BİYOSERAMİK MALZEMELER Kaza, hastalık vb. gibi bir nedenden ötürü zarar görmüş veya işlevini tamamen yitirmiş olan vücut doku ve organlarının tamir edilmesi veya yenilenmesi amacıyla faydalanılan malzemeler Biyomalzeme olarak adlandırılmaktadır. Biyomalzemelerin sahip olması beklenen özellikler ; - Yeterli mekanik mukavemet - Uygun ağırlık ve yoğunluk - Aşınmaya dirençli yüzey - Ses emici tasarım - Seri üretime elverişlilik - Estetik görünüm - Kimyasal kararlılık - Yeterli yorulma dayanımı - Biyouyum(güvenilirlik) Bir biyomalzemenin şüphesiz taşıması gereken en önemli özellik biyouyumluluk tur. Vücuda yerleştirilen bir malzemenin temas halinde olduğu dokular ve vücut sıvıları ile etkileşim göstererek olumsuz yönde herhangi bir tepki vermemesi söz konusu malzemenin biyouyumlu olduğunu gösterir. Biyomalzemelerin Sınıflandırılması Metalik Biyomalzemeler ; altın, gümüş, vitalyum(co-cr-mo alaşımı, paslanmaz çelik, Titanyum ve alaşımları Polimerik Biyomalzemeler ; Polietilen, Polimetil metakrilat, Politetrafloroetilen, Polietilen tereftalat, Poliamidler Biyokompozit Malzemeler ; Karbon fiber takviyeli polimer matrisler, Alümina-zirkonyahidroksiapatit biyokompozitleri, Karbon/grafit fiber takviyeli seramik matrisler Biyoseramik Malzemeler Biyoseramik Malzemelerin Sınıflandırılması Oksit Seramikleri: Alümina (Al 2 O 3 ) ve zirkonya (ZrO 2 ). Kalsiyum-fosfat seramikleri: Bunlar Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri şeklindeki yapılardır. Hidroksiapatit, Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, Trikalsiyum fosfat, Ca 3 (PO 4 ) 2 ve oktakalsiyum fosfat CaH(PO 4 ) 3.2OH bu yapılara örnek verilebilir. 1
Cam ve cam-seramikler: Silika (SiO2) temelli seramiklerdir. Cam seramikler Lityum/Alüminyum veya Magnezyum/Alüminyum kristalleri içeren camlardır. Biyoseramik malzemeler, temasta bulundukları vücut dokuları ile üç temel tipte reaksiyon verebilmektedir: biyoinert, biyoaktif ve biyoemilebilir. Biyoinert seramik malzemelerin çevresinde vücut dokuları ile temasa geçtikleri andan itibaren ipliksi bir kapsül oluşmaya başlamakta ve bu kapsül, malzemenin etrafını tamamen sarmaktadır. Biyoinert özellikteki seramiklere örnek olarak alümina (Al 2 O 3 ), zirkonya (ZrO 2 ) verilebilir. Biyoaktif seramiklerin fonksiyon prensibi, çevresini saran vücut dokuları ile direkt olarak sıkı biyokimyasal bağlar kurmaktır; dolayısıyla biyoinert seramik malzemelerde görülen ipliksi kapsül oluşumu söz konusu değildir. İsminden de anlaşılacağı üzere biyoaktif seramik malzemelerin biyolojik aktiviteleri yüksek olduğu için doku hücreleri içerisine doğru büyüme eğilim ve yetenekleri çok iyidir. Biyoaktif malzemeler, kemik ve dişler gibi sert dokuların yanısıra deri, kan damarları, kıkırdak gibi yumuşak dokularla da bağ kurabilmektedir. Biyoaktif malzemelere örnek olarak hidroksiapatit (HA) ve biyoaktif cam-seramikler verilebilir Biyoemilebilir seramik malzemeler, Doku ile yer değiştirebilen malzemelerin verdiği tepki şeklinde ifade edilebilmektedir. Bu tip malzemeler, vücut ortamında zamanla çözünerek kendisini çevreleyen dokunun yerini almaktadır; ancak çözünme sonrasında herhangi bir toksik kalıntı olmaması gerekmektedir. Biyoemilebilir bir malzeme ile doku arasındaki etkileşim en yüksek seviyededir dolayısıyla vücuda yerleştirilen malzeme, zaman geçtikçe dokudan ayırt edilemez hale gelmektedir. Biyoemilebilir seramiklerin parçalandıkları zaman vücuda zararlı bileşenler bırakmayan malzemeler olduğunu; ancak bu parçalanma sürecinin aynı zamanda malzemenin mekanik açıdan zayıflama süreci olduğunu da belirtmek gerekmektedir. Biyoseramik Teknoloji Uygulamaları Diş ve kemik aşılarından enzim ve mikrop hareketsizleştirici yataklara kadar çeşitli biyoteknoloji uygulamalarında seramiklere gerek duyulur. Biyoseramik malzemeler insan kalça, diz, omuz, dirsek, parmak ve bileklerinin onarımı ve de kullanılır [6.51]. Kemik aşısı olarak kullanılan üç seramik çeşidi çözünebilir ve biyoetkendir. Biyoetkisiz seramikler arasında dokunun büyümesine izin veren ve iyi bir mekanik bağ oluşmasını sağlayan mikro gözenekli Al 2 O 3 gözenekli metaller üstünde hidroksiapatit (HA) kaplama bulunur. Etkisizliklerinin sonucu olarak seramik malzeme yakınındaki kemiğin yeniden şekillenmesinde bağışıklık tepkimelerinin veya biyokimyasal etmenlerin (yükünler ve çözeltiye geçen diğer maddelerin) etkisi olmaz. Çözünebilir malzemeler arasında kalsiyum sülfat (alçı), trikalsiyum fosfat ve kalsiyum fosfat tuzları bulunur. Bu aşılar yavaş yavaş bozunur ve çevredeki doğal dokular tarafından ele geçirilir. 2
