 4h bekletme 80 o C ta kurutma 700 o C ta sinterleme ile sentezlenmiş c. sol-gel yöntemiyle 4h bekletme 80 o C ta kurutma 900 o C ta sinterleme ile sentezlenmiş HA Şekil 5.18 Farklı sürelerde ultrasonik banyoda bekletilmiş HA örneklerinin (Sol-gel yöntemiyle 48h bekletme ve 700 o C ta sinterleme ile elde edilmiş) boyut dağılım grafikleri Şekil 5.19 Sol-gel yöntemiyle 4 h bekletme ve 600, 700, 800, 900 o C ta sinterlenmiş HA nano taneciklerinin büyüklük dağılımları Şekil 5.20 Sol-gel yöntemiyle 4 h bekletme ve 600, 700, 800, 900 o C ta sinterlenmiş HA nano taneciklerinin büyüklüğüne sıcaklığın etkisi Şekil 5.21 Farklı sıcaklıklarda sinterlenerek elde edilmiş HA örneklerine ses ötesi dalga uygulama süresinin etkisi Şekil 5.22 Sol-gel yöntemiyle 48h bekletme ve 700 o C ta sinterleme ile elde edilmiş HA örneklerinin SEM görüntüleri Şekil 5.23 CTAB ve AOT kullanılarak ters misel yöntemiyle sentezlenmiş HA örneklerinin FTIR spektrumları Şekil 5.24 XRD spektrumları a) referans HA b) ters misel yöntemiyle sentezlenen HA Şekil 5.25 Farklı yüzey aktif maddesi oranlarında (TX-100 : CTAB = 5.44, 5.96, 6.56, 10.6 ve, TX-100 : AOT = 7.7) ters misel yöntemiyle sentezlenmiş HA örneklerinin boyut dağılım grafikleri viii

11 Şekil 5.26 CTAB kullanılarak (TX-100 : CTAB = 5.96 : 1) ters misel yöntemiyle sentezlenmiş HA nın SEM görüntüleri ix

12 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2.1 Biyomedikal ürünlerde kullanılan çeşitli doğal ve sentetik malzemeler...6 Çizelge 2.2 İmplant doku arayüzey ilişkisini etkileyen faktörler...9 Çizelge 2.3 HA nın fizikokimyasal, mekanik ve biyolojik özelikleri Çizelge 3.1 Süreli yayınlarda verilen HA sentezleme yöntemleri, incelenen parametreler ve tanecik büyüklük aralıkları Çizelge 3.2 HA sentezleme yöntemleri ve tanecik büyüklük aralıkları Çizelge 4.1 SBF çözeltisinin bileşimi Çizelge 4.2 CaPTris çözeltisinin bileşimi Çizelge 4.3 Mikroemülsiyon sisteminin bileşimi Çizelge 4.4 Ters misel yönteminde farklı TX-100 / CTAB ve TX-100 / AOT (w/w) oranlarında kullanılan reaktiflerin kütleleri Çizelge 5.1 HA ya ait fonksiyonel grupların dalga sayıları (cm -1 ) Çizelge 5.2 Sentezlenen örneklere ait kafes parametreleri ve kristal çapları Çizelge 5.3 SBF den çöktürülerek sentezlenen HA nano tanecikleri için ortalama tanecik büyüklük değerleri Çizelge 5.4 CaPTris ten çöktürülerek sentezlenen HA nano tanecikleri için ortalama tanecik büyüklük değerleri Çizelge 5.5 Farklı koşullarda sentezlenen HA ya ait fonksiyonel grupların dalga sayıları (cm -1 ) Çizelge 5.6 Sentezlenen örneklere ait kafes parametreleri ve kristal çapları Çizelge 5.7 Farklı sinterleme sıcaklıklarında elde edilen tanecik büyüklükleri Çizelge 5.8 Farklı sinterleme sıcaklığı ve ses ötesi dalga uygulama sürelerinde elde edilen ortalama tanecik büyüklükleri Çizelge 5.9 Farklı koşullarda sentezlenen HA ya ait fonksiyonel grupların dalga sayıları (cm -1 ) Çizelge 5.10 Sentezlenen örneklere ait kafes parametreleri ve kristal çapları x

13 1. GİRİŞ Günümüzde büyük ilerlemelerin kaydedildiği bilim dallarından biri olan biyomalzeme biliminde, biyolojik sistemlerle etkileştiğinde uyum sağlayabilecek yeni malzemelerin geliştirilmesi için yoğun çaba harcanmaktadır. Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemeler olup, sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut akışkanlarıyla (örneğin kan) temas etmektedirler. İnsanlar doğumlarından itibaren çeşitli hastalıklar ve kazalarla karşı karşıya kalmaktadır. Gerek hastalık ve gerekse kazalar insan vücudundaki doku ve organların hasara uğramasına yol açar. Bu nedenle hasarlı doku ve organların yenilenmesi ve değiştirilmesi gerekebilmektedir. Bu alanda kullanılacak olan malzemelerde dikkat edilmesi gereken iki temel nokta vardır; biyolojik fonksiyonları yerine getirebilme ve vücuda uyumluluk. Biyomalzemeler bazen mekanik olarak, bazen de vücuda uyumluluk bakımından doğal doku ve organ özeliklerini karşılayamamaktadır. Yapılan araştırmalar kemik yapısının % 60 oranında hidroksiapatit ve % 20 oranında da kollojen fiber içermekte olduğunu göstermektedir (Murugan 2005). Bu nedenle hidroksiapatit seramikleri biyomalzeme olarak kullanılabilmektedir. Hidroksiapatit vücuda uyumlu ve toksik olmayan özeliktedir. Ancak sahip olduğu mekanik özelikler açısından biyomedikal uygulamalarda yetersiz kalmaktadır. Polimerik malzemelerde özellikle polilaktid son zamanlarda biyomedikal uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır, bu malzemelerde de benzer sorunlar yaşanmaktadır. Polimer ve seramik malzemelerin yeterli olmayan özeliklerinin iyileştirilmesi kompozit sistemlerin geliştirilmesine neden olmuştur. Biyomalzeme olarak biyoseramik/biyopolimer kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu çalışmaları son yıllarda yoğunlaşmıştır (Gümüşderelioğlu 2002). Doğal kemik nano yapıda hidroksiapatit (HA, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) ve kollojen fiberlerden oluşan bir kompozit olduğundan, inorganik/organik nanokompozit sentezi, yüksek biyoaktiflik ve mükemmel bağ yapma özelikleri için çok önemlidir. Kompozitin 1

