Öğrenci No: 162106110001 Ad-Soyad: İbrahim KURTEN ZBEÜ - Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü MMM423 Biyomalzemeler Ara Sınav Ödev 1. İdeal bir biyomalzeme hangi özelliklere sahip olmalıdır? Biyomalzemeler, vücudun hastalanmış veya hasarlı kısımlarının yerine geçmek üzere insan vücuduna yerleştirilen parçalarda kullanılır. Bu malzemelerin zehirli madde üretmemesi ve vücut dokusu ile uyumlu olması gerekir. Diğer bir ifadeyle sağlığa zararlı biyolojik reaksiyon meydana getirmemeleri gerekir. • • • • • • Biyomalzemelerin kullanımları sırasında deforme olmamaları ve korozyona uğramamaları gerekmektedir. Biyomalzemelerin toksik ve kanserojenözellikte olmaması gerekir. Mekanik dayanımlarının yeterli olması gerekir. Vücutta meydana gelen reaksiyonların dışında reaksiyonlara sebep olmaması gerekir. Biyomalzemelerin, iltihaplanma ve pıhtı oluşumu gibi dokuların normal değişimlerine engel olmayacak ve istenmeyen tepkiler oluşturmayacak özellikte olmalıdır. Biyomalzemeler, canlıdaki fizyolojik ortam tarafından kabul edilmeli ve biyouyumlu olması gerekmektedir. Biyomalzemelerin temel özelliklerini sayacak olursak; öncelikle fiziksel özelliklerini korumalı, kanserojen olmamalı, toksik olmamalı, alerjik olmamalı, uzun ömürlü olmalı, kullanım ömrü boyunca fonksiyonelliğini yitirmemeli, steril edilebilir olmalı şeklinde sıralayabiliriz. • • • • • • • • • • Fiziksel özellikleri kullanılacağı yere uygun olmalıdır. (mukavemet, elasitikiyet, dayanıklılık) İşlenebilir, Kolaylıkla sterilize edilebilir, Nonallerjenik, Nonkorozif, Nontoksik, Non-karsinojenik, Non-mutajenik, Ucuz ve üretimi kolay olmalıdır. Biyouyumlu olmalı, kimyasal açıdan inert ve stabil olması, yeterli mekanik kuvvete sahip olması, yoğun bir yaşama uyum gösterebilmesi, uygun ağırlık ve dansitede olması, büyük miktarlarda işlenebilme ve fabrikasyon kolaylığı göstermesi, ekonomik olması, 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 olmalıdır. 2. Biyouyumluluk ne demektir? Açıklayınuz. Biyouyumluluk, uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneğidir. Biyouyumlu malzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmamalı ve uyum sağlamalı, ayrıca dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu) meydana getirmemelidir. Biyomalzemenin organizma ile yüzey ve yapısal açıdan uyum sağlaması, organizmaya zararlı olmaması ve söz konusu eksikliği gidermesi olarak tanımlanabilir. Kedisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihap, pıhtı vb.) oluşturmayan malzemelerdir. Kısaca vücut ile uyuşabilirliktir. Yüzey uyumu: Biyomalzemenin vücut tarafından değiştirilmemesi, ortadan kaldırılmaması ve mikroçevre ile uyum sağlaması durumu olarak tanımlanabilir. Yapısal uyum: Biyomalzemenin mekanik özelliklerinin kullanıldığı anatomik lokasyonun mekanik özellikleri ile uyum sağlamalıdır. Biyouyumluluk; bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal, biyolojik uyumu ve vücudun mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur. Bir biyomalzemenin yaşayan yapıdaki fizyolojik ortam tarafından kabul edilmesi gerekir. Biyouyumluluk, kullanılacak malzemenin türüne yaşayan yapının neresinde, ne kadar süreyle kullanılacağına bağlı olarak değişmektedir. Örneğin; direkt kanla temas edecek malzemeyle, direkt kemikle temas edecek malzemenin biyouyumluluğu birbirinden çok farklı olacaktır. Vücudun bu malzemelere karşı verdiği tepkilerde son derece faklıdır. Vücut sıvılarının pH değeri 1 ila 9 arasında farklı dokulara göre değişmektedir. Yine hareketler esnasında kemikler değişken yük ve gerilime maruz kalır. Canlı dokuya yerleştirilen biyomalzemeler, yapının özelliklerine, hareketine esnekliğine bağlı olarak dokulardan sürekli tepki