Biyomalzemelerde Seçme Konular
advertisement
26.10.2016 Biyomalzemelerde Seçme Konular Doç. Dr. Atilla EVCİN • • • • • • • • • • • • Ders İçeriği Biyomalzemelere Giriş Biyomalzemelerin Sınıflandırılması – Biyoinert malzemeler – Biyoaktif malzemeler – Biyobozunur malzemeler Biyomalzemelerin Özellikleri Biyomalzeme Doku Etkileşimi Biyouyumluluk kavramları – Biyomalzemelerdeki hatalar ve Biyouyumluluktaki zorluklar – Biyomekanik ve biyokimyasal uyumluluk Biyouyumluluğun Karakterizasyonu ve Değerlendirilmesi – ISO 10993 – In vivo ve In vitro Testleri Metalik Biyomalzemeler Polimerik Biyomalzemeler Seramik Biyomalzemeler Kompozit Biyomalzemeler Kaplamalar Biyomalzemelerin Uygulama Alanları Biyomalzemelerden istenen özellikler • biyolojik yönden uyumlu olması, • Toksik (zehirleyici) ve karsinojenik (kansere neden olan) olmaması, • kimyasal açıdan inert ve stabil olması, • yeterli mekanik kuvvete sahip olması, • yoğun bir yaşama uyum gösterebilmesi, • uygun ağırlık ve yoğunlukta (dansite) olması, • büyük miktarlarda işlenebilme ve fabrikasyon kolaylığı göstermesi, • ekonomik olması • Biyomedikal ürün insanlar için güvenli midir ? • İstenen fiziksel ve mekanik özelliklere sahip midir ? • İstenmeyen biyolojik etkileri var mıdır ? – Lokal hücre ölümü, tahriş – Sistemik etki, toksisite 1 26.10.2016 BİYOMALZEME DOKU/BİYOLOJİK ÇEVRE • Biyomalzeme etkileri bir doku tepkisini tetikler • Doku tepkisi bir biyomalzeme etkisi oluşturur • Bu çevrim dengeye ulaşana veya biyomalzeme çıkartılana kadar devam eder. Biyomalzeme üzerine yerleştirildiği yerin (host) etkisi • Fiziksel ve Mekanik etkiler – – – – – Aşınma Yorulma Gerilmeli korozyon çatlaması Korozyon Dejenerasyon ve çözünme • Biyolojik etkileri – Dokulardan maddelerin emilmesi – Enzimatik bozunma – Kireçlenme (kalsifikasyon) • • • • • • Metallerin hasarı Korozyon Kırılma Aşınma Akma Kayıp Enfeksiyon Polimerlerin hasarı • Biyobozunmaz • Biyobozunur • • • • • – Polyethylene oxide/polyethylene tetraphalate (PEO/PET) – Polyglycolic acid (PGA) and polylactic acid (PLA) – Polylysine and poly(glutamic acid) Uygulamaları : yapıştırıcılar dikişler İlaç taşıyıcılar iskeleler 2 26.10.2016 Seramikler • Seramiklerin üç tipi – Neredeyse inert (alümina, pirolitik karbon) – Tamamen emilebilir (kalsiyum fosfat) – Kontrollü yüzey aktiviteli, dokuya bağlı (cam seramikler) Lokal Host Reaksiyonu • Kan - malzeme etkileşimleri – – – – – – – protein adsorpsiyon, Koagülasyon , Fibrinoliz trombosit aktivasyon Kompleman aktivasyonu lökosit yapışma Hemoliz ▪ Toksisite ▪ Normal iyileşme Modifikasyonu – Kapsülleme – Yabancı cisim reaksiyonu ▪ Enfeksiyon ▪ Kanser yapıcı olma durumu ▪ Biyomekanik uyumluluğu Biyomekanik uyumluluk BİYOMALZEME • Lokal etkileri • Sistemik etkiler • Örnekler : – – – – DOKU/BİYOLOJİK ÇEVRE Lokal doku tepkisi İmmünolojik etkiler Biyomekanik uyumluluk Kanser yapıcı olma durumu (Carcinogenicity) İmplant şekil etkisi Yüzey etkisi Dokudaki yüzey porozitesinin etkisi Osteoblastlar, geleneksel numune ile kıyaslandığında nanofazlı kaba bir yüzeye daha iyi yapışırlar. 