14 inorganik kısmını oluşturan HA, biyoaktif, biyoinert ve kemik iletkenliği özeliklerinden dolayı biyomedikal implant uygulamalarında ve kemik yenilenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla beraber saf HA kullanımı HA nın kolay kırılmasından dolayı oldukça sınırlıdır. Doğal kemiğin nano boyutta iğne şeklinde HA kristaller ve kollojen fiberlerden oluştuğu bilindiğinden HA i polilaktik asit, kollojen, kitosan, polietilen gibi polimerlerle modifiye etme çalışmaları yoğun olarak sürmektedir. Bu polimerler arasında, biyopolimerler medikal uygulamalardaki mükemmel biyouygunluk ve biyoinertlik özeliklerinden dolayı çok dikkat çekmektedirler. Dünya üzerinde en bol bulunan ikinci doğal biyopolimer olan kitosan (CTS) bir çeşit polisakkarittir ve kitinin deasetillenmesinden elde edilebileceği gibi kabuklulardan da ekstrakte edilebilir (Chen 2002). Bu çalışmada tıp ve eczacılık için önemli bir biyomalzeme olan HA çöktürme, sol-gel ve ters misel yöntemleri ile sentezlenmiştir. Yapay vücut sıvısı olarak süreli yayınlarda bulunan SBF (Simulated Body Fluid) çözeltisinin yanı sıra daha önce HA sentezi için kullanılmamış olan CaPTris (Calcium Phospor Tris) çözeltisi kullanılmıştır. Bu yöntemler uygulanırken farklı reaktif kullanımı, ultrasonikasyon süresi, sinterleme sıcaklığı gibi parametreler incelenmiştir. Elde edilen bulgular süreli yayınlarla karşılaştırılmıştır. 2

15 2. GENEL BİLGİLER 2.1 Biyomalzemeler Bilimsel anlamda yeni bir alan olmasına karşın, uygulama açısından biyomalzeme kullanımı tarihin çok eski zamanlarına kadar uzanmaktadır. Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler bunun en güzel kanıtlarıdır. Altının diş hekimliğinde kullanımı, 2000 yıl öncesine kadar uzanmakta, bronz ve bakır kemik implantlarının kullanımı ise milattan önceye kadar gitmektedir. Bakır iyonunun vücudu zehirleyici etkisine karşın 19. yüzyıl ortalarına kadar daha uygun malzeme bulunamadığından bu implantların kullanımı devam etmiştir. 19. yüzyıl ortasından itibaren yabancı malzemelerin vücut içerisinde kullanımına yönelik ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir. Örneğin 1880'de fildişi protezler vücuda yerleştirilmiştir. İlk metal protez, vitalyum alaşımından 1938'de üretilmiştir. 1960'lara kadar kullanılan bu protezler, metal korozyona uğradığında ciddi tehlikeler yaratmıştır. 1972'de alumina ve zirkonya isimli iki seramik yapı herhangi bir biyolojik olumsuzluk yaratmaksızın kullanılmaya başlanmış, ancak inert yapıdaki bu seramikler dokuya bağlanamadıklarından çok çabuk zayıflamışlardır. Aynı yıllarda Hench tarafından geliştirilen biyoaktif seramikler (örneğin biyocam ve hidroksiapatit) ile bu problem çözülmüştür. İlk başarılı sentetik implantlar, iskeletteki kırıkların tedavisinde kullanılan kemik plakalarıydı. Bunu 1950'lerde kan damarlarının değişimi ve yapay kalp vanalarının geliştirilmesi, 1960'larda da kalça protezleri izledi. Kalp ile ilgili cihazlarda esnek yapılı sentetik bir polimer olan poliüretan kullanılırken, kalça protezlerinde paslanmaz çelik öne geçti. Bunun yanısıra, ilk olarak 1937'de diş hekimliğinde kullanılmaya başlanan poli(metilmetakrilat) (diş akriliği olarak da bilinir) ve yüksek molekül ağırlıklı polietilen de kalça protezi olarak kullanıldı. II. Dünya Savaşından sonra, paraşüt bezi (Vinyon N adıyla bilinen poliamid) damar protezlerinde kullanıldı. 1970'lerde ilk sentetik, bozunur yapıdaki ameliyat ipliği, poli(glikolik asit)'ten üretildi. Kısacası, son 30 yılda 40'ı aşkın metal, seramik ve polimer, vücudun 40'tan fazla değişik parçasının onarımı ve yenilenmesi için kullanıldı. Biyomalzemeler, yalnızca implant olarak değil, 3

16 vücut dışına yerleştirilen ama vücutla etkileşim halindeki cihazlarda, çeşitli eczacılık ürünlerinde ve teşhis kitlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde, yüzlerce firma tarafından çok sayıda biyomalzeme üretilmektedir. Ancak, halen biyomalzemeden kaynaklanan aşılamamış sorunlar da vardır. Bunların çözümünde doku mühendisliği ve gen tedavisi alternatif yaklaşımlar sunmaktadırlar. Özellikle nanoteknoloji, bilişim teknolojileri ve fabrikasyon yöntemlerindeki gelişmelere paralel olarak daha mükemmel biyomalzemelerin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Biyomalzemeler temel olarak tıbbi uygulamalarda kullanılmalarına karşın, biyoteknolojik alandaki kullanımları da göz ardı edilmemelidir. Bunlar arasında hücre teknolojisinde hücre ve hücresel ürün üretiminde destek malzeme olarak, atık su arıtımında adsorban (yakalayıcı, tutucu) malzeme olarak, biyosensörlerde, biyoayırma işlemlerinde, enzim, doku, hücre gibi biyoaktif maddelerin immobilizasyonunda (tutuklanmasında) ve biyoçiplerdeki kullanımları sayılabilir (Gümüşderelioğlu 2002). Biyomalzeme biliminde en önemli amaç, katıları kemik tedavisinde kullanılabilecek malzemeler haline getirebilmektir. Kalsiyum fosfat bazlı seramik malzemeler biyoaktif ve biyouyumlu özeliklerinden dolayı bu amaçla kullanımda önem taşımaktadır (Parhi 2004). Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemeler olup, sürekli olarak ya da belli aralıklarla vücut akışkanlarıyla temas ederler. İnsan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamlarında kullanılır. Biyomalzemelerin tüm bu zor koşullara dayanıklı olması gerekir. Son 30 yıl içinde biyomalzeme/doku etkileşimlerinin anlaşılması konusunda önemli bilgiler elde edilmiştir. Biyouyumlu olan malzemeler, biyomalzeme olarak adlandırılmış ve biyouyumluluk; uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği olarak tanımlanmıştır (Mutlu ve Kurt 2005). 4

