Alüminanın Biomalzeme Olarak Kullanım Alanları
advertisement
Alüminanın Biomalzeme Olarak Kullanım Alanları Lisansüstü Biyoseramikler ve Karakterizasyon’u Dersi Ders Notudur. İÇERİK 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Giriş Biyomalzemeler Biyomalzemelerin Genel Özellikleri Biyomalzemelerden Beklenen özellikler Biyomalzemelerin Sınıflandırılması Seramik Esaslı Biyomalzemeler Alüminanın Genel ve Biyomekanik Özellikleri Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları Literatürden Örnekler Giriş Biyomalzemeler bilimsel anlamda yeni bir alan olmasına karşın, tarihsel süreç incelendiğinde insan vücuduna metal takılarak çeşitli tahribatların düzeltilmesi ve daha güçlü bir yapı elde edilmesi düşüncesi çok daha eskilere dayanmaktadır. • Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler • 2000 yıl önce dişçilik sektöründe kullanılan altın • 18yy-19yy kırıkları sabitlemek için kullanılan metal çiviler (Fe, Au, Ag) • 1938 ilk kalça kemiği değiştirilmesi • 1952 paraşüt kumaşından ilk kan damarı • 1958 ilk yapay kalp • 2000ler biyomalzeme teknolojisi ve doku mühendisliği Günümüz şartlarında, insan vücudunda yapay dokulara duyulan ihtiyaçların artması insanoğlunun teknolojik ve sorunlara cevap verecek nitelikte yeni biyomalzemeler geliştirmesini zorunlu kılmıştır. Biyomalzeme Biyomalzeme, “biyolojik sistemlerle arayüz oluşturarak doku, organ ya da bunların işlevlerini ölçme, tedavi etme, destekleme ya da tümden üstlenme amacıyla tasarlanan, laboratuar ortamında üretilen malzemelerdir. • Yaşayan bir sistemin parçası yerine kullanılmaktadır. • Canlı doku ile yakın temas içinde çalışmaktadır. Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi İstenen Özellikler • Fiziksel özelliklerini korumalı • Kullanım ömrü boyunca fonksiyonel kalmalı • Kullanım ömrü uzun olmalı • Toksik olmamalı • Kanserojen olmamalı • Alerjik olmamalı •Biyouyumlu olmalı Malzeme Seçim Parametreleri • Steril edilebilir olmalı • Mekanik • Elektrik / Termal İletkenlik • Difüzyon • Biyokararlılık Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi Biyouyumluluk • Uygulandığı canlı dokuda toksik, zararlı ya da immünolojik tepki üretmemesi gerekiyor. • Uygulanan biyomalzeme veya cihazı canlı organizmanın hastalık olarak algılayıp bağışıklık sisteminin aktif hale geçmemesi gerekiyor. Biyo-kararlılık Biyomalzemenin tespit edildiği canlı dokuda maruz kaldığı vücut akışkanlarına karşı kimyasal, korozif ve fiziksel kararlığını koruyarak uzun kullanım ömrüne sahip olmalı Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi Malzeme Seçimindeki Mekanik Özellikler Biyomalzemeler, insan vücudunun değişik bölgelerinde değişik kuvvet ve etkilere maruz kalmaktadır. Örnegin günlük aktiviteler sırasında kemiklere 4 MPa, tendonlara ise 40-80 MPa değerinde gerilmeler etki etmektedir. Bir kalça eklemindeki ortalama yük, vücut ağırlığının 3 katına kadar çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler sırasında bu değer vücut ağırlığının 10 katına kadar çıkabilir. Vücuttaki bu gerilmeler; ayakta durma, koşma, oturma gibi faaliyetler sırasında gün boyunca tekrarlanır. Bu tekrarlı hareketler biyomalzemelerin yorulmasına, çatlamasına ya da plastik deformasyonuna neden olabilmektedir Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi Malzeme Seçimindeki Mekanik Özellikler Vücuttaki bu gerilmeler; ayakta durma, koşma, oturma gibi faaliyetler sırasında gün boyunca tekrarlanır. Bu tekrarlı hareketler biyomalzemelerin yorulmasına, çatlamasına ya da plastik deformasyonuna neden olabilmektedir. Yürüme esnasında femur başının, vücut ağırlığının (80 kg’lık bir vücut ağırlığının) 3,5 katına kadar yüklendiği deneysel olarak ölçülmüş olup, total kalça protezlerinin, bu yüklere yeterince dayanımlı olması gerektiğini göstermektedir. Aynı zamanda, bu protezlerin eklem yerindeki sürtünme ile oluşan aşınmaya da dirençli olması gerekir. Biyomalzemelerin Sınıflandırılması Biyomalzemeler Doğal • Kıkırdak • Kemik • Kas Yapay Metalik Seramik Kompozit Yapısal İşlevine Göre 1. Oksit Seramik • Alümina • Zirkonya Bağlanma Mekanizmasına Göre 2. Kalsiyum-Fosfat Seramikler 3. Cam ve Cam Seramikler • Biyoinert • Biyoaktif Seramik Esaslı Biyomalzemeler Seramikler; pozitif ve negatif iyon davranışları ve Coulomb kuvvetleri ile bağlıdırlar. Seramikler genellikle metaller ile metalik olmayan oksijen, azot, karbon gibi elementlerin bileşimleri ile oluşurlar (oksitler, nitritler ve karbürler). Sert, kırılgan ve yalıtkanlardır. Biyoseramiklerin Avantajları • Vücutta kimyasal kararlılık sergilerler • Çeşitli şekil ve porozite oranlarında üretilebilir • Yüksek basma mukavemetine sahiptir • Mükemmel aşınma özelliği sergiler • Apatit fazında üretilenler doğal kemiğin