3 26.10.2016 Sistemik Toksisite • • İmplant alanından uzak toksisite Nedenler • Belirtiler – – – – – Kimyasal toksisite Aşınma ürünlerinin birikimi Korozyon ve bozulma Aşırı iltihaplanma Bağışıklık tepkisi – – – – – Genel: şişme, kaşıntı, döküntü, hapşırma Akciğerler: solunumun değişmesi Böbrekler: idrar atılımınının değişmesi veya ağrı Eklemler: ağrı şişlik, fonksiyon kaybı Sindirim sistemi : ishal veya kabızlık Biyomalzeme-Biyouyumluluk İlişkisi • Fizikokimyasal özelliklerin yarımda istenen biyolojik özellikleri taşımayan biyomateryalin başarısından söz etmek imkansızdır. • Malzemenin organizmaya uygulanışı doku-malzeme etkileşmesini de beraberinde getirmektedir. Bu konuda birçok araştırma yapılmıştır. • Çalışmaların odak noktası ise istenmeyen doku etkileşimlerinin nasıl ortadan kaldırılıp en aza indirilebileceği olmuştur. Bu nedenle, kimyasal ve fiziksel yönden inert, ayrıca da biyouyumlu malzemelerin tasarlanması önemlidir. • Kıkırdak, kemik, periodontal (dişeti) doku gibi birçok doku tipinin temel madde ekstraktlarının kollajen gibi doğal maddeler kullanılarak yeniden yapılabileceği in vivo olarak gösterilmiştir. • Ancak doğal maddelerin mekanik kuvvetlerinin yetersiz olması üretimlerini zorlaştırmaktadır. • Vücut dokuları ile temas eden biyomateryal ve sistemlerin (kateterler, kontak lensler, ekstrakorporeal (vücut dışı) sistemler ve diyaliz membranları) klinik uygulamaları modern tıpta hatırı sayılır derecede önemlidir. Testler 1. Fizikokimyasal ve Mekanik Testler 2. Biyolojik Testler – – – – – – – – Hücre Toksisitesi Sistemik Toksisite Tromboz Oluşumu Osmotik Kırılganlık Öldürücülük İntracutanToksisite Deri İrritasyonu Hemoliz 4 26.10.2016 Biyomateryallere ve medikal sistemlere uygulanan fizikokimyasal ve mekanik testler 1.grupta ön testlere yer verilmiştir. Bunlar, uygulaması oldukça basit testlerdir ve yeni biyomateryallerin özelliklerini az da olsa meydana çıkarmada ihtiyaç duyulan testlerdir. 2.grupta ise daha gelişmiş testlere yer verilmiştir.Bunlardan birkaç tanesi spesifik sistemler için ihtiyaç duyulabilecek testlerdir. Biyolojik Testler • Medikal sistemlerin güncel kullanımında biyolojik performansım önceden belirlemede, kullanılabilecek in vitro ve in vivo testler vardır ve geliştirilmektedir. • Bu testlerin çoğu kullanılması düşünülen medikal ürünün herhangi bir potansiyel toksisite olasılığını belirlemek içindir. • Yapılacak uygulama için testlerin uygun seçimi, anlamlı sonuçların bulunması ve gereksiz harcamalardan kaçınmak için önemlidir. • İmplante edilebilen ilaç salım sistemlerinin araştırma ve geliştirmelerinde bunların etkinlik ve güvenilirliklerinin belirlenmesinde in vivo biyouyumluluk çalışmaları çok önemli rol oynamaktadır • Bu testler materyalin kendisinde ve sistemde yapılmaktadır. Testlerin birçoğunda çeşitli sıvılardaki sistem veya araçların ekstresi kullanılmaktadır. Bu işlemde test ortamı olarak en sık kullanılan yapay vücut sıvıları; enjeksiyonluk su, serum fizyolojik, alkol: serum fizyolojik, polietilen glikol, pamuk tohumu yağı, yapay ekstrasellüler sıvıdır . • Sıcaklık parametreleri; 37°C ± 1 °C için 120 saat 50 °C ±2°C " 72 " 70 °C ±2°C " 24 " 121°C ±2°C " 2 " 5 26.10.2016 Hücre Toksisitesi (zehirlenmesi) Tromboz Oluşumu • Kültürü yapılmış hücrelere materyalin, sistemin veya bunların ekstrelerinin uygulanması sonucunda oluşabilecek in vitro toksisite tayin edilebilmektedir. Test tekniklerinin çeşitliliği yönünde çalışmalar yapılmaktadır. Aşağıda verilen testler hücre toksisitesini belirlemede uygulanabilmektedir. • Agara yayma Yöntemi • Doğrudan Temas Yöntemi • Hücre Büyümesinin Önlenmesi Yöntemi • Hücre Büyümesi Yöntemi • Tromboz ve hemoliz, materyallerin kan ile uyumsuzluklarının en açık ve bilinen göstergesidir. • Tromboz oluşumu genellikle özel hazırlanmış in vitro , in vivo veya ex vivo uygulamalarla statik veya dinamik şartlarda