BİYOMALZEMELER
BİYOMALZEME NEDİR? İnsan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek / desteklemek Kullanılan doğal ya da sentetik malzemeler Sürekli / belli aralıklarla vücut akışkanlarıyla (kan, eklem sıvısı ve diğer vücut sıvıları) temas halinde
BİYOMALZEME TARİHİ Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler 2000 yıl önce: Altın diş hekimliğinde kullanım Milattan önce: Bronz ve bakır kemik implantlarının kullanımı 1880: fildişi protezlerin vücuda yerleştirilmesi 1938: vitalyum alaşımından ilk metal protezin üretilmesi 1972: alumina ve zirkonya isimli iki seramik yapı kullanılması (inert, dokuya bağlanma problemi ve çok çabuk zayıflama sonucunda eklemde kırılma görülmesi)
TIBBİ KULLANIM ALANLARI İmplantlar Ekstrakorporeal cihazlar (by-pass op), Eczacılık ürünleri (eklem sıvısı olarak kullanılan hyalüronik asit, tablet kaplamalarında enterik kapsüller), Teşhis kitleri (kan tahlilinde kullanılan mikrobiyolojik tanı kitleri)
BİYOTEKNOLOJİK KULLANIM ALANLARI Hücre teknolojisinde hücre ve hücresel ürün üretiminde destek malzeme olarak, Atık su arıtımında adsorban malzeme olarak, Biyosensörlerde Biyoayırma işlemlerinde Enzim, doku, hücre gibi biyoaktif maddelerin immobilizasyonunda ve biyoçiplerde
Aşılması Gereken Engeller Biyomalzemeler, insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamında kullanılmakta; Vücut sıvılarının ph ının farklı dokulara göre 1 ila 9 arasında değişmesi Kemiklerin yaklaşık 4 MPa, tendonların ise 40-80 MPa değerinde gerilime maruz kalması
BİYOUYUMLULUK Uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği Biyomalzemelerin en önemli özelliği Biyouyumlu malzeme, -Kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmamalalı - Dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu) meydana getirmemeli
WINTERMANTEL VE MAYER BİYOUYUMLULUK YAPISAL UYUMLULUK YÜZEY UYUMLULUĞU Biyomalzemenin vücüt dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyum Biyomalzemenin vücüt dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygunluğu
İdeal Biyomalzeme Nasıl Olmalı? Biyouyumlu Yıpranmaya dirençli Bozunmaya dirençli Toksik, allerjik, mutajenik ya da karsinojenik etkisi olmamalı Sterilizasyon işlemlerinden etkilenmemeli Yapısı homojen olmalı ve yeterli dayanıklılığa sahip olmalı Kabul edilebilir fiyat/yarar oranı
BİYOMALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
METALİK BİYOMALZEMELER Kristal yapıları ve sahip oldukları güçlü mekanik bağlar nedeniyle üstün mekanik özellikler taşırlar. Ortopedik uygulamalarda (eklem protezi ve kemik yenileme malzemesi) Yüz ve çene cerrahisinde (diş implantı) Kalp-damar cerrahisinde (yapay kalp parçaları, vana, kalp kapakçığı)
METALİK BİYOMALZEMELERİN UYGUNLUĞU KOROZYON: Metallerin çevreleriyle istenmeyen bir kimyasal reaksiyona girerek oksijen, hidroksit ve diğer başka bileşikler oluşturarak bozunması olayı Malzeme zayıflar, korozyon ürünleri doku içerisine girerek hücrelere zarar verir. KOROZYONA UĞRAYAN MALZEME BİYOUYUMLU
BİYOMALZEME OLARAK KULLANILAN METALLER Çelik Kobalt içeren alaşımlar (fazla yük altındaki eklemlerde ve protezlerde) Titanyum ve titanyum içeren alaşımlar Altın (kaplama malzemesi) Nikel-titanyum alaşımları (diş köprüleri, yapay kalp kası, ortopedik protezler)
BİYOSERAMİKLER Vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması için tasarlanan özel seramikler polikristalin yapılı seramik (alümina) biyoaktif cam biyoaktif cam seramikler biyoaktif kompozitler