bileşimine ve yapısına benzemektedir • Isı ve elektrik geçirgenliği az olduğundan biyouyumluluğu yüksektir Biyoseramiklerin Dezavantajları • Sert • Kırılgan • Zor işlenebilir • Mekanik özellikleri düşük • Yoğunluğu yüksek Alümina (Al2O3) Alüminyum oksit (Al2O3) yani bilinen adı ile ‘alümina’, biyoinert seramik malzemelerin en önemli temsilcisidir. Alüminanın tek kararlı fazı olan αAl2O3, ‘korundum’ şeklinde adlandırılmakta ve biyomalzeme olarak yoğun bir ilgi görmektedir. Korundum doğal kristal yapısı içerisinde krom (Cr) iyonu empüriteleri içerirse ‘yakut’, titanyum (Ti) iyonu emprüteleri içerirse ‘safir’ ve klor (Cl) iyonu emprüteleri içerirse ‘zümrüt’ ismini almaktadır. Bu empürite çeşidine göre malzemenin rengi de farklılaşmaktadır. Yakut kırmızı, safir mavi ve zümrüt yeşil renktedir. Bir biyomalzeme konumundaki ilk denemesi Rock tarafından 1930’lu yıllarda yapılan alümina; günümüzde yüksek sıcaklık fırınları için refrakter malzemesi, yüksek voltaj yalıtım malzemesi vb. gibi ileri mühendislik ve teknoloji kullanım sahalarında rol almaktadır. Biyomedikal açıdan bilhassa yük taşıyıcı ortopedi protezleri ve diş implantı uygulamalarında fonksiyon gösterir. Alüminanın Özellikleri Vücut doku ve sıvıları ile iyi biyouyumluluk • Yüksek yoğunluk • Atomlar arasında kuvvetli seramik bağların bulunduğu kristal yapısı • Yüksek sertlik • Yüksek basma mukavemeti • Yüksek elastik modül • İyi yorulma dayanımı • Çok iyi triboloji özellikleri • Yüksek kimyasal kararlılık) • Isı ve elektrik iletkenliğinin zayıf olması (iyi bir yalıtkan) • Yüksek ergime sıcaklığı ve düşük termal genleşme katsayısı α = ~ (9 x 10-6 ºC-1) • Alerjik, toksik ve kanserojen etkiler göstermeme • Islatılabilir (hidrofilik) ve son ürün hali için kolayca hazırlanabilen yüzey Zayıf çekme mukavemeti (gevrek yapı) • Zayıf kırılma tokluğu Alüminanın Genel Özellikleri Fiziksel Özellikleri Yoğunluk 3,9 gr/cm3 Su Absorbsiyonu %0 Mekanik Özellikler Sertlik 9 mohs Çekme Mukavemeti 240 MPa Elastik Modül 340 GPa Basma Mukavemeti 2500 MPa Poisson Oranı 0.22 Elektriksel Özellikler Elektriksel Direnci 1.00e + 14 ohm cm Dielektrik Sabiti 9.6 Dielektrik Mukavemeti 9.00kV/mm Termal Özellikler Termal İletkenlik 25.0 W/m-K Alüminanın Biomekanik Özellikleri Avantajları • Dokuya bağlanma mekanizması olarak biyoinert (kemikle veya diğer dokularla reaksiyona girmez) grubundadır. • Yüksek yoğunluk ve yüksek saflığa (>%99,5) sahiptir. • Yüksek dayanım ve iyi biyolojik uyum özelliğine sahiptir. • Mükemmel aşınma ve sürünme özellikleri sergiler. • Radyoaktik özellik taşımaz. Dezavantajları Alüminayı sınırlandıran en önemli dezavantajı, düşük eğme mukavemeti ve düşük tokluk özelliğidir. Biyolojik uygulamalarda Alümina; mükemmel biyolojik uyumluluğa ve dokuların duyarsızlığına yol açan inertliği nedeni ile diğer malzemelere nazaran daha avantajlıdır. Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları 1. Kalça Protezler Alümina, en çok kalça protezlerinin yapımında kullanılmaktadır. -Al2O3 1600-1700C’de presleme ve sinterleme sonrası elde edilir. 1 2 3 1. 2. 3. 4. Sentetik polimer Seramik (Al2O3) Metal Kompozit 4 Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları 2. Diş İmplantları/Protezleri • Alümina, dişçilikte dolgu malzemesi, altın-porselen kaplama ve protez parçaları olarak yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. • Diş tedavisi dışında da sert doku implantı olarak kullanım alanı bulmaktadır. Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları 3. Kemik Vidaları ve Bağlantı Elemanları Çekmeye göre daha yüksek basma mukavemeti olması dolayısıyla yapay eklemler ve dişler gibi basma yüklemesine maruz kalan uygulamalar için ideal malzemelerdir. Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları 4. Kemik Eklemleri Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları 5. Orta Kulak Kemik Uygulamaları Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları 6. Çatlak ve Kırık Kemiklerin Onarımında ve Metalik Biyomalzemelerin Kaplanmasında Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları Literatürden Güncel Örnekler 1. 2. 3. 4. 5. 6. Diş implantları için zirkonya takviyeli alümina kompozitlerinin mekanik özellikleri araştırılmıştır. Alümina parmak implantlarının ön çalışmaları ve klinik araştırmaları yapılmıştır. Sol-gel yöntemiyle paslanmaz çeliklerin üzerine alümina kaplanarak yapısal karakteristiği ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Yapay alümina kemiklere Ca, Mg ve Cr elementleri takviye edilerek sisteme olan etkileri incelenmiştir. Bioaktif cam-alümina kompozitlerinin in vitro özellikleri araştırılmıştır. Farklı kristal yapıdaki alümina tozlarının vücut sıvısı içindeki zeta potansiyeli değişimi incelenmiştir.
