02.10.2016

1

Biyomalzemelerde Seçme KonularDoç. 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

Kaynaklar• Biocompatibility and

Performance of Medical Devices

• Edited byJ-P Boutrand• Elsevier 2012• Imprint: Woodhead

Publishing• ISBN: 978-0-85709-070-6

• BIOMATERIALS PRINCIPLES AND PRACTICES

• Edited by• Joyce Y. Wong• Joseph d. Bronzino• donald R. Peterson• CRC Press 2013

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

2

• Biomaterials An Introduction

• Joon Park and R.S. Lakes

• Springer 2007

• Bioactive materials in medicine

• Design and applications

• Edited by• X. Zhao, J. M. Courtney

and H. Qian• Woodhead 2011

• HYDROXYAPATITE SYNTHESIS, PROPERTIES

• AND APPLICATIONS

• VALERI S. GSHALAEV AND• ALEKSANDRA C.

DEMIRCHAN• EDITORS

• Nova Science Publishers 2012

• BIOMATERIALS SCIENCE• An Introduction to Materials

in Medicine• 2nd Edition• Edited by• Buddy D. Ratner, Allan S.

Hoffman• Frederick J. Schoen, Jack E.

Lemons• Elsevier Academic Press

2004

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

3

• BIOMIMETIC, BIORESPONSIVE,

• AND BIOACTIVE MATERIALS

• Edited by• Matteo Santin, Gary

Phillips• Wiley 2012

• Introduction to Biomaterials

• Donglu Shi• Editor• Tsinghua University

Press 2005

• SERVICE CHARACTERISTICS OF

• BIOMEDICAL MATERIALS AND IMPLANTS

• A Batchelor• J R Batchelor • Margam Chandrasekaran• Imperial College Press 2004

• Handbook of Materials for Medical Devices

• J.R. Davis, editor• ASM International 2003

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

4

• Biomaterials in Orthopedics

• edited by• Michael 1. Yaszemski• Debra J. Trantolo• Kai-Uwe Lewandrowski• Vasif Hasirci• David E. Altobelli• Donald L. Wise• MARCEL DEKKER 2004

• CERAMICS AND COMPOSITE MATERIALS

• B.M. CARUTA Editor

• Nova Science Publishers, Inc. 2006

• Biomedical Materials• Roger Narayan• Editor

• Springer 2009

• BIO-IMPLANT INTERFACE

• Improving Biomaterials• and Tissue Reactions• Jan Eirik Ellingsen• S. Petter Lyngstadaas

• CRC PRESS 2003

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

5

• Thin Films and Coatings in Biology

• Soroush Nazarpour• Editor

• Springer 2013

• Biocompatibility of Dental Materials

• Gottfried Schmalz• Dorthe Arenholt-

Bindslev

• Springer 2009

Biyomalzeme Süreli Yayınları

• Journal of Biomedical Materials Research• Biomaterials• Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition • Journal of Biomaterials Applications • Journal of Materials Science: Materials in

Medicine

İlgili web sayfaları

• Biomaterials Network (www.biomat.net)• Medical Device Information

(www.devicelink.com)• Medical Materials Engineering reference

(www.engineeringreference.com)• United States Patents and Trademarks Office

(www.uspto.gov)• General search-Google (www.google.com)• MEDLINE-(www.ncbi.nih.gov/entrez/query.fcgi)

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

6

Dersin Değerlendirmesi

• Arasınav % 30

• Ödev-Seminer % 20

• Final % 50

Biyomalzeme nedir ?

• Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

• “biyolojik sistemlerle arayüz oluşturarak doku, organ ya da bunların işlevlerini ölçme, tedavi etme, destekleme, ya da tümden üstlenme amacıyla tasarlanan malzemelere biyomalzemedenir.

• ESB (European Society for Biomaterials)Consensus Conference II

• Kaynak : BIOMATEN , Vasıf Hasırcı

Biyomalzeme nedir ?

Biyomalzeme nedir ?

• İnsan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir.