yapılmaktadır. Sistemik Toksisite Osmotik Kırılganlık • Materyal ekstresinin direk in-vivo uygulanmasıyla fare veya diğer hayvanlarda sistemik toksisite belirlemeleri yapılabilir. • Örneğin fareye in-vivo yolla bilinen dozlarda farklı ekstreler enjekte edilerek, sonuçta toksisite, ölüm veya farklı belirtilere bakılarak değerlendirme yapılmaktadır. • Eritrosit membranları ile temasta olan komponentlerin etkileşimlerinin çok hassas, kesin ve tekrarlanabilir ölçümüdür. • Temasta olan komponentler doku kültürü testleri ile belirlenenden daha az boyut ve miktarlarda bu şekilde belirlenebilmektedir. • Genellikle tavşan kanından elde edilen eritrosit süspansiyonu, materyal ekstresi ile karıştırıldıktan sonra kalan sağlam hücreler sayılarak etkileşim derecesi belirlenmektedir. Tromboz, damar içinde bir kan pıhtısının oluşması ve böylece kan akışını engellemesi durumuna verilen isimdir. 6 26.10.2016 İntrakutan (cilt içi) Toksisite • Alyuvarın tıbbi ismi : eritrosit, omurgalı hayvanlarda akciğer veya solungaçlardan vücut dokularına oksijen taşınmasında başlıca araçtır. • • Test materyali ve toksisitesi bilinen madde tavşana enjekte edilir. Enjeksiyon bölgesi enjeksiyonları 24, 48, 72 saat sonra doku kızarıklığı ve ödem yönünden gözlenir. • Test edilen materyal ekstresinin ortalama doku reaksiyonu bilinen madde ile mukayese edilmesi ile yapılır. Öldürücülük Deri İrritasyonu (tahriş) • Materyalin öldürücülük değeri onun germ hücrelerin mutasyonuna sebep olan potansiyeli olarak belirtilir. Ames testinden modifiye edilmiştir. • İn vitro olarak uygulanır ve en sık kullanılan metoddur. • Biyomateryalin irritan (tahriş edici) özelliğinin olup olmadığı onun tavşan derisine temasıyla belirlenebilmektedir. 7 26.10.2016 Hemoliz • Hemoliz eritrositlerin (alyuvarların) büyük boyutlarda yıkımıdır. Hemoliz sonucu bir tür anemi olan hemolitik anemi oluşur. • Materyalin toksik etkisine bağlı olarak hemolitik aktiviteleri ile ilgili çeşitli metotlar çalışmalarla geliştirilmektedir. Genellikle hemoliz ölçümü kanın serbest plazma globulin içeriğinin artmasıyla yapılmaktadır. • Tüm kritik tıbbi sistemlerin sonuçta hayvanlar üzerinde etkinlik ve güvenilirlik belirlemesi çalışmaları yapılmaktadır. • Biyomalzemelerin olabilmesi, – – – – – vücut içerisinde başarılı malzeme özellikleri, tasarım ve malzemenin biyouyumluluğunun yanı sıra, cerrah tarafından uygulanan teknikler, hastanın sağlığı ve durumu, hastanın aktiviteleri gibi mühendisin kontrolünde olmayan etkenlere de bağlıdır. • Biyouyumluluk bir implantın hem onu çevreleyen dokular hem de vücudun bütünü tarafından benimsenmesi gerekliliğine dayanır. • Biyouyumlu malzemeler çevrelerindeki yapılara zarar vermez, anormal iltihap oluşturan tepkilerine neden olmaz, alerjik veya bağışıklık sitemini etkileyecek reaksiyonları tetiklemez ve kansere yol açmazlar. • Biyomalzeme kullanılarak üretilmiş bir implantın işlevselliğinde öneme sahip diğer uyumluluk parametreleri ise – (1) mukavemet, tokluk ve yorulma özellikleri gibi mekanik özellikler; – (2) eğer malzeme göz, cilt veya dişlerde kullanılacaksa uygun optik özellikler ve – (3) uygun yoğunluktur. • Söz konusu implantın sterilize edilebilir olması, üretilebilirliği, uzun süre muhafaza edilebilme koşulları ve uygun mühendislik tasarımı da göz önünde bulundurulmalıdır. 