Biyoetken seramikler kemik veya çevresindeki dokularla etkileşime girer ve kiyasal bağ oluşturur. Bu tür seramiklere örnek olarak HA, biyoetken camlar ve biyoetken cam seramikler gösterilebilir. Çeşitli HA kaynak ve biçimi bulunur. Bunların arasında sentetik HA, mercan kaynaklı HA ve deniz alglerinden elde edilen pikojen HA bulunur. Bunlardan alg kökenli HA, kemiğin fizikokimyasal özelliklerine en yakın özelliklere sahip olandır [6.53]. Alg kökenli HA nın iç ve tane yapısı ve hammadde olarak kullanılan çeşitli alg türleri Şekil 6.16 da gösterilmiştir. HA nın kullanım alanları arasında dişçilik, travmatoloji ve ortopedide kemikteki boşlukların doldurulması, plastik cerrahide sert doku hatalarının düzeltilmesi ve travmatoloji ve ortopedide kemiklerarası aralıklarda köprü oluşturulması bulunur [6.54]. Ortognatik cerrahide yüzdeki kemik deformasyonlarının giderilmesi için kalıcı HA aşıları geniş çapta denenmiştir. HA, ağız cerrahisinde periosteal hatalar ve diş yuvalarının yükseltilmesinde dolgu maddesi olarak yaygın uygulama alanı bulmuştur. HA ve biyoetken camlar uzun zamandır orta kulak cerrahisinde başarıyla kullanılmıştır. HA kaplamalar biyoetkenlikleri nedeniyle iyileşme sürecini hızlandırabilir fakat çoğu uzman bunların 4-6 yıl arası hizmet- ten sonra çözünebileceği konusunda fikir birliğine varmıştır. Bu nedenle kalıcı uygulamalarda önerilmemektedirler. Diz ve kalça için kullanılan biyomedikal aşıları Ti ya da paslanmaz çelik tel veya Ti ve Ag tanecik katkılı Ca Na fosfosilikat cam malzemelerden yararlanır. Bu camların temel bileşenleri SiO (6O%), Na 2 0, CaO, P 2 0 5, MgO ve K 2 O dur. Yüksek Na 2 0 ve CaO yüzdesi ve yüksek bir CaO/P 2 0 5 oranı gereklidir [6.55]. Alümina ve kararlılaştırılmış zirkonya seramikler ortopedik yük taşıyan uygulamalarda kullanılır. Şekil 6.17 Al 2 O 3, Zr0 2 ve HA dan yapılmış olan bazı aşı parçalarını göstermektedir. Uzun süreli izleme çalışmalarına göre bir TiAIFe alaşımına birleştirilmiş olan alümina soket ve küre düzeneği yüksek başarı oranı elde etmiştir. 3
Şekil 6.16. Alg kökenli HA içindeki 10 µm enli petek yapılı kanallar a alg iskeletinde birleştirici gözenekler b ve bu amaçla kullanılan çeşitli algler c (Friatec AG Medical Technology Division Mannheim Almanya) Seramiklerin dişçilikteki ilk kullanımı fildişi, kemik, ahşap ve başka insanlardan çıkarılan dişlerin yerine 1774 yılında porselen dişlerin geçmesidir [6.57]. Seramikler lekeli, çürük ve kötü kokulu takma diş sorununu çözmüş fakat doğal dişin estetik özellikleri elde edilememiştir. Dişçilikte kullanılan ilk seramikler üç bileşenli porselen malzemelerdir (bkz. Altbölüm 7.2). Bu bileşimlerden kil kuvarsın çıkarılması ile estetik özellikler iyileştirilmiştir. Kullanımdaki estetik porselenler temelde feldspat minerallerinden üretilen ve az oranda kristal katkılı alkali ile değiştirilmiş alüminosilikat camlarıdır. Lusit (KAISi 2 O 5 ) içeren yüksek genleşmeli porselenler bunun dışındadır. Yüksek oranlarda (ağ.%40 55) lusit parçacıkları güçlendirme katkısı olarak kullanılır. Lusit yeterli yarısaydamlık özelliği sağlar ve bu, estetik nedenlerle önemli bir özelliktir. Ayrıca lusit, feldspat camlarınınkine yakın kırılma göstergesine sahiptir ve karma malzemenin ısıl genleşme katsayısını yükseltir. Lusit aynı zamanda diş porselenlerinin katkısız cama göre daha yüksek tokluğa ulaşmasında da kullanılır. Çoğu estetik seramik düşük dayanımlıdır ve işlevsel beklentilerin yüksek olduğu kaplama (kron) ve protez gibi uygulamalara uygun değildir. Daha yüksek dayanımlı seramikler metal yerine göbek malzemesi olarak kullanılır çünkü yarısaydamlıkları nedeniyle bu seramiklerin optik özellikleri metallere göre daha uygundur. Başlangıçta Al 2 O 3 ile dayanımı artırılmış camlar göbek malzemesi olarak kullanılmıştır. Daha yüksek dayanım ve tokluk için geliştirilmiş bir başka göbek malzemesi alüminosilikat emdirilmiş ağ.%70 85 alüminadır. Bu malzeme iki farklı yolla üretilir. İlk yol alümina gövdenin çamur dökümü, pişirme ve cam emdirme işlemlerinden oluşur. İkinci yol önpişirilmiş gözenekli alümina blokların CAD/CAM ile işlemesi ve ardından bu parçalara cam emdirme işlemlerini içerir.[6.57] Şekil 6.17. Tıp uygulamalarında kullanılan seramik parçalar: alümina küresel başlıklar ve ekler (BIOLOX forte), kalça artroplasti için karma malzemeler (BIOLOX delta), hidroksilapatit seramik (BIOLOX osprovit), biyoetken kaplama veya granüller ve özel cerrahi 4