• Bir biyomalzeme, doğal bir fonksiyonla yer değiştiren, güçlendiren yada performansını artıran biyomedikal cihaz yada yaşayan bir yapının bir kısmını veya hepsini oluşturan doğal veya insan yapımı bir malzemedir. (Wikipedia).

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

7

25

Biyomalzeme nedir?

• Vücudun herhangi bir organ, doku veyafonksiyonunu yer değiştirmek, güçlendirmek yadatedavi etmek amacıyla biyolojik sistemlerlearayüzey oluşturan malzemelerdir (Williams, 1999).

• Yaşayan bir sistemle birleşen yada yerinekonulmak için tasarlanan sistematik ve farmakolojikolarak inert bir maddedir. ( Clemson UniversitesiBiyomalzeme Danışma Kurulu).

• Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir.

• Sürekli olarak veya belirli aralıklarla vücut akışkanlarıyla (örn. kan) temas ederler.

Biyomalzemelerin Tarihi• Biyomalzemelerin gelişim süreci incelendiğinde genel

anlamda üç dönemden bahsetmek mümkündür.• Birinci dönem tahta ve fil dişi gibi metal olmayan

malzemeler ile altın, gümüş ve bakır gibi metallerinyaygın olarak kullanıldığı 1850 yılı ve öncesidir.

İlk örnekler• Her ne kadar biyomalzeme alanındaki gelişmeler

son otuz yılda ivme kazanmış olsa da, eski çağlardadahi organ ve dokuların azalan aktiviteleriniarttırmak için biyomalzemeler kullanılmıştır.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

8

Biyomalzemelerin Tarihi

• İkinci dönem, anestezinin keşfi ile cerrahioperasyon sırasında hastanın acı hissetmemesive buna bağlı olarak biyomalzemelere olantalebin arttığı 1850-1925 yılları arasıdır.

• Yine bu döneme rastlayan X ışınının keşfi ilehasarlı bölge ve ne tür bir hasarın olduğu net birşekilde belirlenebilmiştir.

• Söz konusu dönemde bu iki önemli keşifsayesinde biyomalzeme alanında ciddigelişmeler yaşanmıştır.

Biyomalzemelerin Tarihi

• En hızlı ilerlemenin olduğu dönem hiç kuşkusuziki büyük Dünya savaşının da etkisiyle 1925yılından günümüze kadar olan süreçtir.

• Dünya nüfusunun yaklaşık %10’u vücudunundeğişik yerleri için tıbbi bir tedaviye ihtiyaçduymaktadır. Engelli insanların yaşam kalitesiniarttırmak ve bu kişilerin yaşamlarını olabildiğincenormal insanların yaşamlarına yaklaştırmak içinortopedist ve mühendisler özellikle son 40 yıliçerisinde çeşitli biyomalzemeler geliştirmişlerdir.

• Kaynak : Giray B. Akbaba, Biyomedikal Teknolojilerde Kullanım Potansiyeli OlanBazı Nanomateryallerin İn Vitro Biyouyumluluklarının Araştırılması

31

Biyomalzeme tarihiYıl Gelişme18th–19th yüzyıl

1860-1870

1900 başları

Kemik kırılmalarını birleştirmek için farklı metal aletler: Fe, Au, Ag veya Pt çubuk veya pimler

Steril cerrahi birimleri(Dr J. Lister tarafından geliştirilen cerrahi tekniğe kadar biyomalzemelerin kullanımı pratik olmamıştır.)

Kemik plakalar kemik kırıklarını tedavide yardım etmek amacıyla denendi. Fakat bunların çoğu karmaşık mekanik dizaynları nedeniyle kırıldı; -Çok ince-Köşelerde biriken gerilmeler. -Vücutta hızla korozyona uğraması

32

Biyomalzeme tarihiYıl Gelişme1930 lar

1938

1940 lar

1946

1950 lar

1960 lar

Paslanmaz çelik ve kobalt krom alaşımlarının kullanımı

İlk tam kalça protezi

Kornea impantı ve zarar görmüş kafatası kırıklarının bölümleriyle yer değiştirmek için PMMA’ın ilk defa kullanımı

Kalça kemiğinin protezinde ilk defa biyomekanik olarak dizayn edildi: eklem yer değiştirmesinde kullanılan ilk plastik PMMA.