8 26.10.2016 Metalik İmplantların Korozyonu • Korozyon metalin çevresiyle istenmeyen kimyasal reaksiyonudur. • İnsandaki doku akışkanları, klor,hidroksit gibi farklı iyonları, proteinleri, çözünmüş oksijeni ve suyu içerir. • Bunun sonucu insan vücudu implantasyon için kullanılan metallere çok agresif bir çevre sunar. • Çözeltide iyon içeren elektrolit elektrik devresini tamamlama görevini görür. • Anyon = anoda doğru hareket eden negatif iyon anode • Katyon = katoda doğru hareket eden pozitif iyon 33 35 Korozyonun Temeli • Anotta metal değerlik elektronunu kaybederek yükseltgenir M → M+n + ne• Katodda: M+n + ne- → M • Korozyon bir maddeden diğerine elektron transferini içeren elektrokimyasal bir prosestir. • İki çift reaksiyon içerir : – Oksidasyon (Yükseltgenme- elektron üretir) – Redüksiyon(İndirgenme-elektron tüketir) • Metal atomları iyonize olur ve pul pul veya çözünür bir bileşik oluşturmak üzere çözeltiye geçtiğinde korozyon meydana gelir. 34 36 9 26.10.2016 Korozyon nerede meydana gelir ? • Birbiriyle temas halindeki benzer olmayan iki metal bölgesinde – Benzer olmayan metallerin (karıştırılmış metaller) implantasyonundan kaçınılmalıdır. Çünkü : • Galvanik korozyon meydana gelebilir • Galvanik seride en negatif olan anot olacaktır ve diğer biri katot olacaktır. • Malzeme homojenliğinde değişikliğin olduğu bölgelerde. – Tek bir madde içinde meydana gelir. – Tane sınırları, tane içlerine göre anodiktir. – Malzemede çatlak ; matris katod olacaktır, çatlak anod olacaktır. 37 39 • Galvanik seriler deniz suyunda metalin korozyonuna dair elde edilen verilerden geliştirilmiştir. • İnsan vücudunda bulunana benzer tuz çözeltisindeki farklı metallerin bağıl aktivitesinin iyi bir gösterimidir. 38 10 26.10.2016 Korozyon Tipleri • ÜRETİM SIRASINDAKİ HATALAR NEDENİYLE KOROZYON. – Aralık korozyonu – Çukurlaşma Korozyonu – Taneler arası korozyon • MEKANİK ÇEVRENİN ETKİSİ NEDENİYLE KOROZYON – – – – Stres ve galvanik korozyon Gerilim korozyonu çatlaması Yorulma korozyonu Sürtünme korozyonu 41 ÜRETİM SIRASINDAKİ HATALAR NEDENİYLE KOROZYON. Aralık Korozyonu • Aralık Korozyonu (Crevice Corrosion ) – Korozyon çevreden gelen akışkanının erişiminin sınırlı olduğu boşluklarda meydana gelir. – Bu boşluklar genellikle (dar ve derin çatlak) aralık olarak adlandırılır. – Örneğin : bir kemik sabitleme malzemesinin levha ve vida arasında. – Genellikle paslanmaz çelik ortopedik uygulamalarda bulunur. • Vücuda yerleştirilen, paslanmaz çelik plaka ile vida arasında oluşabilecek küçük bir aralıkta oksijen seviyesinin düşük olması ve pH değerinin düşmesi gibi nedenlerle aralık korozyonu meydana gelebilmektedir. 42 11 26.10.2016 ÜRETİM SIRASINDAKİ HATALAR NEDENİYLE KOROZYON. ÜRETİM SIRASINDAKİ HATALAR NEDENİYLE KOROZYON. • Çukurcuk Korozyonu (Pitting corrosion) – – – – – – 45 Aralık korozyonu gibi aynı mekanizmayla oluşur. Malzemenin yüzeyi üzerindeki küçük hatalardır (çizilme gibi). Yüzey üzerindeki pasivizasyon bozulur. Daha küçük anod ve daha büyük bir katod oluşumuna yol açar. Anodik bölge önemli derecede çözülmeye uğrar. Bu tehlikeli bir korozyon tipidir. Çünkü küçük bir malzeme kaybı nedeniyle cihaz arızası gibi farkedilemez. 47 Cathode • Metalin yükseltgenmesi aralıkta meydana gelir. • Parçanın geri kalanı katod olmaktadır. • Aralıkta oksijenin tükenmesi. • Oluşan M+n iyonlarının yükünü dengelemek için aralıkta CI- iyonlarının difüzyonu • Oluşan bileşik, H + iyonlarını serbest bırakmak ve çözünmeyen hidroksit oluşturmak için reaksiyona girebilir. MCln + nH2O → M(OH)n + nH+Cl• pH’da azalma → daha korozif çevre sağlar. 