uygulamalarda kullanılan döküm malzemeler (CeramTec AG Innovative Ceramıc Engineering Plochingen Almanya) Çene saplamaları alümina, HA ve biyoetken camlardan yapılır. Şekil 6 18 saplama örneklerini sergilemektedir. Başlangıçta bunlar tek parça alümina gövdeden yapılırdı (Şekil 6.18 ortada). Uzun süreli sonuçlar alüminanın tokluğundan kaynaklanan bazı olumsuzlukları ortaya çıkarmıştır. Bunun sonucunda ikinci kuşak saplamalar geliştirilmiştir. Bu saplamalar HA ile kaplanmış titanyumdan (Şekil 6.18 solda) veya kaplamasız titanyumdan oluşur ( Şekil 6.18 sağda) [6.58]. Bir başka seçenek basamaklı Ti silindir bir kök ve seramik bir diş gövdesinin birleşiminden oluşur (Şekil 6.19). Katkısız alümina aşılar mekanik özelliklerin yaşamsal olmadığı durumlarda uygundur. Bu uygulamalara örnek olarak kemikçik zincirinin tamamen ya da kısmen değiştirildiği orta kulak aşıları, ur cerrahisinde nefes borusu destekleyici halka, kornea değişimi (optik parça olarak korundum tekil kristal ve tutucu halka olarak alümina kullanılır), kemik duvarlarda (septum) destekleyiciler ve orbital plakalar gösterilebilir [6.56]. Şekil 6.18. İki tür Frialit -2 Ti saplama (sol ve sağ) ve ilk Frialit -1 alümina (ortada) (Friatec AG Medical Technology Division Mannheim Almanya) Bir başka uygulama kanser tedavisinde yitriya alüminosilikat cam mikrokürelerin kullanımıdır. Bu mikroküreler bedenin kanserli bölgelerine ışınımın yerel olarak iletilmesinde kullanılmıştır. Daha yüksek toklukları nedeniyle MgO-PSZ ve Y2O3-PSZ eklem değişiminde alümina yerine seçenek olarak düşünülmektedir. Zirkonya tabanlı seramiklerin mekanik yeterlilikleri biyomedikal alümina ile karşılaştırılmış ve ilki daha üstün bulunmuştur. Y2O3-PSZ deneme aşıları bir yıllık süre ile fare ve tavşanlara yerleştirilmiş alümina ile karşılaştırılmış ve benzer biyouyumluluk göstermiştir. Karbon kardiovasküler parçalarda örneğin yapay kalp kapakçığı (valfi) olarak ve ortopedik parçalarda (ör: kemik ve kalça protezlerinde) kullanılır. Gözenekli seramikler enzim, antikor, antijen ve mikrop hareketsizleştirme yüzeylerinde yüksek kimyasal, ısıl ve biyolojik dirençleri sebebiyle kullanılır. 5
Hydroxyapatite Ceramics Several paradigm shifts have taken place in different areas such as electronics, robotics, medicine and surgery by the advent of nanomaterials. To some extent, the field of medicine and surgery is the most important area because it is related to human s health. In this case, biomaterials play a very important role. Among different categories of biomaterials, bioactive ceramics such as hydroxyapatite are attractive candidates for body s hard tissues replacement. Hydroxyapatite (HA, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) has been widely used as a bulk implant material in non-load bearing areas of the body. Although HA has excellent biocompatibility properties, it is limited in use due to its low strength and brittle nature. The main reason of this loss in mechanical properties of HA is decomposition of HA into some calcium phosphate phases such as tricalcium phosphate (TCP) and even tetra-calcium phosphate (TTCP). Calcium phosphate phases are brittle and have weaker strength. Different techniques have been tried to improve strength and fracture toughness of HA (toughness of pure HA < 1 MPam1/2), such as making composites and using different pressing/sintering methods like under water shock compaction hot press sintering, microwave and spark plasma sintering process. Beside the advanced processing routes, bioinert polymer or ceramic materials as reinforcing agents in different forms like whiskers, platelets, fibers and particles have been employed to improve the mechanical properties of HA. Moreover, another issue could enhance mechanical properties of apatite is decreasing the grain size, which is well known as Hall Petch equation. In fact, nano crystallinity is a key factor for improvement of sinterability and enhancement of compacted specimen behavior owning to high energy and high interface density which are stored in the interfaces of ultrafine grained structures. However, the tendency of nano powders to agglomeration leads to create some problems in shaping of bodies and there are still challenges in this area. Some effort such as high energy ball milling have been used to overcome/decrease the agglomeration effects. The large surface area often dominates the properties of the powders and enhances mechanical, chemical and physical properties, significantly, of the material resulting in interesting and sometimes unexpected behavior of nanoparticles. Nanocrystalline powders of apatite composites can be sintered into well-built osteointegrative ceramic specimens. It has been reported that alumina and titania particles are the best choices for making