1. giriş - Erciyes Üniversitesi Akademik Bilgi Sistemi

ÖZET
Tıp alanındaki gelişmelerden dolayı biyomalzemelerin kullanımı dünya genelinde sürekli
artmaktadır. Bu malzemeler olmadan yaşam kalitesi biraz daha düşük ve beklenen yaşam süresi de
büyük olasılıkla daha kısa olacaktı. Bu dersin amacı malzeme bilimi ve mühendisliği öğrencilerinin
biyomalzemeler konusunda akademik farkındalığını oluşturmak ve geliştirmektir. Ders konuları
biyomalzemeler, karakterizasyon, biyouyumluluk, biyobozunurluk, toksitise üzerinde yoğunlaşacaktır.
Dersin bir çıktısı olarak öğrencilerin biyomalzeme kavramını ve özelliklerini anlaması beklenmektedir.
1.
GİRİŞ
Biyomalzemeler, son 60 yıldan beri çeşitli medikal uygulamalarda kullanılan özel malzemelerdir.
Ana uygulama alanları eklem (mafsal) değiştirme (replacement, “replasman”), kan damarı protezleri,
kemik plakaları, kemik çimentosu, kalp kapakçıkları, yapay ligament ve tendonlar, diş implantları, deri
onarım cihazları, kontak lensler ve koklear (kulak) uygulamalarıdır. Biyomalzeme uygulamalarında ana
konu malzemenin vücut ile biyouyumlu olması ve mekanik olarak gerekli dayanımı gösterebilmesi ve
bunun vücuda yerleştirilmeden önce doğrulanabilmesidir. Biyomalzemelerin piyasaya sürülebilmesi
için çoğunlukla yeni üretilen ilaçların pazarda yerini almadan önce sağlaması gereken şartlara tabidir
(bkz. FDA). Bu derste öğrenciler burada bahsedilen konular hakkında daha detaylı bilgiler edinecektir.
Biyomalzemeler metal veya alaşımları, seramik, polimer ve kompozit malzeme formunda
olabilirler. Şekil 1’de çeşitli medikal amaçlarla kullanılan değişik biyomalzemeler gösterilmektedir.
Metal ve alaşımları sahip oldukları mükemmel mekanik, yüzey ve termal özelliklerinden dolayı
biyomalzeme olarak kullanılmaktadır. 316L paslanmaz çeliği, Ti esaslı alaşımlar, Cr esaslı alaşımlar,
Ni esaslı alaşımlar, Au, Ag ve Pt esaslı metal ve alaşımlar ve amalgamlar (Hg, Ag ve Sn) metalik
biyomalzemeler arasında yer alan bazı metallerdir. Metalik malzemelerin özellikleri tane boyu ve şekli,
yüzey pürüzlülüğü ve kristal yapıda yer alan kusurlar ile ilişkilidir. Bununla birlikte, bazı çalışmalar
metallerin yüzeylerinin aktifleşebildiğini ve doku veya organ ile etkileşime girerek zehirleyici (toksik)
korozyon ürünleri çıkarttıklarını göstermiştir.
Seramik biyomalzemeler (biyo-seramikler) oldukça yüksek biyo-uyumluluğa sahip ve çeşitli üstün
özellikler sergilemektedirler.
•
Eklem (mafsal) veya doku replasmanları için yapısal fonksiyonlara sahiptirler.
•
İmplantın
biyo-uyumluluğunu
artırmak
amacıyla
kaplama
malzemesi
olarak
kullanılabilirler.
•
Üzerlerinde hücre ve doku gelişmesi/büyümesine imkân tanıyabilirler.
•
Bazı vücut parçalarının tümüyle yerine kullanılabilirler.