46 12 26.10.2016 ÜRETİM SIRASINDAKİ HATALAR NEDENİYLE KOROZYON. Tane (Katod) Tane sınırı (anod) Tanelerarası korozyon 51 ÜRETİM SIRASINDAKİ HATALAR NEDENİYLE KOROZYON. • Taneler arası korozyon (Intergranular Corrosion) – Genellikle döküm yoluyla üretilenler birçok taneye sahiptir. – Böylece tanelerarası korozyona duyarlıdır. – Tane sınırları malzemenin anodik bölgeleri olacaktır. – Tane ise katod olacaktır. 50 13 26.10.2016 MEKANİK ÇEVRENİN ETKİSİ NEDENİYLE KOROZYON Galvanik Korozyon • Stres ve Galvanik Korozyon – Birbirine benzemeyen iki metal temas ettiğinde meydana gelir. • Galvanik seride en büyük negatif olan anod olacaktır, ve diğeri de katod olacaktır. – Metal çubuk veya levhanın bağlanması ; • Çekme tarafı → anod • Basma tarafı → katod • Olmasına neden olacaktır. 53 Galvanik Korozyon • Basit olarak, benzer olmayan iki metalin teması sonucu oluşan korozyon türüdür. Bu nedenle, birlikte çalışacak implant malzeme çiftlerinin de aynı ya da benzer malzemelerden seçilmesi gerekir. 14 26.10.2016 MEKANİK ÇEVRENİN ETKİSİ NEDENİYLE KOROZYON MEKANİK ÇEVRENİN ETKİSİ NEDENİYLE KOROZYON • Yorulma Korozyonu (Fatigue corrosion) • Gerilim Korozyon Çatlaması (Stress corrosion cracking SCC) – Hem gerilime hem de korozif ortama maruz kalmış bir metalde meydana gelir. – Uygulanan gerilimin yönüne dik oluşan küçük bir çatlakla sonuçlanır. – Çatlak çatlak ucunda anodik bir çözünmeyi tetikler. – Bu gevrek kırılmaya yol açar. 57 – İmplant etrafında devam eden bükülme, yükleme ve hareket , metal üzerindeki pasivize filmi bozar, bu alanda korozyona yol açarak yüzey üzerinde ortaya çıkar. – Korozyonun bu tipi, implantın yorulmasını belirgin derecede kısaltır. – Bu da cihazın başarısızlığı ile sonuçlanır. 59 15 26.10.2016 MEKANİK ÇEVRENİN ETKİSİ NEDENİYLE KOROZYON • İmplant malzemeler , genelde korozyondan kaynaklanan bir nedenle kırılmazlar. Korozyonun sebep olduğu enfeksiyon yada kas zararları gibi nedenlerden dolayı vücuttan çıkarılırlar. • Özellikle çivi-plaka kombinasyonlarına dikkat edilmelidir. • İmplant malzemeler vücuda yerleştirildikten sonra belirli aralıklarla takibi yapılmalı. • Sürtünme Korozyonu (Fretting corrosion) – Yüklemeyle alakalı değildir – İmplanta yakın hareketle bağlıdır. (aşınma, sürtünme) – Mekanik anlamda metalin pasivize tabakasının uzaklaşmasını içerir. – Sabitleme plakaları ve kemik vidalarında görülebilir. 61 İMPLANT BAŞARISINDA ETKİLİ FAKTÖRLER • Albrektsson ve arkadaşları 1986 yılında yaptıkları çalışmada başarı kriterlerini şöyle sıralamışlardır; • Radyografide implant çevresindeki kemikte radyolüsensi olmaması, • İmplantta mobilite olmaması • Yükleme sonrası her yıl 0.2mm’den az kemik kaybı olması • Ağrı,enfeksiyon, parestezi, mandibuler kanal hasarı olmaması • Beş yıllık gözlemde %85’lik, on yıllık gözlemde %80’lik başarı oranının olması 16 26.10.2016 FİZYOLOJİK AKIŞKANLARIN ETKİSİ FİZYOLOJİK AKIŞKANLARIN ETKİSİ Biyouyumluluk biyomalzemelerin ömrünü belirlemede çok önemli bir rol oynar. Tamamen biyouyumlu bir malzeme ; Su proteinler gibi organik makromolekülleri ve inorganik tuzları çözen evrensel bir çözücüdür. Kandaki yaşayan hücreleri askıya alan su, tüm arayer akışkanlarının temel bileşenidir. İnanılır ki su, herhangi bir klinik uygulamalarda biyomalzemelerle ilk temas eden moleküldür. Bu nedenlerden dolayı, hidrofobik etki, hidrofilik etki ve yüzey ıslatması meydana gelir. çevresindeki yapıları tahriş etmemeli iltihaplanmaya yol açmamalı alerjik reaksiyonları başlatmamalı kansere neden olmamalıdır. 