17 2.2 Biyouyumululuk Biyomalzemeler, insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamında kullanılırlar. Örneğin vücut sıvılarının ph değeri farklı dokulara göre 1 9 arasında değişir. Günlük aktivitelerimiz sırasında kemiklerimiz yaklaşık 4MPa, tendonlar ise 4080 MPa değerinde gerilime maruz kalır. Bir kalça eklemindeki ortalama yük, vücut ağırlığının 3 katına kadar çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler sırasında ise bu değer vücut ağırlığının 10 katı kadar olabilir. Vücudumuzdaki bu gerilimler ayakta durma, oturma ve koşma gibi faaliyetler sırasında sürekli tekrarlanır. Biyomalzemelerin tüm bu zor koşullara dayanıklı olması gerekiyor. Geçmişte gerek tahta, kauçuk gibi doğal malzemelerin, gerekse altın, cam gibi yapay malzemelerin biyomalzeme olarak kullanımı deneme yanılma yoluyla yapılmaktaydı. Vücudun bu malzemelere verdiği cevaplar son derece farklıydı. Belirli koşullar altında, bazı malzemeler vücut tarafından kabul görürken, aynı malzemeler, koşullar değiştiğinde vücut tarafından reddedilebilmekteydi. Son 30 yıl içinde biyomalzeme doku etkileşimlerinin anlaşılması konusunda önemli bilgiler elde edilmiştir. Özellikle canlı ve cansız malzemeler arasında çok büyük farklılıklar olduğu saptanmıştır (Gümüşderelioğlu 2002). Araştırmacılar biyomalzeme" ve "biyouyumluluk'' sözcüklerini malzemelerin biyolojik performanslarını belirtmek için kullanmışlardır. Biyouyumlu olan malzemeler, biyomalzeme olarak adlandırılmış ve biyouyumluluk; uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği olarak tanımlanmıştır. Biyouyumluluk, bir biyomalzemenin en önemli özeliğidir. Biyouyumlu, yani 'vücutla uyuşabilir' bir biyomalzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu, vb) meydana getirmeyen malzemedir. Bu terim biraz genişletilip biyomalzemenin yapısal ve yüzey uyumluluğu olarak ayrı ayrı tanımlanmıştır. Yüzey uyumluluğu, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal uyumlu ise malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur. 5

18 Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler, bedene yerleştirilebilir cihazların hazırlanmasında kullanılmaktadır; ancak halen mükemmel biyouyumluluğa sahip bir malzeme sentezi gerçekleştirilebilmiş değildir. Çizelge 2.1 de biyomedikal ürünlerde kullanılan çeşitli doğal ve sentetik malzemelere örnek verilmiştir (Pasinli 2004). Çizelge 2.1 Biyomedikal ürünlerde kullanılan çeşitli doğal ve sentetik malzemeler (Pasinli 2004) UYGULAMA ALANI İskelet Sistemi, Eklemler, Kırık kemik uçlarını tespitte kullanılan ince metal levhalar Kemik dolgu maddesi, Kemikte oluşan şekil bozukluklarının tedavisinde Göz içi lensler, Kontakt lensler, Kornea bandajı MALZEME TÜRÜ Titanyum, Titanyum Alüminyum Vanadyum alaşımları, Paslanmaz çelik, kobaltkrom alaşımları Polimetilmetakrilat (PMMA), Hidroksiapatit PMMA, Silikon kauçuk, Hidrojeller, Silikon-akrilat, Kolajen Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler, kısacası biyomalzemeler metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler olarak gruplandırılmaktadır. Alüminyum oksit, biyoaktif cam, karbon ve hidroksiapatit (HA) biyouyumlu seramik malzemelere örnek olarak verilebilir. Biyomalzeme olarak kullanılan metaller ve alaşımlar ise, altın, tantal, paslanmaz çelik ve titanyum alaşımlarıdır. Polietilen (PE), poliüretan (PU) gibi çok sayıda polimer, tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Her malzemenin kendine özgü uygulama alanı mevcuttur. Polimerler, çok değişik bileşimlerde ve şekillerde (lif, film, jel, boncuk, nanopartikül) hazırlanabilmeleri nedeniyle biyomalzeme olarak geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Ne var ki, bazı uygulamalar için - örneğin, ortopedik alanda- mekanik dayanımları zayıftır. Ayrıca, sıvıları yapısına alarak şişebilir ya da istenmeyen zehirli ürünler (monomerler, antioksidanlar gibi) salgılayabilirler. Daha da önemlisi, sterilizasyon işlemleri (otoklavlama, etilen oksit, 60 o C radyasyonu) polimer özeliklerini etkileyebilir. Metaller, sağlamlıkları, şekillendirilebilir olmaları ve yıpranmaya karşı dirençli olmaları nedeniyle biyomalzeme olarak bazı uygulamalarda tercih edilmektedirler. Metallerin, 6