Daha iyi kimyasal ve termal kararlılık, mukavemet, aşınma direnci ve dayanıklılık seramikleri
cerrahi implantlar için iyi bir aday malzeme haline getirmektedir. Seramiklerin başlıca dezavantajı
oldukça gevrek/kırılgan olmaları, düşük çekme mukavemetine sahip olmaları ve kullanım esnasında
kırılabilmesi ve onarılamamasıdır. Hidroksiapatit (hydroxyapatite), alümina, zirkonya, kalsiyum
fosfat, çözünmeyen cam, biyoaktif cam, porselen ve karbon seramik biyomalzemeler için
verilebilecek bazı örneklerdir. Biyoseramikler yapılarında yüksek poroziteye (gözeneklilik)
sahiptirler. Bu, doku ve hücrelerin gelişimi ve imlant ile entegrasyonu açısından önemli bir
parametredir, şekil 2.
Polimerik biyomalzemeler oldukça çeşitli medikal uygulamalarda kullanılmalarına imkân sağlayan
geniş bir aralıkta fiziksel, kimyasal, fizikokimyasal ve biyolojik özellikler sergilemektedirler. Bunlar,
kimyasal yapılarına ve uygulamaya bağlı olarak, hem biyo-uyumlu hem de biyo-bozunabilir olabilirler.
Bunlarla sınırlı olmamakla birlikte; ultra-high molecular weight polyethylene, polymethylmethacrylate, poly(etheretherketone), polytetrafluoroethylene, polyethleneterephthalate, polyvinyl
chloride, polyethylene, polypropylene, polimerik biyomalzemelere örnek olarak verilebilir. Biyobozunur polimerler polylactide (PLA), polyglycolide (PGA), polycaprolactone (PCL) ve bunların
kopolimerlerini içerirler. Kırılganlık, düşük çekme ve basma mukavemeti, çok miktarda kalıntı
oluşturan yüksek aşınma oranı bazı polimerik biyomalzemelerin kullanım alanlarını daraltmaktadır.
Kompozit biyomalzemeler, biyo-uyumlu matriks (reçine) ve karbon ve cam elyaf gibi sentetik
takviye elemanlarının üretilmesiyle şekillenen yeni bir malzeme sınıfıdır. Kemik, ahşap, diş minesi
(dentin), kıkırdak, kaplumbağa kabuğu, kuş tüyü ve deri gibi kompozit yapıda olan doğal
biyomalzemeler de mevcuttur. Bu malzemeler ilaç, gen ve DNA transferi ile doku mühendisliği, eklem
ve kemik replasmanı, kozmetik ortodonti (diş hekimliği), vb gibi alanlarda kullanılırlar. Bu malzemeler
genellikle vücudun canlı organizmalarının yapısını taklit ederler.
Şekil 3’de insan vücudunda çeşitli amaçlarla kullanılan biyomalzemeler ve kullanım yerleri
görülmektedir.
2.
BİYOMALZEME BİLİMİNİN KONULARI
Biyomalzeme bilimi ve mühendisliğinin kapsamında yer alan çok sayıda önemli konular vardır. Bu
ders kapsamında öğrenciler aşağıda bahsi geçen bu konular hakkında bilgi sahibi olacaklardır.
Toksikoloji: Aksi belirtilmedi sürece toksikoloji, biyomalzemelerin vücut içerisinde canlı hücre
veya organlar üzerindeki yan etkilerini inceleyen bir çalışma konusudur. Toksikoloji genellikle
belirtiler, mekanizma, tedavi ve bulgular ile ilgilenir. Bununla birlikte, kanser tümörleri gibi ölümcül
hastalıkları hedef alan ve hastalıklı hücrelerin yok edilmesini amaçlayan özellikle toksik olarak
tasarlanmış biyomalzemeler veya ilaçlar da mevcuttur.
Biyo-uyumluluk: Biyouyumluluk çoğunlukla biyomalzemenin vücut şartlarındaki davranışı ile
ilişkilidir. Doğrudan ölçülebilmesi zordur, bu yüzden implantlar ve “drug delivery systems” gibi özel
uygulamaların başarısı açısından değerlendirilir.