65 67 FİZYOLOJİK AKIŞKANLARIN ETKİSİ FİZYOLOJİK AKIŞKANLARIN ETKİSİ • Hidrofobik etki sudaki hidrokarbonların çözünmezliği ile alakalıdır ve lipitlerin temelidir. Bir biyouyumlu malzeme insan bağışıklık sistemi tarafından yapılan saldırıyla bozulabilecek özelliklerde olmamalıdır. Biyouyumlu terimi malzemenin temas ettiği doku ve vücut sıvılarıyla iyi ve uyuşabilirliğini gösterir. Akışkanların büyük bir kısmını oluşturan su, malzemelerin yüzeyleriyle reaksiyona girer. Suyun ya da genelde akışkanların etkileşimi malzemelerin özelliklerini etkiler. • Diğer bir değişle , hidrofobik etki polar olmayan (nonpolar) moleküllerin özelliğidir. • Hidrokarbonlar suyun kendi kendine bağlanma kuvvetleri nedeniyle su içerisinde çok az çözünürler. 66 68 17 26.10.2016 Biyomekaniğin uygulama alanları • Fizik tedavi • Tıp (ortopedi, spor hekimliği, rehabilitasyon, adli tıp,) • Mühendislik (ergonomi (endüstriyel tıp), biyomühendislik) • Kinesiyoloji (hareket bilimi) • Sanat (performans sanatları, güzel sanatlar, gösteri sanatları) Kaynak : Biyomekaniğe Giriş, Yrd. Doç. Dr. B. Burhan Özhan Biyomekanik Nedir ? • Mekanik • Cisimlere ve mekanik sistemlere etkiyen kuvvetlerin ve etkilerinin analizi • Biyo • Canlı, yaşam, yaşayan organizma anlamını katan bir önektir • Biyomekanik • Mekanik prensiplerin canlılara uygulanması. Biyolojik yapılara etki eden kuvvetleri ve etkilerini inceleyen bir bilim dalıdır. Biyomekaniğin Tarihçesi • • • • • • • Aristo (M.Ö. 384-322) Hayvan lokomosyonu Leonardo Da Vinci (1452-1519) Yürüme, zıplama, ayakta durma, oturma vb. aktivitelerin biyomekaniği. Galileo (1564-1643) Fizyolojik işlevlerin matematiksel analizi. William Harvey (1578-1657) Biyolojik akışkanların (sıvıların) mekaniği. Alfonso Borelli (1608-1679) Biyolojik katı cisimlerin mekaniği, kas gerilmesi. Weber & Weber (1830) Kadavralarda insan yürüyüşünün zamanlaması. Marey (1873) In-vivo yürüyüş analizi..... Kaynak : Biyomekaniğe Giriş, Yrd. Doç. Dr. B. Burhan Özhan 18 26.10.2016 Günümüzde biyomekanik uygulamaları • Lokomosyon (yürüme, koşma, ...) • Organlarda kuvvet-hareket ilişkisi • Yük kaldırma, tırmanma, fırlatma gibi aktivitelerin modelleme ve simülasyonu • İnsan eklemlerinin modellenmesi (ayak bileği, diz, dirsek, kalça, omurga, omuz, ...) • Spor biyomekaniği ve fiziksel performans • Kas mekaniği Biyomekanik • • • • Kemik Biyomekaniği (Bone Biomechanics) Kıkırdak Biyomekaniği (Cartilage Biomechanics) Deri Biyomekaniği (Skin Biomechanics) Tendon ve Bağ Biyomekaniği (Tendon and Ligament Biomechanics) • Kas Biyomekaniği (Muscle Biomechanics) • Kan Damar ve Arterleri Biyomekaniği (Blood Vessel and Arterial Biomechanics) • Eklem Biyomekaniği Kaynak : Biyomekaniğe Giriş, Yrd. Doç. Dr. B. Burhan Özhan • • • • • • • • Günümüzde biyomekanik uygulamaları Protez, ortez ve implantlar Neuro-muscular kontrol (postür analizi gibi) Tanı ve tedavi için yöntem ve cihazlar Kırık (kemik), ruptür (tendon, bağ) Hücre çoğalması Doku mühendisliği Dolaşım sisteminde kan akışı Akciğerde hava akımı • Kuvvet uygulandığında deformasyona yol açar ve eğer belli bir nokta boyunca devam ettiğinde kırılma meydana gelir. • Kuvvet ----- GERİLME Deformasyon olarak bilinir. ve GERİNİM 19 26.10.2016 Gerilme & Gerinim Gerilme:- Birim alana uygulanan kuvvet Ortopedide yaygın kullanılan malzemelerin Elastiklik Modülleri • • • • • • Birimi N/m2 veya Pascal Gerinim:- Birim orijinal uzunluğundaki boyca değişim Young modülü E • Gerilme / Gerinim eğrinin