alırlar. Biyomalzemeler, insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamlarında kullanılırlar. Örneğin vücut sıvılarının pH değer farklı dokulara göre 1 ila 9 arasında değişir. Araştırmacılar, “biyomalzeme” ve “biyouyumluluk” terimlerini, malzemelerin biyolojik performanslarımı belirtmek için kullanmışlar. Biyouyumlu olan malzemeler, biyomalzeme olarak adlandırılmıştır. Biyouyumluluk; uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği olarak tanımlanmıştır. Biyouyumlu, yani ‘vücutla uyuşabilir’ bir biyomalzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu, vb) meydana getirmeyen malzemedir. Biyouyumluluk kısaca, malzeme ve vücut sıvılarının kimyasal etkileşimi ve bu etkileşimin fizyolojik sonuçlarının vücuda ne kadar zarar verip vermediğidir. Bir malzemenin biyouyumlu olması için bulunduğu canlıdaki fizyolojik ortam tarafından kabul edilmesi gereklidir. Bu yaklaşımlara rağmen biyouyumluluğun çok kesin bir tanımı yoktur. Çünkü kullanılan malzemenin vücudun neresinde ve ne amaçla kullanılacağı bu tanımı belirler. Direkt kanla temas edecek malzemeyle, direkt kemikle temas edecek malzemenin biyouyumluluk tanımları birbirinden çok farklıdır. Bazı araştırmacılar bu terimi biraz genişleterek biyomalzemenin yapısal ve yüzey uyumluluğunu ayrı ayrı tanımlamışlar. Yüzey uyumluluğu, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal uyumluluk ise, malzemenin vücut dokularımın mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur. 3. Doku-implant etkileşimi hakkında bilgi veriniz. İmplant ve doku arasında oluşan ve yapışmayan fiberimsi hücreler implantı dokudan izole ederek koruyucu bir mekanizma oluşturur ve zamanla bütün implantı kaplar. Metal ve polimerik implantlar genellikle bu fiberimsi kapsül arayüzeyini oluştururlar. Arada oluşan bu kapsülün kalınlık değeri malzemenin biyoinert olma derecesine bağlıdır. Zirkonya ve alümina gibi malzemelerde oluşan bu fiberimsi yapının kalınlığı metalik implantlarda gözlenenlere oranla daha düşüktür. Biyonert malzemelere örnek olarak alümina, zirkonya, pirolitik karbonlar, titanyum ve titanyum dioksit verilebilir. Bu malzemeler yüke maruz kalan uygulamaların ve statik uygulamaların her ikisinde de kullanılmaktadır. Doku tarafı Doku tipi Doku yaşı Doku sağlığı Doku içi kan sirkülasyonu Ara yüzey hareketliliği Ara yüzey kan sirkülasyonu Boyutlar arası uygunluk Mekanik yükleme İmplant tarafı implant bileşimi implantdaki faz sayısı Faz sınırları Yüzey morfolojisi Yüzey gözenekliliği Kimyasal reaksiyon Boyutlar arası uygunluk Mekanik yükleme Tablo 1. implant-doku ara yüzey ilişkisini etkileyen faktörler Canlı dokuya yerleştirilen tüm malzemeler, bu dokudan tepki alırlar. Bu tepki doku-implant ara yüzeyinde oluşur ve aşağıda sıralanan çeşitli faktörlere bağlı olur. 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 yap›daysa, çevresindeki doku, implantın yerini alır. Biyoseramiklerin türüne bağlı olarak gözlenen doku cevapları farklı olur. Ayrıca Tablo 1’de yer alan diğer faktörlerin de bu cevaplardaki etkisi unutulmamalıdır. Seramik implantların en ilgi çekici özelliklerinden biri, doku için zehir etkisi oluşturmamalarıdır. Dokuların çok karşılaşılan bir tepkisi de, dokunun implant çevresinde ipliksi bir kapsül üretmesi ve bu ipliksi doku, organizma tarafından implanta karşı bir duvar örmek için veya implantı izole etmek için üretilir. Kısacası, bir çeşit korunma mekanizmasıdır ve implant, zamanla ipliksi doku ile tamamen kaplanarak doku yüzeyinden uzaklaştırılır. Metaller ve çok sayıda polimer, bu çeşit bir tepkiye neden olurlar. Alümina ve zirkonya gibi hemen hemen inert sayılabilecek seramikler de, ara yüzeyde ipliksi doku oluşumuna neden olurlar. Ancak, optimum