19 biyouyumluluklarının düşük olması, korozyona uğramaları, dokulara göre çok sert olmaları, yüksek yoğunlukları ve alerjik doku reaksiyonlarına neden olabilecek metal iyonu salımı gibi olumsuz yanları bulunmaktadır. Seramikler, biyouyumlulukları son derece yüksek olan ve korozyona dayanıklı malzemelerdir. Fakat bu avantajlarının yanısıra, kırılgan, işlenmesi zor, düşük mekanik dayanıma sahip, esnek olmayan ve yüksek yoğunluğa sahip malzemelerdir. Homojen özelik gösteren ve kullanım açısından dezavantajlara sahip olan tüm bu malzeme gruplarına alternatif olarak da kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Tıbbi uygulamalarda kullanılan biyomalzemeleri; sert doku yerine kullanılacak biyomalzemeler ve yumuşak doku yerine kullanılacak biyomalzemeler olarak iki grupta incelenebilir. Ortopedik ve diş implantları, genelde birinci grup kapsamına giren metal seramiklerden hazırlanırken, kalp damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri polimerlerden üretilmektedir. Ancak, böyle bir gruplandırma her zaman geçerli değildir. Örneğin, bir kalp kapakçığı polimer, metal ve karbondan hazırlanabilir; bir kalça protezi de metal ve polimerlerin kompozitlerinden oluşabilir (Gümüşderelioğlu 2002). 7

20 2.3 Biyoseramikler Milyonlarca yıl öncesinde ateşin keşfiyle, kilin seramik çanak çömleğe dönüştürülmesi, insan topluluklarının göçebe avcılıktan yerleşik tarımsal yaşama geçişinde en büyük faktör olmuştur. Seramiklerin insan yaşamında yarattığı bir diğer büyük devrimse, geçtiğimiz 40 yılda vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması için özel tasarımlı seramiklerin geliştirilmesi ve kullanımıyla gerçekleşmiştir. Bu amaçla kullanılan seramikler, "biyoseramikler"dir. Biyoseramikler, polikristalin yapılı seramik (alümina ve hidroksiapatit), biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler veya biyoaktif kompozitler (polietilenhidroksiapatit) şeklinde hazırlanabilirler. İnorganik malzemelerin önemli bir grubunu oluşturan bu malzemeler, sağlık sektöründe çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Örneğin, gözlük camları, teşhis cihazları, termometreler, doku kültür kapları, endoskopide kullanılan fiber optikler, bunlar arasında sayılabilir. Çözünmez gözenekli camlar, enzim, antikor ve antijen taşıyıcı olarak da kullanılmaktadır. Mikroorganizmalara, sıcaklığa, çözücülere, ph değişimlerine ve yüksek basınçlara olan dirençlilikleri bu uygulamalar açısından büyük avantaj sağlamaktadır. Seramikler, dişçilikte dolgu malzemesi, altın porselen kaplama ve protez parçaları olarak yaygın bir biçimde kullanılır ve "diş seramikleri" olarak isimlendirilirler. Biyoseramikler, diş tedavisi dışında da sert doku implantı olarak kullanılmaktadır (Gümüşderelioğlu 2002). Biyoseramikler, biyomalzemeler gibi mühendislik malzemeleri içinde tanımlanmaktadır. Bu mühendislik malzemeleri biyomedikal uygulamalarda kullanılmaktadır. Biyoseramikler, kimyasal reaktifliklerine göre biyoinert (oksit seramikleri), biyoaktif (kalsiyum seramikleri) ve biyobozunur (cam seramikleri) olmak üzere üç grupta incelenebilmektedir. Biyoinert seramikler doku ile mekanik bağ oluştururken biyoaktif seramikler doku ve implant arasında kimyasal bağ yaparak etkileşirler. Biyobozunur seramikler ise doku ile yer değiştirmektedirler (Shackelford 1999). 8

21 Canlı dokuya yerleştirilen tüm malzemeler, bu dokudan tepki alırlar. Bu tepki doku implant ara yüzeyinde oluşur ve Çizelge 2.2'de sıralanan çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu faktörlere bağlı olarak implant malzemeye olan doku cevabının dört türünden bahsedilebilir: Malzeme toksikse, çevresindeki doku ölür. Malzeme toksik değil ve biyoinertse, değişik kalınlıklarda fibroz doku oluşumu gerçekleşir. Malzeme toksik değil ve biyoaktifse, doku implant arayüzeyinde bağlanma gerçekleşir. Malzeme toksik değil, fakat çözünür yapıdaysa, çevresindeki doku, implantın yerini alır. Çizelge 2.2 İmplant doku arayüzey ilişkisini etkileyen faktörler (Gümüşderelioğlu 2002) Doku tarafı Doku tipi Doku yaşı Doku sağlığı Doku içi kan sirkülasyonu Arayüzey hareketliliği Ara yüzey kan sirkülasyonu Boyutlar arası uygunluk Mekanik yükleme İmplant tarafı İmplant bileşimi İmplanttaki faz sayısı Faz sınırları Yüzey morfolojisi Yüzey gözenekliliği Kimyasal reaksiyon Boyutlar arası uygunluk Mekanik yükleme 9

22 Biyoseramiklerin türüne bağlı olarak gözlenen doku cevapları farklı olur. Ayrıca Çizelge 2.2'de yer alan diğer faktörlerin de bu cevaplardaki etkisi önemlidir. Seramik implantların en ilgi çekici özeliklerinden biri, doku için zehir etkisi oluşturmamalarıdır. Biyoinert seramikler alüminyum oksit ve zirkonyum oksiti içerir. Alüminyum oksit ve zirkonyum oksit seramikleri vücutta korozyona uğramadığı için iskelet kısımlarının onarımında kullanılır. Al 2 O 3 seramiği kalça protezinde ve diş implantlarında kullanılır. Alüminyum oksit kalça protezi kimyasal inertliği, yüksek dayanımı, yıpranmaya yüksek direnci, düşük sürtünme katsayısı, mükemmel korozyon dayanımı ve yara oluşumu az olduğundan tercih edilir (Geçer 2002). Kalça eklem protezinde Al 2 O 3 biyoseramiklerinin tercih edilmesinin nedeni kullanım ömürlerinin uzun olmasıdır. Alüminyum oksit seramiğinin kemik dolgu malzemesi olarak kullanılmasında ise biyouygunluk ve mekanik özeliklerinin iyi olması başlıca etkenlerdir. Son yıllarda zirkonyum oksit seramiği de kalça eklem protezinde kullanılmaktadır. Zirkonyum oksit alüminyum oksitten mekanik olarak daha güçlüdür ve iyi biyouygunluğa sahiptir. Zirkonyum yüksek dayanıma sahiptir. Bu nedenle kırılgan maddeleri güçlendirmek için kullanılır. Örneğin HA kaplamanın mekanik özelikleri zirkonyum ekleyerek güçlendirilmektedir (Nakamura 1996). Biyoaktif seramikler kemik dolgu malzemesi olarak kullanılır. Biyoaktif seramikte doku ile seramik arasında kimyasal bağ oluşur. Biyoaktiflik biyomalzemenin kemiğe bağlanabilme yeteneğidir. Biyoaktif seramikler blok, gözenekli madde ve granül şeklindedir. Hidroksiapatit ve biyoaktif cam-seramikler biyoaktif seramiklerdir. Biyoaktif seramiklerin mekanik kırılganlığı ortopedik cerrahi için zayıf noktadır (Nakamura 1996). 10