elastik bölgesinin eğimi SI birimi = pascal (Pa yada N/m2 yada −1 m ·kg·s−2). megapascal (MPa yada N/mm2) yada gigapascal (GPa yada kN/mm2) Paslanmaz çelik Titanyum Kortikal kemik Kemik çimentosu Süngerimsi kemik UHMWPE 200 100 7-21 2.5-3.5 0.7-4.9 1.4-4.2 < Bağıl Elastik (Young) Modüller 1.Seramik (Al2O3) 2.Alaşım (Co-Cr-Mo) 3.Paslanmaz çelik 4.Titanyum 5.Kortikal kemik 6.Matris polimer 7.PMMA 8.Polietilen 9.Süngerimsi kemik 10.Tendon / bağlar 11.Kıkırdak 20 26.10.2016 Kemik Biyomekaniği Sünek Malzeme Kemik bir kompozit malzemedir Kemik Biyomekaniği Kırılgan Malzeme • Kollajen ve Hidroksiapatit Kemiğin mukavemeti hem HA hem de kollajeninkinden yüksektir: Yumuşak faz daha katı olanı gevrek kırılmadan korurken, sert olan da yumuşak bileşeni akmadan korur. Kollajen, hareket sisteminin yapı taşlarını,özellikle kemik, kıkırdak, lif ve eklemleri oluşturan proteindir. 21 26.10.2016 • Kemik yaşar • Kan sirkülasyonuyla taşınan malzemeler kemikten kemiğe değişir • Gerilme altında zayıflar • Cıvata ve vidaların sıkıştırılmasıyla oluşan lokal gerilmeler erimeye yol açar hatta kemik kaybına • Yaratıcı, kemiği optimum özelliklerde tasarlamıştır Kemik Biyomekaniği Kemik Biyomekaniği Kemik yaşayan bir organdır ▪ Young Modülü(E) ▪ Mak. Çekme Mukavemeti ▪ Basma Mukavemeti ▪ Kayma Modülü (K) ▪ Poisson Oranı(ν) • Kemik doku, kemik hücreleri (osteosit), kan damarları, sinirler ve hücrelerin arasını dolduran ara maddeden (osein) meydana gelir. • Kemik iç yapısı; Kalsiyum tuzları (hidroksiapatit) ve içine yerleşmiş protein liflerinden (kolagen) meydana gelir. 0.192 GN/m2 2.01 GN/m2 0.3 Osteoporozla süngerimsi kemik Kemik Biyomekaniği Kemik Biyomekaniği Normal süngerimsi kemik 17.0 GN/m2 0.132GN/m2 • Mineral sertlik • protein lif sağlamlık elastiklik 22 26.10.2016 Kıkırdak Biyomekaniği • Kıkırdak doku bulunduğu yere şekil veren, desteklik ve esneklik sağlayan dokudur. • (Örnek olarak burun ve kulak verilebilir) • İnsanların iskelet sistemini oluşturan kemikler anne karnında kıkırdak halindedir doğduktan sonra sertleşir ve kemikleri oluştururlar. • Kıkırdak, eklemlerin sürtünme yüzeylerinde bulunur ve sürtünmeyi azaltır. • Bozulan kıkırdak dokusu, bir daha eski haline gelemez. • Kireçlenme de eklem yüzlerindeki kıkırdağın bozulması sonucu ortaya çıkar. • Kıkırdak eklemlerde, göğüs kafesinde, kulakta, burunda, boğazda ve omurlararası disklerde bulunur. • 2m alana sahip Deri 2 Deri Biyomekaniği Kıkırdak Biyomekaniği Kıkırdak Biyomekaniği Kıkırdak • ~ 2 mm kalınlığında • ~ Vücut ağırlığının %7’si (75 kg bir kişi için 5.3 kg) • Kadınlarda daha ince 23 26.10.2016 Mekanik, ozmotik, kimyasal, termal, ışık ile ilgili zararlı etkileri en aza indirir Isı regülasyonu Salgı ve emilim fonksiyonu Tutma, kavrama işlerine yardımcı Kan damarları zengin >>>> Kan deposu D vitamini yapımı Duyu organı (ısı, ağrı vs) Deri Biyomekaniği Deri (Cutis) üç tabakadan oluşur: Epidermis Dermis (Corium) Hypodermis (Tela subcutanea, Subcutis) Tendon ve Bağ Biyomekaniği Deri Biyomekaniği Vücut yüzeyini örter Tendon Tendon ve Bağ Biyomekaniği İşlevleri • Tendon, kasları kemiklere bağlayan beyaz bir bağdır. Kaslar kemikleri çekerek tendonları hareket ettirir. Tendon, birleştirici dokulardan oluşan bir bağdır. Bazı tendonlar yuvarlak, bazıları da uzun ve yassıdır. Tendonun bir ucu kasın ucundan çıkar; diğer ucuysa kemiğe girer. 