composite with HA due to their good mechanical properties and bioinertness. As an illustration, Viswanath and Ravishankar have studied the interfacial reactions in hydroxyapatite/alumina nano composite. Their work showed that alumina completely reacted with hydroxyapatite and formed alumina-rich calcium aluminates and TCP phases at relatively low temperatures (1000 C). It has been reported that alumina and titania particles are the best choices for making composite with HA due to their good mechanical properties and bioinertness. As an illustration, Viswanath and Ravishankar have studied the interfacial reactions in hydroxyapatite/alumina nano composite. Their work showed that alumina completely reacted with hydroxyapatite and formed alumina-rich calcium aluminates and TCP phases at relatively low temperatures (1000 C). 6
Incontrast, Xihua etal. Reported that by introducing diapsoid/ alümina and hot pressing the composites under 20 MPa in N2 atmosphere at 1320 C, the decomposition of HA was not observed. Queet al. Reported that the addition of titania into HA has a major effect on the HA structure and enhanced HA properties. Moreover, because of the introduction of secondary phases, the phase changes in the composites at higher sintering temperatures could take place. Application of the expensive materials processing techniques (e.g.spark plasma sintering) could improve the mechanical properties and bioactivity, but the decomposition of HA at1200 C results in drastic decreasing the strength of composites. Some attempts have been done to prevent the decomposition. Nathetal, for instance, have tried to inhibit the decomposition reaction of HA into calcium phosphate phases by making HA- Mullite system. Nevertheless, in their study decomposition of HA composites at 1350 C results in deterioration of the mechanical strength. TRİKALSİYUM FOSFAT (TCP) Biyoemilebilir seramik malzemelerin en bilinen üyesi olan trikalsiyum fosfat (TCP), 1920 li yıllarda kemik boşluklarını doldurmak amacı ile kullanılmaktaydı. Biyomedikal uygulamalar için biyoemilebilirlik özelliğinin avantaj sağladığına inanılan trikalsiyum fosfat, (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) genel kimyasal formülüne ve 1,5 (Ca/P) molar oranına sahiptir. Tri kalsiyum fosfat (TCP), Ca 3 (PO 4 ) 2, doğada ve canlı sistemlerde çok bulundukları gibi, belli bileşikleri laboratuar ortamında sentezlenebilmektedir. Trikalsiyum fosfatın 4 adet polimorfu bulunmaktadır. Söz konusu polimorflar aşağıda kısaca açıklanmıştır : β-tcp: Trikalsiyum fosfatın düşük sıcaklık formu (< 1300 ºC) olan bu faz, β-ca 3 (PO 4 ) 2 kimyasal formülü ile tanımlanmaktadır. β I -TCP: β I -Ca 3 (PO 4 ) 2 kimyasal formülü ile tanımlanan ve yüksek basınç altında kararlı olan bir fazdır. α-tcp: Trikalsiyum fosfatın yüksek sıcaklık formu (> 1300 ºC) olan bu faz, α-ca 3 (PO 4 ) 2 kimyasal formülü ile tanımlanmakta olup ortorombik kristal yapısına sahiptir. α I -TCP: α I -Ca 3 (PO 4 ) 2 kimyasal formülü ile tanımlanmakta olup 1470 ºC nin üzerinde kararlı olan bir fazdır ve monoklinik kristal yapısına sahiptir. Biyoseramikler içinde en çok görünen TCP yapıları, α ve β-tcp dir. β-tcp, katı hal reaksiyonuyla veya çözeltilerden elde edilmiş, uygun durumdaki eksik kalsiyumlu apatitin sinterlenmesiyle elde edilmektedir. Ca/P oranı düştükçe, çözünme hızı artmaktadır. TCP nin Ca/P oranı 1.5 tir. Dolayısıyla HA dan daha hızlı çözünmektedir Trikalsiyum fosfat, hidroksiapatite göre daha düşük bir mukavemete sahiptir ve bu durumun temelinde yine azalan (Ca/P) molar oranı yer almaktadır. Biyoaktif hidroksiapatit ile biyoemilebilir α veya β-trikalsiyum fosfat seramik malzemelerinin birlikteliğinden meydana gelen biphasic yani çift fazlı kalsiyum fosfat yapıları, biyobozunmanın daha yavaş olarak gerçekleşmesinin hedeflendiği kimi biyomalzeme uygulamaları için fonksiyonel bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Bahsedilen kalsiyum fosfat karışımlarının kararlılığı, yapıya katılan α veya β-tcp fazının miktarına bağlıdır. Zira trikalsiyum fosfat miktarının hidroksiapatitten daha fazla olduğu durumlarda biyoçözünürlük hızı daha yüksek olmaktadır. Ancak α-tcp ile β-tcp fazları kıyaslandığında α-tcp nin β-tcp ye göre yeni kemik oluşumunda biyolojik açıdan çok daha etkin olduğu tespit edilmiştir. Çift fazlı kalsiyum fosfat malzemelerinde, trikalsiyum fosfat fazının biyoemilebilirliği hidroksiapatitin biyoaktifliği ile dengelenmektedir. 7