Biyo-bozunurluk: Biyo-uyumluluk basitçe, doğal ya da sentetik biyomalzemelerin, ardında her
hangi zararlı kalıntı bırakmadan vücut şartlarında ayrışması demektir. Bazı durumlarda bozunan
biyomalzemeler artlarında, hastalıkların tedavisi ve vücudun onarımı için kullanılabilecek faydalı
besinler bırakırlar.
Hedeflenmiş (hedefe yönelik) İlaç Dağıtımı (gönderimi): İlacın etkin olmasının istendiği yere
hedeflenmesi, ilaç yüklenmiş malzemenin damara enjekte edilip vücut içerisinde serbestçe dolaşımı ile
sağlanır. Harici bir kuvvet veya etki altında (örneğin manyetik etki, ultrason ses dalgası, elektrik alan,
ısı, ışık, X-ışını, pH veya makanik etki) bu ilaç yüklü malzemeler istenilen belirli bir bölgede tutulmaya
ve birikmeye başlar, daha sonra üzerinde yüklü bulunan ilaç moleküllerinin salınımı başlar. Damar veya
doku içerisinde malzemeden ilaç moleküllerinin salınımını sağlayan üç ana mekanizma vardır. Bunlar;
difüzyon, degregasyon (bozunma) ve difüzyon sonrası şişmedir (swelling).
İyileşme: Biyo-malzemelerin ana hususlarından biri de yerleştirildiği yerdeki fonksiyon kaybına
uğramış vücut kısmına yeniden eski fonksiyonunu kazandırabilmesidir.
Mekanik Dayanıklılık: Medikal uygulamalarda bir malzemenin en iyi seçenek olması için sadece
biyo-uyumlu olması yeterli değildir. Aynı zamanda yerine veya onarımında kullanılacağı kemik, doku
veya diğer biyolojik sistemlerin fiziksel özelliklerine benzer özelliklere de sahip olması gerekir.
Biyomalzemeler belirli standart özellikleri sağlamak ve çekme ve basma yükleri ile baş etmek
zorundadır. Bazı doğal ve sentetik biyo-malzemelerin mukayeseli özellikleri tablo-1’de görülmektedir.
Tabloda da görüldüğü gibi her bir malzeme farklı biyomedikal amaçlara yönelik uygulamalarda
kullanılmak üzere tercih edilmesinde belirleyici olan kendi özgün Young’s modülüne, yoğunluğuna,
çekme ve basma mukavemetine sahiptir. Nitekim, medikal uygulamadan önce biyo-malzemenin iyi
tasarlanmış ve test edilmiş olması gerekliliktir.
Biyo-malzemelerin Korozyonu: Vücut sıvıları her çeşit anyona (Cl-, HPO42- ve HCO3), katyona
(Na+, K+, Ca2+, ve Mg2+), organik maddelere (proteinler, enzimler), plazma, su ve çözünmüş oksijene
sahiptir. Bu nedenle vücut, metalik biyo-malzemelerin korozyonu için olası tüm şartlara sahiptir. Şekil
4 kalça eklemi protezinin baş kısmı ile boyun kısmı arasında meydana gelmiş bir korozyon oluşumunu
göstermektedir.
Biyo-malzemelerin Hasarı: Çeşitli biyomalzemelerin medikal kullanım için biyo-uyumluluk
gereksinimlerini karşılamasına karşın, maalesef, bazı biyo-malzemeler çok sayıdaki uygulamalarda
yeterli mekanik kararlılığı sergileyememektedir. Bu nedenle kalça operasyonlarının yaklaşık %7’sinde
ve diz operasyonlarının yaklaşık %10’unda 10 yıllık kullanımdan sonra yenilemek için revizyon
cerrahisi gerekmektedir. Biyo-malzemeler başta yetersiz mekanik dayanıklılık, yüksek yorulma, hasar
birikimi, aşınma ve bunlara bağlı olarak ortaya çıkacak çeşitli biyolojik tepkiler olmak üzere çeşitli
sebeplerle hasara uğrayabilirler. Şekil 4’te uzun bir kullanım periyodu sonrasında “degrade” olmuş bir
polimerik diz eklemi görülmektedir.