24 26.10.2016 Bir tendon aynı, bir kolun, bir ceket kolunun içindeki hareketi gibi, lifli dokulardan oluşan bir zırhın içinde yukarı ve aşağı doğru kayarak hareket eder. • İnsan vücudundaki en sağlam tendon aşil tendonudur. • Aşil tendonu yaklaşık 1 ton çekme gücündeki kuvvete dayanıklıdır. Tendon ve Bağ Biyomekaniği Tendon ve Bağ Biyomekaniği Ligament (Bağ) • Ligament (Bağ), eklemin aşırı hareketlerini engelleyen ve eklemin stabilizasyonunu sağlayan sert-esnek yapılardır. • İki kemiği birbirine bağlayan köprü gibidirler ve belli bir yükü kaldırma kapasitesine sahiptirler. • Ancak belli pozisyonlarda ve aşırı yüke maruz kaldıklarında zorlanır ve bütünlüklerinde bozulmalar olur. * Tendonlar yoğun kollajen demetleri içeren, kas ile kemik arası halkayı tamamlayan hareket sisteminin temel dokularından biridir. Bone: Kemik Collagen Fibril: Kollajen Lifçiği Muscle: Kas Collagen Fibre: Kollajen Lifi Blood Vessel: Kan Damarı Fascicle: Demet Tertiary Fibre Bundle: Üçüncül Lif Demeti Tendon ve Bağ Biyomekaniği Tendon ve Bağ Biyomekaniği Mekanik Davranış 25 Tendon ve Bağ Biyomekaniği Örnek bir Ligamentin Biyomekanik İncelenmesi Tendon ve Bağ Biyomekaniği Tendon ve Bağ Biyomekaniği Tendon ve Bağ Biyomekaniği 26.10.2016 Hasar yüklemesini gösteren örnek yük deplasman grafiği Cihaza yerleştirilen örneklere 5N ön yüklemenin ardından 5-30 N arası 0,5 Hz frekans ile yükleme yapıldı (30 yükleme/dakika; 50 yükleme). Yükleme sonrasında örneklere 30mm/dk çekme işlemi uygulanarak hasara uğratıldı 26 Kas Biyomekaniği Tendon ve Bağ Biyomekaniği 26.10.2016 • Kas doku,sağlıklı erişkin bir insanın vücudundaki metabolik, kimyasal ve fiziksel olayların dinlenme halinde bile hemen hemen yarısının cereyan ettiği dokudur. • Görev – – Vücudun şeklini belirler Kemiklerin hareket etmesini sağlar. – – – – Lifli bir yapıya sahiptirler İstemli ya da istemsiz çalışırlar. Kasılıp gevşeyebilirler. Kasılırken boyları kısalır. – – Kaslar kemiklere bağlıdır. Kasların kasılıp gevşemesiyle kemikler eklem yerlerinden hareket edebilirler. • Yapı • İskelet ve Kas İlişkisi Kas Biyomekaniği Kas Biyomekaniği Kaslar • Çizgili kaslar 27 Kas lifi Nukleus Nukleus İnter kalate diskler Düz kas İskelet kası Kalp kası İğ şekilli ve tek çekirdeklidir. Çizgili ve çok çekirdeklidir. Çizgili ve tek çekirdeklidir İstemsiz kasılır İstemsiz ve ritmik kasılır İç organlarda yer alır İskeleti örter İstemli kasılır. Kalpte yer alır Arterler - Geniş (elastik) arterler, - Orta boy (musküler) arterler - Küçük arterler (arteriol) Eklem DAMARLAR -Kalp -Arterler -Kapiller damarlar -Venler -Lenf damarları Eklem Biyomekaniği Kan Damar ve Arterleri Biyomekaniği Kas Biyomekaniği Nukleus Kan Damar ve Arterleri Biyomekaniği 26.10.2016 • İskeletin değişik kemikleri arasındaki fonksiyonel bağlantıya eklem denir. 28 26.10.2016 şekilde sınıflandırılmıştır. Fonksiyonel eklemler • Oynamaz eklemler • Yarı oynar eklemler • Oynar eklemler Morfolojik eklemler ▪ Fibroz eklemler ▪ Kartilaginöz eklemler ▪ Sinoviyal eklemler Eklem Biyomekaniği Eklemler morfolojik ve fonksiyonel olmak üzere iki farklı Eklem Biyomekaniği Eklem Biyomekaniği Eklem Biyomekaniği Eklem çeşitleri I.Fibroz eklemler; Eklemleşen kemik uçları arasında eklem boşluğunun bulunmadığı eklemlerdir. II.Kartilaginöz eklemler Eklemleşen kemik uçları arasında hiyalin kıkırdak veya fibrokartilaginöz dokunun bulunduğu eklemlerdir. 29 Eklem Biyomekaniği 26.10.2016 III.Sinoviyal eklemler Eklemleşen kemik uçları arasında devamlılığın bulunmadığı, sinoviya olarak adlandırılan sıvı ile dolu bir aralığa eklemlere sinoviyal eklemler denir. 30