TCP nin Kullanımı Kırılganlığı ve zayıf kopma dirençlerinden dolayı bu biyoseramiklerin kullanımı kısıtlıdır. Biyomedikal uygulamalar için uygun trikalsiyum fosfatın mekaniksel özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. TCP, seramik blok, granül veya kalsiyum fosfat çimento halinde kemik tedavilerinde kullanılmaktadır. Kemik boşluklarını doldurmak amacıyla, dokusu, fosfat malzemesinin gözenekli yapısı içinde büyümekte ve malzeme sonradan yavaşça çözünmektedir. Aynı zamanda mineral kemik oluşmaktadır. Diş hekimliğinde kullanılan kök kanalı yapıştırmaları biyouyumlu hale getirmek ve kemik oluşumunu desteklemek için de α-tcp katılmaktadır. α- TCP katılımıyla, doku uyumluluğunda ve yara iyileşme özelliklerinde gelişmeler gözlenmiştir. SİLİSYUM NİTRÜR Silisyum nitrür (Si 3 N 4 ) doğada nadir olarak görülmektedir olmayan bir oksit seramik, ancak göktaşı kaya parçacıklarında bulunmuştur, çünkü doğal olarak ortaya çıkar. Sentetik Si 3 N 4 ilk kez 1859 yılında Deville ve Wöhler geliştirdiği oldu, ama neredeyse bir yüzyıldır bir meraktan biraz daha fazla ileriye gidemedi. Çeşitli refrakter uygulamalar için geliştirildiği zaman malzemenin ticari ilgisi, 1950'li yıllarda artmıştır. İlerleyen yıllarda dünya çapında bir çaba ile, içten yanmalı motorlar ve yüksek sıcaklıklı gaz türbinlerinde kullanmak için Si 3 N 4 geliştirmeye başlatılmıştır. Sonuç olarak, şimdi tarihinin en fazla çalışılan seramiklerinden biridir. Bu malzeme özellikleri iyi anlaşılmış ve onun ticari kullanımı büyük ölçüde genişlemiştir. Ortopedik cerrahide Si 3 N 4 kullanımına ilişkin klinik veriler, gelecekte kullanılabilir hale gelir gibi görünüyor. Biyomedikal uygulamalarda bu malzemenin kullanımına yönelik gerekçesine genel bir bakış yararlı olacaktır.si 3 N 4 kompozit yapılmıştır. Boyun tutucular ve omurga füzyon cihazları başarılı kısa vadeli klinik sonuçlarla halen kullanılmaktadır. Kaynak malzeme, hem de omurga disk cerrahisi, protez kalça ve diz eklemleri için yatak olarak Si 3 N 4 yapılmıştır. Cerrahi plak ve vidalarda geliştirilmiş ve test edilmiştir. Silisyum Nitrür ün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Toz halinde üretilen Si 3 N 4 malzemeler α ve β Si 3 N 4 olmak üzere iki farklı poliformik yapıda kristallenmekte ve her iki yapıda da hegzagonal kristal kafes yapısına sahiptir. Uzun yıllar α- Si 3 N 4, β- Si 3 N 4 ün bir silisyum oksinitrürü olarak kabul edildi. Ancak daha sonra α- Si 3 N 4 ün gerçek bir poliform olduğu ve β- Si 3 N 4 arasında 30 kj/mol kadar bir entalpi farkı tespit edildi. α- Si 3 N 4 Yapısal olarak β- Si 3 N 4 e çok benzemektedir. α- Si 3 N 4 ün kimyasal formülünde β- Si 3 N 4 den farklı olarak 30 azot atomundan birinin yerini bir oksijen atomu almaktadır. β yapısı α nın eriyik veya buharlaşmasıyla meydana gelir. 8
Silisyum nitrür, silisyum ile azotun 1200 C üzerinde doğrudan reaksiyonu ile üretilir. Nitrürleşme reaksiyonu şiddetli ekzotermik olup prosesin sıcaklığını kontrol etmede güçlük çıkarmaktadır. 3Si (k) + 2N 2 α-si 3 N 4 (1400 C) Silisyum nitrür normal basınç altında ergimez. Fakat azot ile sıvı silisyuma parçalanır. Ayrışma hızı 1800 C nin üzerinde oldukça şiddetlidir. Bu nedenle saf silisyum % 100 yoğunlaşması mümkün değildir. Bu konudaki gelişme ancak sinterleme katkı maddelerinin ilavesi ile sağlanır. Silisyum Nitrür Malzeme Özellikleri Si 3 N 4 yapmak için kullanılan farklı işleme yöntemleri arasında, sırasıyla reaksiyon bağlar, sinterleme ve basınç destekli sinterleme olarak bilinen üç tipik stratejiler vardır. Reaksiyon ile bağlanmış Si 3 N 4 'ün işlenmesi silisyum(si)'u meydana getirilen bir toz gözenekli şeklinde bir maddenin nitrürleme ile seramik malzemenin üretilmesi için bir yöntemdir. Reaksiyon yapıştırma işleminde, şekil almış malzeme de, tipik olarak bir aradaki Si 3 N 4 ve Si bağları partiküller oluşturmak için N 2 ile reaksiyona girerek 1200-1400 santigrat derece arasında bir sıcaklıkta N 2 içinde ısıtılır. Elde edilen madde, nispeten düşük bir yoğunluğa ve yüksek bir gözenekliliğe (genellikle% 15-20) ve düşük esnekliğe (örneğin, 200-300 MPa esneme esnekliğe) sahiptir. Si 3 N 4 içinde çatlak meydana gelmesi durumunda, yapı içinde uzamış çubuk benzeri taneler daha geleneksel bir Si 3 N 4 de sınırlı veya mevcut olan sertleşme mekanizmalarını sağlamak için sertleştirilmiştir. Yerinde sertleşmiş malzeme boyunca bir çatlağın sonucu olarak, yayılması da daha zor hale gelir. Sağlam çubuk şeklinde taneler, yayılan bir çatlak veya uzatılmış tanelerinin sınırları boyunca çatlağın sapma ucunun arkasında çubuğa benzer tanelerin çekilmesi ile yayılan bir çatlağın köprü oluşturmasını azaltabilir. Geleneksel olarak üretilen kompozit bir malzeme içinde takviye edici lifli bir faz kadar aynı şekilde hızlı bir çatlak büyümesi için bir eğilim göstermiştir. Ortopedik Cerrahide Seramik Malzemeler Titanyum (Ti) alaşımları, kobalt-krom cilalı (CoCr) ve yüksek yoğunluklu polietilen (PE) gibi modern biyomalzemeler, klinik sonuçları artık öngörülebilir ve dayanıklıdır. Öyle ki, 1970'lerden beri hastalıklı kalça ve diz eklemlerinin protez değiştirilmesi devrim yarattı. Ancak, insan vücudunda protez yatakları ile ilgili bir uzun vadeli endişe protez çevresindeki eklem alanı, özellikle PE aşınma parçalarının biriken, mikroskobik aşınma kalıntısı için olumsuz biyolojik yanıttır. 9