koşullarda bu doku son derece incedir. Kimyasal reaktifliği çok yüksek olan metal implantlardaysa daha kalın ara yüzey tabakaları oluşur. Ara yüzeydeki uyumluluk ve hareketlilik de tabakanın kalınlığını büyük ölçüde etkiler. Üçüncü bir doku tepkisiyse, implantla doku arasındaki ara yüzeyde bağlanmanın gerçekleşmesidir. Bu yüzey, “biyoaktif yüzey” olarak adlandırılır. Bağlanma, implantla doku arasındaki hareketliliği engeller, ayrıca implantın vücut tarafından dışlanması da engellenmiş olur. Dördüncü tür etkileşimdeyse, implant malzeme, onarım işlemi tamamlandığında çözünür ve kendisini çevreleyen doku tarafından emilerek yok edilir. Bu nedenle emilebilir (rezorbe edilebilir) cinste biyomalzeme kullanıldığında, bu malzemenin vücut sıvılarınca kimyasal açıdan parçalanabilir yapıda olmasına dikkat edilmelidir. Bozunma ürünleri de zehirli olmamalı ve hücrelere zarar vermeden dokudan uzaklaştırılmalıdır. Alümina ve zirkonya, çok iyi mekanik uygunluk sağlayacak şekilde dokuya yerleştirildiklerinde (morfolojik sabitleme) ara yüzeyde hareket oluşmayacağından, klinik açıdan başarılı olacaklardır. İmplant ve doku arasındaki üremeye bağlı olarak artan ara yüzey alanı, implantın hareketine karşı artan bir direnç oluşturur. İmplant olarak gözenekli metal kullanıldığında, büyük ara yüzey alanı doku içerisinde metal iyon kaybına ve metal implantın korozyonuna neden olabilmekte ve bu da tıbbi açıdan sorunlara yol açar. Ancak, yüksek gözeneklilik her tür malzemenin dayanımını düşürür. Sonuç olarak, metal alaşımlar üzerine gözenekli seramik kaplamalar ve dokulardaki boşlukları doldurucu malzemelerin kullanılması, ara yüzey kararlılığını sağlamak için en uygun yaklaşım olur. Yaşam kalitesinin de azalmaması için hasarlı dokunun yerine sağlamının yerleştirilmesi önem kazanmıştır. Bu da iki şekilde mümkün olmuştur. Transplantasyon (nakil) ve implantasyon (yerleştirme)dur. Transplantasyonda, hastanın kendi dokusu, başka bir insandan ya da hayvandan alınan dokuların kullanımı söz konusu iken implantasyondaysa biyomalzemeler kullanılmaktadır. Ancak tüm implantların ömürleri sınırlıdır. Özellikle implantların dokulara biyoaktif olarak sabitlenmesi, ortopedik protezlerin ömrünün uzamasında çok etkili olmuştur. 4. Biyomalzemeleri sınıflandırarak her biri hakkında bilgiler veriniz A. Metaller-Alaşımlar Biyometaller, çok sert olmaları, yüksek yoğunluğa sahip olmaları dezevantajlarının yanında kristal yapıları ve mekanik özellikleri sebebiyle özellikle ortopedik uygulamalarda eklem protezlerinde ve kemik yenileme malzemesi olarak kullanımlarından dolayı pek çok avantaja sahiptir. Metalik biyomalzemeler, temas halinde olduğu yapıyla kimyasal reaksiyona girerek korozyona uğrayabilirler. Metal protezlerin biyouyumluluk durumu vücut içerisinde korozyona uğramalarıyla alakalıdır. Biyometallerin çelik, altın, titanyum ve titanyum alaşımları, kobalt ve alaşımları diş implantlarında, çene cerrahisinde, yapay kalp parçaları, kateter gibi pek çok tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Metalik biyomalzemeler aynı zamanda teşhis ve tedavi amaçlı biyomedikal cihaz üretimde de geniş bir yere sahiptir. Kristal yapıları ve sahip oldukları güçlü metalik bağlar nedeniyle üstün mekanik özellikler taşıyan metal ve metal alaşımları biyomalzeme alanında oldukça fazla kullanılır. • Avantajları • Yüksek güçtedirler. • Eskimeye ve yorulmaya direçleri yüksektir. • Üretimi ve sterilizasyonu kolaydır. • Şekil hafızası • Dezavantajları • Biyouyumlulukları düşüktür, • Dokulara göre çok serttirler, • Yüksek yoğunluğa sahiptirler, •Alerjik doku reaksiyonlarına neden olabilecek metal iyonu salımı yapabilirler • Metalik görünüm • Yüksek modüller • Korozyona