23 Kalsiyumfosfat seramikleri, kalsiyum ve fosfat atomlarının çok oksitli yapılarıdır. Hidroksiapatit, trikalsiyum fosfat ve oktakalsiyum fosfat bu yapılara örnek verilebilir. Kalsiyum fosfat bazlı biyoseramikler tıpta ve dişçilikte 20 yıldan beri kullanılmaktadır. Bu malzemeler ortopedik kaplamalar ve diş implantlarında, yüz kemiklerinde, kulak kemiklerinde, kalça ve diz protezlerinde "kemik tozu" olarak kullanılmaktadır. Tüm kalsiyum fosfat seramikleri değişen hızlarda biyolojik olarak bozunurlar (Gümüşderelioğlu 2002). Biyobozunur, biyogeriemilebilir ve biyoabsorblanabilir terimleri değişerek ve ayrım gözetmeden kullanılabilir. Biyobozunur madde biyolojik olarak parçalanabilir. Trikalsiyum fosfat biyobozunur bir seramiktir (Shackelford 1999). Cam ve cam seramikleri silika (SiO 2 ) temelli seramiklerdir. Cam seramikler Lityum/Alüminyum veya Magnezyum/Alüminyum kristalleri içeren camlardır. Biyocamdaysa silika gruplarının bazıları kalsiyum, fosfor veya sodyum ile yer değiştirmiştir (SiO 2, Na 2 O, CaO, P 2 O 5 ). Böylece doku ve implant arasında kimyasal bağlanma gerçekleşir. Biyoseramikler, iskeletteki sert bağ dokusunun tamiri ya da yenilenmesinde kullanılırlar. Bu malzemelere olan gereksinim, özellikle ilerleyen yaşa bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Yaşlılarda kemikler çok kırılgan olur; çünkü kemik yoğunluğu ve dayanımı 30 yaşından itibaren azalır. Bu azalma kadınlarda çok daha ciddi boyutlardadır. Çünkü menapoza bağlı olarak vücutta hormonal değişimler olmaktadır. Bunun sonucunda kemik üreten hücreler, yani osteoblastların yeni kemik üretiminde ve kemikte oluşan mikro çatlakların kapanmasındaki üretkenliği azalmaktadır. Ortalama insan ömrü 80 yıl olarak düşünülürse, 60 yaş civarında bağ dokusu için yedek malzeme ihtiyacı başlamaktadır. Biyoseramiklerin kullanımını sınırlayan nedenlerin en önemlileri, bazı klinik uygulamalardaki yavaş ilerleyen çatlaklar, yorulma ve değişik darbe ve basınçlara dayanımlarının tam olarak bilinememesidir. Bu olumsuzlukları önlemek için kullanılan iki yeni yaklaşımdan birisi, biyoaktif kompozitler, diğeriyse biyoaktif seramiklerle yapılan kaplamalardır (Gümüşderelioğlu 2002). 11

24 2.4 Kompozit Malzemeler Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özelikler elde etmek amacıyla bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzeme sistemine kompozit malzeme denir. Cam elyaflı poliyester levhalar, çelik donatılı beton elemanlar, otomobil lastikleri ve seramik metal karışımı olan sermentler bunlara örnektir (Martin 1999). Doğal kemik gerçek bir nanokompozittir. Karmaşık ve vücudu oluşturan iskelete ait diğer dokulardan daha gelişmiştir. Kemik yalnızca mekanik dayanımı sağlamaz, bunun yanında özellikle kalsiyum ve fosfat açısından mineral deposudur. Ömrün başından sonunda kadar hiç yara izi bırakmaması kendini yenileme ve yeniden şekillendirme gibi eşsiz bir yeteneğin göstergesi, dokunun dinamik olduğunu gösteren bir örnektir. Bununla beraber travmatik ya da travmatik olmayan yıkımlardan oluşan kemik kusurları nedeniyle kemik graftları (aşı) kullanılmaktadır. Yapay kemik aşısı ihtiyacı, kemikteki kusurun zorluğuna bağlıdır. Örneğin, kusur küçükse kemik birkaç haftada kendini yenileyebilme özeliğiyle iyileşecektir, bu durumda ameliyat gerekmeyecektir. Kusurun fazla olması durumunda, kemiğin gücünü kaybetmesinden dolayı kemik kendini iyileştiremeyecek ve zarar görmüş canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek için kemik aşısı gerekecektir. Kemik kusurunu tedavi etmek için otografting ve allografting gibi geleneksel yöntemler vardır. Otografting; bir bireyde bir doku ya da organın aynı bireyde başka bir yere transfer edilmesi, allografting ise aynı türde, genetik olarak benzemeyen bireyler arasında doku ya da organ transferidir. Her ne kadar otograft ve allograft klinik olarak uygulanıyor ve iyi sonuç veriyor olsa da bunların kullanımını kısıtlayan durumlar vardır. Örneğin otograft sağlamak sınırlıdır ve allograftla patojen taşınımı mümkündür. Bu durumda yapay kemik aşısı ihtiyacı olduğu açıktır. Günümüzde, otojenik ve allojenik kemiklere katılarak sorunları azaltmaya yetenekli, tek veya çok fazlı yapay kemik aşı materyalleri sıkça kullanılmaktadır. Tek faz materyaller kemik büyümesinin gerektirdiği esas özelikleri her zaman sağlayamaz, ancak ideal kemik aşısı araştırmalarında öncü olur. Bundan dolayı, bileşim ve yapısal olarak doğal kemiğe benzer çok fazlı materyaller (kompozit) tasarlamaya gerçekten gereksinim 12