Protez çevresindeki kemik kaybı ve zamanından önce implantın gevşemesine neden olur, çünkü daha az yatak aşınması arzu edilir. 1970'li yıllarda PE yüzeye karşısında son derece parlak bir yüzey CoCr eklemlenme taşıyan bir çift modern kalça ve diz protezi ameliyatı başarıyla sonuçlandı. PE çapraz bağlanması aşınmayı azaltmak için tasarlanmış bir imalat stratejisidir. Başka bir aşınma-azaltma stratejisi tamamen kalça protezleri den PE yi ortadan kaldırmak ve yerine sabit rulman kombinasyonu ile sert kullanılmasıdır. Böyle bir örnek total kalça protezi operasyonlarında CoCr-üzerinde-CoCr eklemlenmeleri sorunudur. Bugün ortopedik cerrahide kullanılan mevcut seramik sınırlılıkları göz önüne alındığında, klinik altı aşınma oranları ile bir hastanın, yaşam süresini, ömrünü kısaltması daha zor ve daha güvenilir seramik malzemelere ihtiyaç vardır. Eklem protezi ameliyatı küçük ölçekli rulmanlar boyut ve konfigürasyonlarda geniş bir cerrahi esneklik sağlayan güçlü, sert seramik malzeme isteyen, daha yaygın kullanılan yeni başarılı Asya piyasalarında da büyümektedir. Gelişmiş ülkelerde de, büyük eklem değiştirme ameliyatı daha genç ve aktif hastalarda gerçekleştiriliyor. Bu bireylerin periyodik yüklemenin birkaç on yıl dayanacak implantlar ve rulmanlar için bir talep yaratarak, her zamankinden uzun yaşam süresinin keyfini beklenir. Silisyum Nitrür ün Biouyumluluğu In vivo uygulamalar için kullanılan herhangi bir malzeme (yani, malzemenin bir kez vücut implante, dökme ya da parçacık biçiminde ya da toksisite reaktivitesini göstermek gerekir) bioinert olması gerekir. Bu tür stabilize ZrO 2 ve AI 2 O 3 olarak oksit seramikler ortopedik uygulamalarda seramik malzemeler olarak kullanılmıştır. Sitotoksisite deneyleri ile son kanıtlar, aşağıda özetlenen, Si 3 N 4 de seramiklere benzer birolumlu biyolojik uygunluk profiline sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, Si 3 N 4 olumsuz etkileri olmadan 3 yıldır omurga cerrahisinde implante edilmiş ve ISO 10993 biyouyumluluk testlerinin tam spektrum sonuçları onun biyouyumluluk geçerliliğini göstermektedir. Sitotoksisite testleri, hücre canlılığı ve morfolojisi değerlendirmesi doğrudan temas tahlilinde L929-farenin fibroblast hücre kültürü modeli uygulayarak yapılmıştır. Bu araştırmacılar, test edilen tüm Si 3 N 4 malzemeler ile olumlu sonuçlarını bildirilmiştir. Hücre büyümesi, canlılığı ve morfolojisi Ti ile karşılaştırılabilir ve cilalı yüzeyler Si 3 N 4 de hücre büyümesini teşvik etmek için ortaya çıkmıştır. Araştırmacılar Si 3 N 4 de seramik biyomedikal uygulamalar için uygun olduğu sonucuna varılmıştır. 10
Ortopedik Cerrahide Silisyum Nitrür Seramik malzemeler ortopedik cerrahide kullanılmaktadır birkaç on yıl boyunca, düşük sürtünme ve geliştirilmiş aşınma nitelikleri açısından CoCr alaşımları içinde kendi avantajları vardır. Dünya çapında ortopedik cerrahide Si 3 N 4 esaslı seramiklerin halen kullanılan mevcut Al 2 O 3 esaslı seramiklere göre önemli farklılıkları olduğu doğrulandı ve kapsamlı olarak gözden geçirilmiştir. Si 3 N 4 seramiklerin çekici bir özelliği, gözenekli bir alt tabaka ve sert bir dayanma yüzeyine şeklinde formüle edilmesi yeteneği ile ilgilidir. Gözenekli formda, Si 3 N 4 iskelete dayanıklı biyolojik tespit için gereklidir. Doğrudan apozisyonel kemik büyümesini destekleyebilir. Si 3 N 4, bu nedenle, aynı implant içinde, bir düzlem, ile başka bir düzlemde büyümesi gözenekli yüzey üzerinde düzgün bir eklem yüzeyiyle ortopedik implantlar için kullanılabilir. Sonuç olarak; yerinde sertleşme yöntemi ile hazırlanmış yoğun Si 3 N 4 de seramiklere şu anda toplam kalça ve diz eklem yenilenmesi için yatak olarak kullanılan Al 2 O 3 esaslı seramik ve kompozit için üstün mekanik özelliklere sahiptir. Metallerin aksine Si 3 N 4, X-ışınlarına karşı yarı saydam ile manyetik olmayan bir varlığa sahip olduğundan, Si 3 N 4 implantlar yakın yumuşak dokuların MR görüntülemesi için olanak sağlar. BİYOSERAMİKLERİN VÜCUDA UYUMLULUK TESTLERİ Biyoseramiklerin sahip olması