uğrayabilirler. B. Seramikler Vücudun zarar gören veya işlevini yitiren organlarının onarımı, yeniden yapılandırılması veya yerini alması için özel tasarımlı seramiklerin geliştirilmesi ve kullanımıyla gerçekleşmiştir. Bu amaçla kullanılan seramikler, “biyoseramikler” olarak adlandırılırlar. Sağlık sektöründe çok çeşitli uygulamaları olan inorganik malzemelerdir. Özellikle termometreler, gözlük camları, endoskopide kullanılan fiber optiklerin yapımında kullanılırlar. Bunların yanı sıra dişçilikte dolgu malzemesi olarak da çok yaygın kullanılmaktadır. Biyoseramikler kemik kaplama, kemik yapıştırma, kemik dokusuna girme özelliklerinden dolayı klinikte tercih edilen malzemelerdir. Dental biyoseramikler sert doku implantı olarak dişçilikte dolgu malzemesi olarak kullanılan sert bağ dokusunun tamiri veya yenilenmesinde restoratif olarak sık kullanılan materyallerdir. Biyoseramikler, biyoinert ve biyoaktif olmak üzere iki grupta incelenir. • Biyoaktif seramik doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin veren seramik malzemedir. • Biyoinert seramiklerin doku ile etkileşimleri mekanik bağ şeklindedir. Mekanik bağ, malzemenin dokuyu değiştirmeden doku bir arada tutabilmesi anlamına gelir. Biyoseramikler; polikristalin yapılı seramik (alümina ve hidroksiapatit), biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler veya biyoaktif kompozitler (polietilen-hidroksiapatit) şeklinde hazırlanabilmektedir. Seramikler polikristal yapısında olan refrakter malzemlelerdir. – Genellikle inorganik, – Oldukça inert, – Sert ve kırılgan, – Yüksek baskı dayanımına sahip, – Elektrik ve termal yalıtkanlıkları genellikle iyi olan – İyi estetik görünüm sahip malzemelerdir. Uygulamaları • – Ortopedik implantlar • – Dental uygulamalar Avantaj ve Dezavantajları • Yüksek baskı dayanımı • Yüksek aşınma ve korozyon dayanımı • Dental uygulamalar için oldukça iyi estetik görünüm • Biyoaktif / inert • Yüksek modül • Düşük kırılma sertliği • Zayıf yorulma dayanımı • Üretimi zor Cam-seramik camın kontrollü kristallendirilmesi ile hazırlanan polikristalik yapıda bir katıdır. Biyoaktiflik gösteren (kemik sistemde) ilk biyomalzemelerdir: • Konakçı doku ile direkt kimyasal bağlanma yapabilir. • Kemik yapıcı hücreler üzerinde uyarıcı etki yapar. • Bileşimi: SiO2, CaO ve Na2O • Biyoaktifliği SiO2, CaO ve Na2O’in bağıl miktarlarına bağlıdır. • Yük toleransı gerektiren uygulamalarda kullanılamaz. • Biyolojik aktifliğinden dolayı kemik çimento dolgusu ve kaplama malzemesi olarak idealdir. • • • Biyoseramiklerinen yaygın kullanım alanları Bel ve omuriliğe ait omurların onarımında Dişe ait hataların düzeltilmesinde Tam veya kısmi kalça parçalarında • • • • Solunum tüpleri olarak Orta kulakta küçük kemikler olarak Kalp kapakçıklarında Kemik vidaları, hastalanmış kemik kaybı boşluklarının doldurulmasında kullanılır. C. Polimerler Polimerler, içersinde karbon bulunan, uzun organik molekül zincirlerinden oluşurlar. Polietilen (PE), poliüretan (PU), politetrafloroetilen (PTFE), poliasetal (PA), polimetilmetakrilat (PMMA), polietilenteraftalat (PET), silikon kauçuk (SR), polisülfon (PS), polilaktik asit (PLA) ve poliglikolik asit (PGA) gibi tıbbi uygulamalarda kullanılan polimerler, çok değişik bileşimlerde ve şekillerde (lif, film, jel, boncuk, nanopartikül) hazırlanabilmeleri nedeniyle biyomalzeme olarak geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Polimerler fiziksel yapısı bakımından vücuttaki yumuşak dokulara benzer özellik gösterirler. Kıkırdak, cilt, damar ve lens gibi özel dokuya sahip bölgelerde, protez malzemesi olarak kullanılırlar. Özellikle diş hekimliği ve ilaç endüstrisi yoğun olarak kullanıldığı alanlardır. Aşağıda ortopedide