BİYOSERAMİKLERİN KULLANIM ALANLARI Gözlük camları, Teşhis cihazları, Termometreler, Doku kültür kapları. Dolgu malzemesi, Altın-porselen kaplama, Protez parçaları
BİYOSERAMİKLERİN AVANTAJLARI Mikroorganizmalara, Sıcaklığa Çözücülere ph değişimlerine Yüksek basınçlara dayanıklı
BİYOSERAMİKLER BİYOAKTİF BİYOİNERT Doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin veren seramik Doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin vermeyen seramik
YAPISAL İŞLEVLERİNE GÖRE BİYOSERAMİKLER 1 Oksit Seramikleri: İnert yapıda, oksijen iyonlarının oluşturduğu düzlemde metal iyonlarının dağılması ile oluşan polikristalin seramikler Alümina: (Al 2 O 3 ) Yüksek yoğunluk ve saflığa sahip Korozyon direnci yüksek Yüksek dayanım Biyouyumlu Kalça ve diş implantlarında kullanılıyor
Zirkonya: (ZrO 2 ) Avantaj: Yüksek çatlama ve bükülme direnci İnert Dezavantaj: Fizyolojik sıvılar nedeni ile zamanla direnç düşüşü Kaplama özellikleri zayıf Potansiyel radyoaktif maddeler içermesi Daha çok uyluk kemiği protezlerinde kullanılıyor
2 Kalsiyum-fosfat seramikleri: Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri şeklinde yapılar. Hidroksiapatit Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, Trikalsiyum fosfat, Ca 3 (PO 4 ) 2 Oktakalsiyum fosfat CaH(PO 4 ) 3.2OH Gözenekli yapıdadır Kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak kullanılmaktadır. (Yapay kemik) Metalik implantlar üzerinde kaplama olarak kullanılmaktadır. Değişen hızlarda biyolojik olarak bozunurlar. Kararlılıkları sıcaklığa ve bulunduğu ortama bağlıdır.
3 Cam ve cam-seramikler: Silika (SiO 2 ) temelli seramikler Cam seramikler Lityum-Alüminyum veya Magnezyum-Alüminyum kristalleri içerir Biyocamda ise silika gruplarının bazılarının yerine kalsiyumun, fosforun veya sodyumun bulunur (SiO 2, Na 2 O, CaO, P 2 O 5 ) İskeletteki sert bağ dokusunun tamiri için kullanılır Yavaş ilerleyen çatlaklar, değişik darbelere ve basınçlara dayanıklılıklarının tam olarak bilinememesi Kullanımını sınırlandırır
BİYOSERAMİKLERİN DOKU İLE ETKİLEŞİMİ Canlı dokuya yerleştirilen tüm malzemeler dokudan tepki alır. Tepki doku-implant ara yüzeyinde oluşur. Doku-implant uyumu için sağlanması gereken özellikler: Doku Doku Tipi Doku Yaşı Doku Sağlığı Doku içi kan sirkülasyonu Arayüzey hareketliliği Arayüzey kan sirkülasyonu İmplant İmplant bileşimi İmplanttaki faz sayısı Faz sınırları Yüzey morfolojisi Yüzey gözenekliliği Kimyasal reaksiyon
İmplant Malzemeye Doku Cevabı Toksik Değil MALZEME Toksik Biyoinert Biyoaktif Çözünür DOKU Ölür Değişik kalınlıkta fibroz doku Doku-implant arayüzeyinde bağlanma Doku implantın yerini alır BİYOMALZEMELERİN DOKU CEVABINA GÖRE SINIFLANDIRILMASI İMPLANT TÜRÜ DOKU CEVABI ÖRNEK Gözeneksiz, yoğun ve inert seramikler Çok ince fibroz doku oluşumu Alümine, Zirkonya Gözenekli, inert seramikler Gözenek içinde doku büyümesi Hidroksiapatit Resorbe olan seramikler Emilme Trikalsiyum Fosfat, Biyoaktif camlar
Polimerik Biyomalzemeler Polimer: Küçük tekrarlanabilir birimlerin oluşturduğu uzun zincirli moleküller. Mer: Tekrarlanan birim Monomer: En düşük molekül ağırlıklı tekrarlanan birim Monomer genellikle karbon ve hidrojen atomlarından oluşur. Bu tip monomerlerden oluşan polimerlere organik polimerler denir. C ve H atomlarından başka atomlardan (Si, N ya da P) meydana gelen polimerlere inorganik polimerler denir.