gereken özellikler - Toksik olmamalı - Alerjik olmamalı - Kanserojen içermemeli - Alev alabilen bir yapıda olmamalı - Biyouyumlu olmalı - Vücuttan uzun ömürlü olmalı ve biyofonksiyonel olmalı Vücudun bioseramik malzemeye tepkisi Thrombosis - Pıhtılaşma Hemolysis Alyuvar parçalanması Inflammation İltihap oluşumu Infection and Sterilization Enfeksiyon oluşumu sterilizasyon Carcinogenesis Kanser oluşum Hypersensitivity Aşırı duyarlılık Systemic Effects Vücudun tamamına etki eden sistemik etkiler Koagülasyon Testleri Pıhtı oluşum hızını ölçen fonksiyonel testler Trombin oluşumu, fibrinojen proteolizi Pıhtı oluşumu (Çözülebilir proteinlerin presipitasyonu) Fibrinojen: pıhtılaşmayı sağlayan protein Antijen: Canlı vücuduna dışarıdan giren ve antikor oluşmasını sağlayan yabancı madde Cihazların ölçüm metotlarına göre; Empedans artışı Türbidite artışı Optik berraklıkta azalma 11
Pıhtı oluşumunu sağlayan yol boyunca var olan herhangi bir eksiklik anormal bir sonuç verecektir. Protrombin Zamanı (PT) Fosfolipid ve kalsiyum varlığında faktör VII nin tromboplastin tarafından aktivasyonu Pıhtı oluşumu Faktör VII, X, V, II ve fibrinojene bağlıdır. Faktör VII düşüklüğüne en hassas testtir. Ayrıca Warfarin (Kumadin) tedavisinin takibi için kullanılır. Laboratuvarlar arasında International Normalized Ratio (INR) şeklinde standardize edilmiştir. Parsiyel Tromboplastin Zamanı (PTT) İntrinsik Yol aracılığı ile oluşan pıhtı oluşumunu değerlendirmede kullanılır. Faktör VII hariç bütün faktörler gereklidir. PT testine göre daha az fosfolipid eklenir. Heparin varlığına hassastır. (Heparin is an anti coagulation protein) Intrinsik Sistem Koagülasyon Faktörlerini Ölçen Testler Faktör XII Prekallikrein Yüksek moleküler ağırlıklı kininojen Faktör XI Faktör IX Faktör VIII PTT yi platform olarak kullanırlar. BİYOUYUMLULUK (BIO-COMPATIBILITY) 10993-1 Bir materyalin biyo-uyumluluğunun test edilmesi için gerekli testlerin tümünü içerir. (Toksisite, Hemoliz, sitotoksisite, sistemik toksisite,...vs.) Hammaddelerin biyo uyumluluk testleri tek başına yeterli değildir, bu testlerin bazılarının (özellikle toksisite, EO kalıntı testi..vs.) bitmiş ürünlerde de tekrarlanması gerekir. Bu testlerin mutlaka AB organlarınca akredite edilmiş kuruluşlarda yapılması gerekir. Diş hekimliğinde uygulamalarında farklı içerik ve özelliklere sahip çok çeşitli materyaller üretilmiş ve klinik uygulamalara sunulmuştur. Bu materyallerin çoğu sert doku yumuşak doku diş dokusu sıvılarla (tükürük diş eti oluğu sıvısı) temas halindedir. Böylece diş hekimliği uygulamaların fiziksel ve mekanik özelliklerle beraber biyolojik özelliklerde ön plana çıkmaktadır. Bu sebepten ötürü biyouyumluluk önemlidir. Testler genelde in vitro yöntemlerle başlar hayvansal testler ve doğru sonuçlarla in vivo testlerle devam eder. 12
IN VİTRO Biyolojik uyumluluğun değerlendirilmesi için uygulanan in vitro testleri bir test tüpü içinde, hücre kültürünün bulunduğu bir kap içinde ya da canlı organizmanın dışında yapılır. Bu testler materyalin bir bileşeninin bir hücre, enzim ya da diğer izole edilmiş biyolojik sistemlerle temas ettirilerek uygulanmasını gerektirir. Dental materyallerin in vitro olarak sitotoksisitesini belirlemede en yaygın kullanılan biyolojik sistemler hücre kültürleridir. Test Avantaj Dezavantaj İn Vitro Hayvan testleri Kullanım testleri Hızlı uygulama Ucuz Standardize edilebilir Deney ortamı kontrolü kolaydır Geniş bir skalada değerlendirme yapılır Karmaşık sistemik etkileşimler tespit edilebilir In vitro testlere göre daha geniş kapsamlı ve daha gerçekçidir. Kullanılan materyalin dokularla ilişkisi belirlenir İn vivo ortamla ilişkisi tartışmalıdır Kullanılan materyalle ilişkisi tartışmalıdır Pahalı Etik açıdan tartışmalıdır Kontrolü zor Sonuçların değerlendirilmesi zordur Çok pahalıdır Daha fazla zaman Etik açıdan daha fazla tartışmalıdır Kontorlü zor olabilir Sonuçların değerlendirilmesi zordur. Hücre Kültürü Hücre kültürü yönteminin temel ilkesi, canlı dokulardan alınan parçaların in vitro koşullarda yaşama ve üremelerini sağlamaktır. Tüp, şişe gibi laboratuvar gereçlerinde uygun besleyici sıvıların içinde üretilerek kullanılan canlı dokulardır. İki tip hücre kullanılır primer ve devamlı hücre hatlarıdır. Primer hücre kültürleri doku ce organlardan ayrılan hücrelerin 24 saatten daha uzun süre kültür edilmesiyle elde edilir. Devamlı hücre hatları süresiz çoğalabilme özelliğine sahip transformasyona uğramış primer hücrelerdir ve daha stabil fenotipleri vardır. 13