biyomalzeme olarak kullanılan bazı polimer çeşitleri ve kullanım alanları tanımlanmıştır. Ancak, ortopedik alanda mekanik dayanımları zayıf olup, sterilizasyon işlemleri yapılırken (otoklavlama, etilen oksit, Co radyasyonu) polimer özellikleri etkilenebilmektedir. Küçük tekrarlanabilir birimlerin (mer) oluşturduğu uzun zincirli moleküller, Genellikle monomerler, karbon ve hidrojen atomlarından oluşur. Oksijen, klor, flor, silisyum, fosfor ve kükürt; polimerlerin yapısında bulunabilen diğer elementlerdir. Ana zinciri karbon yerine silisyum veya fosfordan oluşan polimerler de vardır (inorganik polimerler). Silikon, polifosfazenlerdir. Gelişmiş özellikler, düşük yoğunluk. Çeşitli formda kullanılabilirler: Lif, film, rod (çubuk), viskoz sıvı gibi. Avantaj ve Dezavantajları • Doğal ya da sentetik • Biyobozunur • Komplike parçaların üretimi kolay • Adapte edilebilir fiziksel ve mekanik özellikler • Yüzey modifikasyonu • Hücre vb. immobilizasyonu. • Yüzey kontaminasyonu • Eskime ve bozunma • Biyobozunma • Sterilizasyonu zor D. Kompozitler Kompozit, farklı iki ya da daha fazla sayıda malzemenin sınırlarını ve özelliklerini koruyarak oluşturduğu kompleks yapıdaki malzemelere denir. Kendisini oluşturan malzemelerin özelliklerini taşıdığı için güçlüdürler. Kompozitler, yüksek dayanıma sahiptir ve biyomekanik alanda kullanılanları genellikle kemikle uyuşan elastiklik modülüne sahiptirler, bu sebeple ortopedik uygulamalar için uygundurlar. Her bileşen biyouyumlu olmalıdır. Kompozitler, yüksek dayanıma ve düşük elastik modülüne sahiptirler. Ayrıca, kompozit malzemenin bileşimi değiştirilerek, implantın vücuttaki kullanım alanlarına göre mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlaması kolaylaştırılabilir. Kompozit malzemeler, homojen malzemelere oranla, yapısal uyumluluğun sağlanması açısından daha avantajlıdır. Kompozitlerin, korozyona direnç, metal yorgunluğunun ve metal iyonlarının salınımın görülmemesi ve kırılganlığın azalması gibi üstün yönleri vardır. Kompozitler, ortopedi ve diş hekimliği uygulamaları dışında yumuşak doku implantı olarak da kullanılırlar. Polimer kompozitler manyetik özellik taşımadıklarından, manyetik rezonans (MR) ve bilgisayarlı tomografi (CT) gibi görüntüleme sistemleriyle uyumludurlar. Metal alaşımları ve seramikler radyo-opak olduklarından X-ışınları radyografisinde problem yaratırlar. Oysaki kompozit malzemelerde radyo-şeffaflık ayarlanabilir. Hafif oluşları ve üstün mekanik özellikleri göz önüne alındığında, kompozitler bu tür görüntüleme cihazlarının yapısal bileşenleri olarak son derece uygundurlar. 5. Biyomalzemelerin üretim yöntemleri hakkında bilgi veriniz. Hangi işlev için kullanılacak olursa olsun bir biyomalzemenin üretimi, birbirinden ayrıntılı basamaklar takip edilerek gerçekleştirilmektedir. Söz konusu süreç; • • • • • • • • • • Malzemede kullanılacak hammaddeler ve özelliklerinin incelenmesi Malzemenin en fonksiyonel şekilde tasarlanması ve yerleştirileceği vücut dokularıyla uyumluluğunun araştırılması Malzemenin üretimi için uygun yöntemin belirlenmesi ve üretimin yapılması Vücut sıvılarına çok benzeyen bir iyon bileşimine sahip olan çözeltiler kullanılarak ürüne gerekli vücut dışı (in-vitro) karakterizasyon analizlerinin (stimulated body fluid-SBF/yapay vücut sıvısı testi) uygulanması Etik kurul kararı ile vücut içi (in-vivo) testlerin tatbik edilmesi amacıyla öncelikle bir denek hayvanında ve alınan sonuçlara bağlı olarak daha sonra gönüllü hastalar üzerinde malzemenin denenmesi şeklinde ilerlemektedir. Biyomalzemeler temel olarak tıbbi uygulamalarda kullanılmalarına karşın, biyoteknolojik alanda da kullanılmaktadır. 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.