İlk kan damar yer değişimi

İlk ticari kalp kapakçığı değişimi

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

9

Ortapedik İmplant

PMMA,akrilik,silikon

• İlk metal protez 1938 yılında vitalyum (Co-Cr-Mo) alaşımından üretilmiştir.

• 1960’lara kadar kullanılan bu protezler metal korozyona uğradığında ciddi tehlikeler yaratmıştır.

• 1972 yılında alumina ve zirkonya isimli iki seramik yapı herhangi bir biyolojik olumsuzluk yaratmaksızın kullanılmaya başlanmıştır ancak dokuya bağlanma problemi ortaya çıktığı için yeni arayışlar devam etmiştir.

• Aynı yıllarda Hench tarafındangeliştirilen biyoaktif seramikler, (örn.biyocam ve hidroksiapatit) ile buproblem çözülmüş bulunmaktadır.

• İlk başarılı sentetik implantlar,iskeletteki kırıkların tedavisindekullanılan kemik plakalarıdır.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

10

• 1950’li yıllarda kan damarlarının değişimive yapay kalp vanaları, 1960’larda dakalça protezleri geliştirilmiştir.

• Kalp ile ilgili cihazlarda esnek yapılısentetik bir polimer olan poliüretankullanılırken, kalça protezlerinde isepaslanmaz çelik daha çok tercihedilmiştir.

Kalp cihazları

Yapay kalp

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

11

• Diş hekimliğinde ilk olarak 1937’depoli(metil metakrilat) (diş akriliği olarakbilinir) ve yüksek molekül ağırlıklıpolietilen de kalça protezi olarakkullanılmaya başlanmıştır.

• II. Dünya savaşından sonra paraşüt beziolarak bilinen poliamid damakprotezlerinde kullanılmaya başlandı.

Dental İmplant

• 1970’lerde ilk sentetik, bozunur yapıdakiameliyat ipliği poli glikolik asittenüretilmiştir.

• Son 30 yılda çok sayıda metal, seramikve polimer vücudun değişik parçasınınonarımı ve yenilenmesi amacıylakullanılmıştır.

Yumuşak doku parçaları

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

12

• Biyomalzemeler yalnızca implant olarakdeğil

• vücut dışına yerleştirilen ama vücutlaetkileşim halindeki cihazlarda,

• çeşitli eczacılık ürünlerinde ve• teşhis kitlerinde de yaygın olarak

kullanılmaktadır.

• Günümüzde medikal uygulamalarda halenaşılamamış sorunlarda vardır.

• Bunların çözümünde doku mühendisliği vegen tedavisi alternatif yaklaşımlarsunmaktadır.

• Özellikle nanoteknoloji, bilişimteknolojileri ve fabrikasyonyöntemlerindeki gelişmelere paralelolarak daha mükemmel biyomalzemelerinyapılması çalışmaları devam etmektedir.

Ortopedik Uygulamalar

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Dental Uygulamalar

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

13

Kardiyovasküler Uygulamalar

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Göz Doktorluğu (Oftalmoloji) Uygulamaları

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Nörolojik Uygulamalar

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Ses İşlemci

İmplant

Elektrot

Dahiliye (İç Hastalıkları) Uygulamaları

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

14

Nefrolojik Uygulamalar

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

İlaç Taşınım Uygulamaları

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

Gelecekteki Uygulamalar (Doku Yerdeğiştirme)

▪ Kaynak : BIOEN 5301 Introduction to Modern Biomaterials, The University of Utah

• İnterdisipliner bir alan:– Kimya– Fizik– Biyoloji– Mekanik

İlgi alanları:– Polimerler– Seramikler– Kompozit malzemeler– Elektronik malzemeler– Metaller

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

15

Metaller

Yarıiletken Malzemeler

Seramikler

Polimerler

SentetikBiyomalzemeler

Ortopedik vida/sabitleyici

Dental Implantlar

Dental Implantlar

Kemik protezleri

BiyosensorlerImplant edilebilir

Mikroelektrodlar

Cilt/kıkırdakİlaç dağıtım araçları Göz implantları

İskelet kasları kemiklere bağlanarak genellikle onların hareketini sağlar.