SİTOTOKSİSİTE Materyalin hücre yaşamına olan etkisi. Moleküler olaylar sonucu çeşitli makromoleküllerin sentezlenmesinin engellenmesi be buna bağlı olarak hücre fonksiyonlarında ve yapısında belirgin hasar oluşmasıdır. Hücre canlılığı Hücre membranı Hücre organelleri Protein veya DNA sentezi Hücre bölünmesi ile ilgili bilgiler verir. Testler için belirli standartlara uygun olması için ISO bazı kriterler belirlemiştir. ISO 7405 diş hekimliğinde kullanılan medikal materyallerin klinik öncesi test protokollerinden biridir. Tabi bunlarla beraber önerilen şu test metotları da vardır. 1) a- Direkt hücre kültürü i. Direk temas testi ii. Ekstrakt testi b- Bariyer test metodu Agar difüzyon testi Filtre difüzyon testi Dentin bariyer testi Sitotoksisite Değerlendirme Yöntemleri 1. Canlılık (Viability) değerlendiren testler 14
2. Yaşam (survival) değerlendiren testler 3. Hücre proliferasyonunu (büyümesi, çoğalması) değerlendiren testler 4. Metabolik sitotoksisite değerlendirme testleri Bu testlerle beraber ayrıca - Glutatyon tespiti - Mutajenite testleri - Östrojenite testleri 15
HAYVAN TESTLERİ Genellikle memeli hayvanlar üstünde yapılan biyouyumluluk testleridir fare, kedi, köpek, koyun, maymun bu testler değişkenleri kontrol etmek zordur etik açıdan tartışmalı, uzun süreli ve pahalıdır. Malzeme deneğin dokularına enjekte edilir 1 hafta veya birkaç ay periyotlar boyunca kontrol altındadır sonra dokular makroskobik ve mikroskobik incelenir müköz membran irritasyon testine tutulan materyal dokudaki iltihap incelenir. KULLANIM TESTLERİ Hayvanlar veya gönüllü insanlar üstünde test edilir. Hayvanlar köpek maymun gibi büyük hayvanlar tercih edilir. İnsanlarda yapılması materyalin biyouyumluluk değerlendirilmesinin klinik aşamasıdır. Pulpa irritasyon testleri ortodontik amaçla çekilecek insan dişlerinde maymun veya diğer hayvanların sağlam dişlerinde class V materyali uygulanır ve malzeme 1 hafta ve birkaç ay arası bekletilir. Diş çekimi yapılır ve histolojik inceleme için hazırlanır pulpadaki akut ve kronik iltihap incelenir. 16
BAĞLANMA DAYANIM TESTİ Adheziv testlerin etkinliğini değerlendirmek için çeşitli bağlanma dayanımı test yöntemleri kullanılmaktadır. Bu testlerden elde edilen sonuçlara göre adheziv sistemlerin ağız ortamındaki performansları hakkında çeşitli yorumlar yapılır. Rezin esaslı adheziv sistemlerdeki seramik bağlantı değerlendirmeleri için mikro-gerilme (micro-tensile), kesme (shear), mikro-kesme (micro-shear) bu yöntemlerde bağlantı bölgesine başarısız olunca ya kadar sürekli kuvvet uygulanır. Her malzeme canlı dokuya yerleştirilirken tepki alır Al2O3 yüksek sıcaklıklarda korozyon direnci yüksek sertliği iyi biyouyumluluk karakterli bir malzeme olması dolayısıyla çok geniş kullanım alanına sahiptir. Kimyasal kararlılık ve düşük ekonomik maliyet ile mühendislik seramikleri için tercih sebebidir. Yalnız kırılganlık dezavantajı vardır bunuda ikincil faz olarak yumuşak bir metal olan nikelle desteklenip giderilebilmektedir. Ama biyouyumluluğunda sağlanabilmesi önemli bir şarttır ve birkaç test ile bunlar öğrenilebilir. Yüzey Enerjisi ve Temas Açısı Plazma Proteinlerin Adezyonu İmplantlara karşı dokuların oluşturduğu tepkimelerden biri implant yüzeyinde protein adhezyonunun gerçekleşmesidir. Adezyon, implantla doku arasındaki hareketliliği engeller ve uygulanabilirliği azaltır. Aşağıdaki tabloda Plazma protein adezyonu gösterilmekte. Anti-baktiriyel aktivite Toz yapıdaki Al 2 O 3 kompozisyonlarının difüzyona difüzyona uğramayan özelliğinden dolayı inhibisyon alanının ölçümüne dayalı test metotlarının kullanımı zorlaşmıştır. Şekilde Nikel destekli Al 2 O 3 kompozisyonlarının antibakteriyel etkinliği Temas açısı ölçümleri; Kuru ve preslenmiş kompozitlerin su ile temas açısı değerleri 25C de durgun damla yöntemiyle, digital optik temas açısı ölçer cihazıyla belirlenir. L SV SL 17
Plazma proteinleri adhezyonu; Plazma proteinlerinin (albumin, globulin, fibrinojen) nanopartiküllere adsorpsiyonu 37C de kesikli sistemde çalışılmıştır. Partiküllere absorplanan protein miktarı spektrofotometre kullanılarak belirlenmiştir. Antibakteriyel etkinlik; Kompozitlerin potansiyel antibakteriyal aktiviteleri koloni oluşumundaki azalmalar dikkate alınarak belirlenmiştir. Tüm bakteri suşları 1.0gr kompozit içeren Muller Hilton Broth içerisinde 37C de bir gece büyütülmüştür. Daha sonra besiyerinden alınan bakteri örnekler Muller Hilton Agar besiyerinde 37C de 24 saat sonunda sayılıp antibakteriyel özellik değerlendirildi. 18
Karakterizasyon Çalışmaları Kompozitlere ait şişme oranları ve suya karşı elde edilen temas açısı ölçümleri yüzey polaritesini ve ıslanabilirliğini değerlendirmek için kullanılır. 19