25 duyulmaktadır. Son zamanlarda nanokompozitler, özellikle hidroksiapatit ve kollojen bazlı olanlar, sadece doğal kemiğe bileşim ve yapısal olarak benzerliklerinden dolayı değil, tek fazlı olanlara göre daha iyi bir mekanik dayanım sağlamalarından dolayı daha çok kullanılmaktadırlar (Murugan 2005). Ayrıca doğal kemiğin, yapısının da kollojen organik matrisleri içinde hidroksiapatit nanokristalleriyle oluşmuş nanokompozit olduğu dikkate alınarak, HA/kollojen nanokompozitinin kemik aşı materyali olarak seçilmesinin avantaj sağlayacağı açıktır (Martin 1999) Kompozitin organik kısmı (biyobozunur polimerler) Biyobozunur polimerlerin en büyük avantajı vücuda yerleştirildiğinde zamanla vücutta hiçbir yapay madde kalmamasıdır. Biyobozunur polimerler ile kompozitleri sert doku onarımında dolgu maddesi olarak kullanılmaktadır. Polimerik biyomateryallerin kullanım yerlerine göre yapısal ve fonksiyonel özeliklerini uzun süre korumaları ya da belli bir süre fonksiyonlarını yerine getirmeleri istenebilir. Malzeme fonksiyonunu yerine getirdikten sonra vücuttan uzaklaştırılmalıdır ki bu da ikinci bir cerrahi operasyon gerektirdiğinden avantajlı değildir. Bu nedenle biyobozunur polimerler tercih edilmektedir. Biyobozunur polimer kullanılarak iyileşme sürecinde polimer bozunarak vücuttan kolaylıkla uzaklaştırılabilen zararsız bileşenlere dönüşmektedir (Lin 1999). Doğada en fazla bulunan doğal biyopolimerden birisi kitosandır. Kitosan, bir çeşit polisakkarit olup kitinin deasetillenmesinden elde edilebileceği gibi kabuklu canlıların kabuklarından da ekstraksiyon yöntemiyle elde edilebilir (Chen 2002). Kitosan; kozmetik, ilaç salımı, yara iyileştirme, implantasyon, atıksu arıtımı, tarım, gıda, kağıt ve gen terapi uygulamalarında oldukça sık kullanılır. Kitosan nano parçacıkları antibakteriyal, antimikrobiyal ve antifungal etkilere sahiptir. Midede ilaç tahrişini önleyen ya da azaltan asit giderici ve antiülser etkileri de vardır (Qi et al. 2004). 13

26 2.4.2 Kompozitin inorganik kısmı Biyomalzeme biliminde en önemli amaç katıları kemik tedavisinde kullanılabilecek malzemeler haline getirebilmektir. Kalsiyum fosfat bazlı seramik mazlemeler biyoaktif ve biyouyumlu özeliklerinden dolayı önem taşımaktadırlar. Kalsiyum fosfat fazını HA, ortakalsiyum fosfat (OCP, Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6 ), trikalsiyum fosfat (TCP, Ca 3 (PO 4 ) 2 ), dikalsiyum fosfat dihidrat (DCDP, CaHPO 4.2H 2 O) ve dikalsiyum fosfat (DCP, Ca 2 P 2 O 7 ) oluşturmaktadır. Kemik destek malzemesi olarak en fazla HA ve TCP kullanılmaktadır (Parhi 2004). HA, kalsiyum fosfat bazlı seramikler sınıfındandır ve doğal kemik mineraline kimyasal ve yapısal benzerliğinden dolayı kemik aşı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Kimyasal formülü Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ve Ca/P oranı 1.67 dir (Murugan 2005). HA yapısı şematik olarak Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Ca P Ca O Şekil 2.1 HA nın şematik olarak gösterimi ( Erişim tarihi: Aralık 2005) 14

27 HA tümör cerrahisinde kemikte oluşan boşlukta dolgu materyali olarak, kırık kemik onarımında kemikteki defekti kapmak için köprü olarak, dişçilikte diş kökünü beslemede ve implant kaplamalarında kullanılmaktadır. Yumuşak doku biyoaktif davranış gösteren HA ile bağlanarak yapışır ve implantın kaymasını engeller. Aynı zamanda vücut implantı yabancı madde olarak algılamaz. Hidroksiapatit kemik dolgu materyali olarak toz ya da poröz (gözeneli) blok şeklinde kullanılır. Hidroksiapatit aynı zamanda kemikteki boşluğu doldurarak boşlukta ödem oluşumunu ve yumuşak dokunun boşluğa girmesini engeller. Bir başka önemli görevi ise kalsiyum ve fosfat kaynağı olmasıdır. HA nın yüksek osteoiletkenliği (yüzeyinde kemik oluşumuna izin verme) ve düşük bozunma hızı vardır. Hidroksiapatit kemiğin temel inorganik bileşenidir ve iskelet yeniden yapılanması için bir implant maddesidir. HA biyoimplant maddesi olarak kendisi tek başına ya da bir kompozit parçası olarak ilgi çekmektedir (Hoepfner 2000). Hidroksiapatit mükemmel biyouygunluğu ve biyoaktifliği nedeni ile kaplama olarak bir çok biyotıbbi uygulamada kullanılarak polimerin yapışmasını ve kemik oluşumunu artırmaktadır. HA sadece biyoaktif değil aynı zamanda ostekondüktif, toksik olmayan bir maddedir. Fizikokimyasal, mekanik ve biyolojik özelikleri Çizelge 2.3 te verilmiştir (Murugan 2005). HA nın kemik destek ya da onarım malzemesi olarak kullanımı için birçok yöntem geliştirilmiştir (Xiao 2005). Yöntemlerden bazıları hidrotermal yöntem, yanma sentezi, sulu çözeltilerden çöktürme, sol-jel yöntemi, ultrasonik ışıma, yapay vücut sıvısından çöktürme, mikrodalga - hidrotermal yöntem ve ters misel yöntemidir. HA sentezi sırasında taneciklerin aglomerasyonu söz konusudur, bunu önlemek için kullanılan yöntemlerden biri ses ötesi dalgalardır. 15