Polimerik Biyomalzemelerin Kullanım Alanları
Biyomedikal Malzemelerin Sahip Olması Gereken Özellikler
En Çok Kullanılan Biyopolimerler PMMA (Polimetil Metakrilat): Oda sıcaklığında camsı yapıda Yüksek ışık geçirgenliği Sert ve kararlı Göz içi lensler ve sert kontakt lens olarak kullanılıyor PHEMA (hidroksietil metakrilat) yumuşak kontakt lens
Polietilen (PE): Tıbbi uygulamalarda yüksek yoğunluklu PE kullanılır Sterilizasyona dayanıklı İyi sertlik Yağlara dirençli Ucuz Kataterlerde kullanılır Çok yüksek molekül ağırlıklı PE yapay kalça protezinde kullanılır.
Polipropilen (PP): Polietilenden daha sert Yüksek kimyasal direnç ve çekme dayanımı Polietilenin kullanıldığı alanlarda kullanılabilir. Politetrafloroetilen (PTFE): PE deki hidrojenlerin yerine flor atomları var Isıl ve kimyasal kararlılık Zor şekil alır Çok hidrofobik Damar protezlerinde kullanılır.
Polivinilklorür (PVC): Sert ve Kırılgan Tıbbi uygulamalarda tüp formunda kullanılır. Kan nakil cihazları Diyaliz cihazları Polidimetilsiloksan (PDMS): Karbon ana zinciri yerine silisyum oksijen ana zincirine sahip Yüksek esneklik ve kararlılık Yüksek oksijen geçirgenliği Parmak eklemleri, kan damarları, kalp kapakçıkları, çene ve burun implantları
Poliamid (Naylon): Diaminlerin dibazik asitlerle tepkimesi sonucu oluşur Laktomların halka açılması polimerizasyonu Ameliyat ipliği olarak kullanılır Poliüretan (PÜ): Yumuşak ve sert segmentlerden oluşan blok kopolimerler Kanla uyuşabilir olduklarından kalp damar uygulamalarında tercih edilir
Hidrojeller
Biyomalzeme Olarak Hidrojeller Yara örtü materyali Antimikrobial yara örtüsü Kontakt Lens
Hidrojellerin Uygulama Alanları Yapay tendon materyali Yara iyileşmesinde biyoyapıştırıcı Yapay böbrek zarı Yapay deri Kontrollü ilaç salım sistemi
Hidrojel Sentezi için Kullanılan Polimerler PHEMA PNVP Poliakrilamid
Doğal Polimerler Doğal olarak üretilen ve benzersiz özelliklere sahip polimerler Başlıca Doğal Polimerler 1. Proteinler (Kollajen, jelatin, elastin, vb.) 2. Polisakkaritler (Selüloz, nişasta, dekstran, kitin, vb.) 3. Polinükleotidler (DNA, RNA) İşlevsel özellklerine göre farklı kullanım alanları bulunur
Doğal Polimerlerin Kullanım Alanları
Biyomalzeme Olarak Kullanılan Doğal Polimerlerin Avantajları
Biyomalzeme Olarak Kullanılan Doğal Polimerlerin Dezavantajları
Yaygın Olarak Kullanılan Doğal Polimerler Kollajen Jelatin Kitin Kitosan
Kollajen Kaynatıldığı zaman tutkal oluşturan doku bileşimi olarak bilinir. Suda çözünmez Yüksek gerilim gücüne sahip bir protein Toplam vücut proteinlerinin 1/3 ünü oluşturur. Bilinen en uzun protein Makyaj ve estetik ürünlerinde yaygın kullanım Yumuşak doku rejenerasyonunda kullanılır.
Jelatin
Kitin Doğrusal ve uzun yapıya sahip bir polisakkarit Yapısı selüloza benzer Yengeç, karides, midye, istiridye gibi deniz kabuklularının dış kabuğunda ve çekirge, örümcek gibi böceklerin kabuğunda yer alır Hidrofilik bir yapısı var.
Kitosan Kitinin alkalin deasetilasyonu ile elde edilir. Biyouyumlu ve biyobozunur Doku iskeleti olarak kullanılırlar.