28 Çizelge 2.3 HA nın fizikokimyasal, mekanik ve biyolojik özelikleri (Murugan 2005) Özelik Değer Molekül formülü Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Ca/P oranı 1.67 Kristal yapı Hegzagonal Young modülü (GPa) Elastiklik modülü (GPa) 114 Baskı dayanımı (MPa) Gerilme dayanımı (MPa) Yoğunluk (g/m 3 ) 3.16 Bağıl yoğunluk (%) Kırılma dayanımı (MPa m 1/2 ) Sertlik (HV) 600 Bozunma sıcaklığı ( o C) > 1000 Erime noktası ( o C) 1614 Dielektrik sabiti 7.40 Isıl iletkenlik (W/cmK) Biyoaktiflik Biyouygunluk Biyobozunma Hücresel uygunluk Kemik iletkenliği Yüksek Yüksek Düşük Yüksek Yüksek 16

29 Ses dalgaları, değişik ortamlar içinde yayınan boyuna dalgalardır. Bu dalgalar her hangi bir ortamda (katı, sıvı, gaz), ortamın özeliklerine bağlı olan bir hızla yayınırlar. Ses dalgası bir ortamda yayınırken ortamın parçacıkları, dalganın hareket doğrultusu boyunca yoğunluk ve hacim değişiklikleri üreterek titreşirler. Bu parçacık hareketi, dalga hareketinin yönüne dik olan enine dalga hareketindeki durumun tersidir. Ses dalgaları şeklinde ortaya çıkan yer değiştirmeler, denge konumundan itibaren her bir molekülün boyuna yer değiştirmesini gerektirir. Bu sıkışma ve genişleme, yüksek ve alçak basınç düşmelerine yol açar (Erte 2007). Frekanslarına göre boyuna mekanik dalgalar, işitilebilir (sonic), ses altı (infrasonic) ve ses ötesi (ultrasonik) dalgalar olmak üzere üç gruba ayrılır. İşitilebilir dalgalar, insan kulağının duyarlılık sınırı içinde olan ses dalgalarıdır. Bu dalgalar 20 Hz ile Hz frekansları arasındadır. Bu sesler müzik aletleri, boğazdaki ses telleri ve hoparlör gibi değişik yollarla yaratılabilir. Ses altı dalgalar işitilebilir mertebenin altındaki frekansta olan boyuna dalgalardır. Deprem dalgaları bu dalgalara örnektir. Ses ötesi dalgalar işitilebilir mertebenin üstündeki frekansta olan boyuna dalgalardır. Örneğin, bu dalgalar, bir kuartz kristaline alternatif elektrik alanın uygulanmasıyla elde edilebilirler. Bu yol ile, 6*10 8 Hz (600 MHz) kadar yüksek ultrasonik frekanslar elde etmek mümkündür. Hava içinde bu frekansa denk gelen dalga boyu 5*10-5 cm dir. bu değer görünür ışık dalgalarının boyu ile aynı büyüklüktedir (Halliday 1992). Ses ötesi dalgaların bazı uygulama alanları aşınma, temizleme, kesme, toz ayrışması, erozyon, metal yorulma testi, görüntüleme, metal boru çizimi, fizik tedavisi, kaynak, biyoteknoloji, polimerizasyon ve medikal kullanımı şeklindedir (Thompson 1999). 17

30 3. KAYNAK ÖZETLERİ Bugüne kadar HA nanotanecikleri elde etmek için, hidrotermal yöntem, yanma sentezi, sulu çözeltilerden çöktürme, sol-jel yöntemi, ultrasonik ışıma, yapay vücut sıvısından çöktürme, mikrodalga - hidrotermal yöntem ve ters misel yöntemi gibi çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Süreli yayınlardan seçilmiş çalışmalar aşağıda özetlenmiştir. Liu et al. (1997) HA taneciklerini sentezlemek için basitleştirilmiş hidrotermal yöntemini uygulamışlardır. Ca(OH) 2, Ca(H 2 PO 4 ) 2.H 2 O tozları etanole daldırılmış alümina küreleri ile öğütülerek karıştırılmıştır. Elde edilen bulamaç infrared lamba ile kurutulmuş ve tozlar damıtık su içine konarak basınçlı bir kapta 109 o C de 1-3 saat boyunca ısıtılmıştır. Uzunluğu nm ve genişliği nm olan iğne şekilli HA kristallerinden oluşan tanecikleri elde edilmiştir. Sentezlenen HA nın spesifik yüzey alanı m 2 /g, Ca/P oranı ise olarak belirlenmiştir. Basit ve ekonomik olan bu yöntemle, sert dokunun yeniden inşası uygulamalarında kullanılan yüksek kaliteli HA oluşturulabileceği sonucuna varmışlardır. Lim et al. (1998) çalışmalarında siklohekzan, poli(oksietilen) 5 nonil fenil eter (NP-5), poli(oksietilen) 9 nonil fenol eter (NP-9) ve sulu çözelti içeren sürekli mikremülsiyon, ters mikroemülsiyon ve emülsiyon sistemlerinde CaCl 2 ve (NH 4 ) 2 HPO 4 ün tepkimesiyle HA sentezlemişlerdir. Sürekli ve ters mikroemülsiyon sistemleriyle emülsiyon sistemine göre daha ince nanoparçacıklar üretmişlerdir, ayrıca sentezlenen HA nın parçacık büyüklüğü ve dağılımı, kimyasal homojenlik ve parçacık yığılma derecesi gibi özeliklerinin tepkime ortamının yapısından çok etkilendiğini gözlemlemişlerdir. Üç yöntemle sentezledikleri HA için parçacık boyut aralığı nm dir. 18

31 Tas et al. (2000a) çalışmalarında kalsiyum fosfat (hidroksiapatit ve tri-kalsiyum fosfat) biyoseramiklerini SBF (düşük derişimlerde Fe, Cu ve Zn elementlerini içeren) kullanarak kendiliğinden yanma sentezi (SPCS; Self-propagating combustion synthesis) yöntemiyle sentezlemişlerdir. Elde edilen ürünün karakterizasyonu X-ışını (XRD), indüktif eşleşmiş plazma spektroskopisi atomik emisyon spektroskopisi (ICP-AES), FTIR ve SEM ile belirlenmiştir. Yanma sentezi yönteminin 0.45 µm altında kalsiyum fosfat biyoseramikleri elde etmek için alternatif bir yol olabileceği sonucuna varmışlardır. Chen et al. (2002) çalışmalarında HA yı sulu çözeltilerden elde etme yöntemine göre sentezlemişlerdir. Bu yöntemde Ca(NO 3 ) 2 ve NH 4 H 2 PO 4 çözeltileri ph>10 değerlerinde ve Ca/P = 1.67 stokiyometrik oranında etkileştirmişlerdir. Tepkime bittikten sonra çökelek damıtık suyla birkaç kez yıkanarak, ph 7 ye düşürülmüş ve 80 o C ta kurutulmuştur. HA taneciklerinin geçirgen elektron mikroskobu (TEM) ile analizleri yapılarak eni nm, boyu nm olan HA parçacıklarının oluştuğunu belirlemişlerdir. Koumolidis et al. (2003) ph-şok dalga yöntemiyle birleştirilmiş mikroemülsiyon yöntemini uygulayarak HA sentezlemişlerdir. Sentezlenen HA nanoparçacıkları dar bir gözenek büyüklüğü dağılımında, oldukça çok mezogözenek içeren, yığılmış amorf parçacıklardır. Mikroemülsiyon yöntemini uygularken yüzey aktif madde olarak CTAB, yardımcı yüzey aktif madde olarak 1-bütanol ve yağ faz olarak n-oktan kullanmışlardır. Isıtma işleminden sonra (650 o C) gözeneksiz, nm aralığında oluşan HA parçacıklarını 635 o C ta kristallendirmişlerdir. Daha yüksek sıcaklıklarda (900 o C) sinterleme işlemi yapmışlar ve bunun sonucunda, HA ve β-trikalsiyum fosfat (β-tcp) içeren daha uzun parçacıklardan oluşmuş bir ağ meydana geldiğini gözlemişlerdir. HA in kristalizasyonunun, 635 o C ta kcal mol 1 aktivasyon enerjisinde meydana geldiğini belirlemişlerdir. Sentezledikleri örneklerin kristal çapını hesaplamak için XRD analizlerini kullanmışlardır. Bragg yansımasına neden olan (002) ve (300) tabakalarındaki taneciklerin kristal çaplarını Sherrer eşitliği ile hesaplamışlardır. Sherrer eşiltliği d = kλ / (b cosθ) şeklindedir. Burada d kristal çapı (A o ), k şekil faktörü (~0.9), λ 19

32 dalga boyu (A o ), θ Bragg açısı (derece) ve b maksimum pikin yarı yükseklikteki genişliğidir (rad). Kristal büyüklüklerinin (300) ve (002) kristal tabakaları için 13.6 nm nm aralığında değiştiği belirtilmiştir. Kim et al. (2004) çalışmalarında Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O ve P 2 O 5 kullanarak ve basit sol-jel yaklaşımıyla nano kristal hidroksiapatit tozları elde etmişlerdir. FTIR ve XRD analizleri yapılmış ve kurutulmuş örneklerin amorf HA olduğu, 12 saat 900 o C ta kalsine edilmiş örneklerin ise boyutu nm arasında olan tek faz HA olduğu belirlenmiştir. Cao et al. (2005) çalışmalarında girdi olarak Ca(NO 3 ) 2, Na 2 H 2 PO 4 ve çöktürücü olarak da karbamid (NH 2 CONH 2 ) kullanarak ultrasonik ışıma yardımı ile HA nano kristalleri elde etmişlerdir. Ultrasonik çöktürme ile 20 nm boyutunda HA kristalleri oluştuğu gözlenmiştir. Elde edilen HA nano parçacıklarının kristal morfolojisi XRD ve TEM ile incelenmiştir. Sıcaklık ve ışıma süresinin HA oluşum hızına etkisi belirlenmiştir. Elde edilen ürünün HA içeriğinin sıcaklık ve süre ile arttığı saptanmıştır. Feng et al. (2005) yaptıkları çalışmada fosfor pentaoksit (P 2 O 5 ) ve kalsiyum nitrat tetrahidrat (Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O) kullanarak sol-gel tekniğiyle HA nano tozları elde etmişlerdir. Bu çalışmada sinterleşme sıcaklığının ve olgunlaşma süresinin kristallenme derecesine ve HA fazının bileşimine etkisi incelenmiş, analizleri XRD ve TEM le yapmışlardır. Sinterleşme sıcaklığı o C arasında tutulmuş, 800 ve 900 o C ta baskın faz HA iken az miktarlarda da kalsiyum oksit ve β-trikalsiyum fosfat (β-tcp) görülmüştür. 600 ve 700 o C ta ise tek faz HA dır. Bu yöntemle nm boyutunda HA tanecikleri elde etmişlerdir. Guo et al. (2005) HA nanoparçacıklarını oda sıcaklığında ters mikroemülsiyon (sulu çözelti / TX-100 ve Tween 80 / n-bütanol, n-hekzanol ve siklohekzan) yöntemi ile sentezlemişlerdir. Çalışmalarında farklı hidrofil-lipofil dengesi (hydrophile-lipophile balance, HLB) değerlerinin parçacık büyüklüğü üzerine etkisini incelemişlerdir. Amaçları, farklı HLB değerlerinde karıştırılmış yüzey aktif maddelerini içeren ters 20