Kasların iskelete bağlandığı yere kas kirişi veya tendon denir.

• Vücut sıvılarının pH değeri farklı dokulara göre 1 ile 9 arasında değişir.

• Günlük aktivitelerimiz sırasında kemiklerimiz yaklaşık 4 MPa, tendomlar ise 40-80 MPa değerinde basınç ve gerilmeye maruz kalırlar.

• Biyomalzemeler; Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler

olmak üzere dört gruba ayrılabilir.

• Alüminyum oksit, • Zirkonyumoksit,• biyoaktif cam, • karbon ve • hidroksiapatit (HA),• Trikalsiyumfosfat (TCP)

• biyouyumlu seramik malzemelere,

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

16

• Altın, tantal, • paslanmaz çelik ve • titanyum alaşımları

• biyouyumlu metal malzemelere

• 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 biyouyumlu

polimerik malzemelere örnek olarak verilebilir.

• Her malzemenin kendine özgü uygulanabilme alanı vardır.

• Örn. polimerler çok değişik bileşimlerde ve şekillerde (lif, film, jel, boncuk, nanopartikül) hazırlanabilmeleri nedeniyle biyomalzeme olarak geniş bir kullanım alanına sahiplerdir.

• Bunun yanında,örn. ortopedik alanda mekanik dayanımlarının zayıf olduğu, sıvıları yapısına alarak şişebilir veya istenmeyen toksik ürünler (monomer, antioksidan gibi) salgılayabilir olmaları,sterilzasyon işlemlerinin (otoklavlama, etilen oksit, 60Co radyasyonu) polimer özelliklerini etkilemesi

olumsuz özellikleridir.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

17

• Metallerin, sağlamlıkları, şekillendirilebilir olmaları ve yıpranmaya karşı dirençli olmaları bazı uygulamalarda tercih edilebilmelerini sağlamıştır.

• Ancak biyouyumluluklarının düşük olması, korozyona uğramaları, dokulara göre çok sert olmaları, yüksek yoğunlukları ve alerjik doku reaksiyonlarına neden olabilecek metal iyonu salımı bu malzemelerin kullanım alanlarını sınırlandırmıştır.

• Seramiklerin ise biyouyumlulukları son derece yüksektir ve korozyona dayanıklı malzemelerdir.

• Bunun yanında, kırılgan olmaları, esnek olmamaları, yüksek yoğunluğa sahip olmaları bu malzemelerin dezavantajlarıdır.

• Homojen özellik gösteren ve kullanım açısından dezavantajlara sahip olan tüm bu malzeme gruplarına alternatif olarak da kompozit malzemeler geliştirilmiştir.

• Tıbbi uygulamalarda kullanılacak biyomalzemeleri,

yumuşak dokuve

sert dokuyerine kullanılacak biyomalzemeler olarak incelemek mümkündür.

• Ortopedik ve diş implantları metal ve seramiklerden hazırlanırken (sert doku yerine)

• Kalp-damar sistemi ve plastik cerrahi malzemeleri polimerlerden (yumuşak doku yerine) kullanılmaktadır.

• Genelleme de yapmak çok doğru olmayabilir çünkü bir kalça protezi metal ve polimer kompozitlerden hazırlanabildiği gibi bir kalp kapakçığı da polimer, metal ve karbondan hazırlanabilir.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

02.10.2016

18

Tablo .Sentetik Malzeme ve Modifiye Edilmiş Doğal Malzemelerin Uygulamaları

İskelet Sistemi

Eklem yer değiştirmeleri (kalça , diz)

Titanyum, Ti-Al alaşımlar, paslanmaz çelik, polietilen

Kırılma fiksatörleri (Kemik plate) Paslanmaz Çelik, Kobalt-Krom alaşımlar

Kemik çimentosu Polimetilmetakrilat

Suni tendom ve ligamentler Teflon, Dacron (PTFE Ticari)

Diş implantları Titanyum, Aluminyum, Kalsiyum fosfat

Kardiovasküler Sistem

Kan Vessel protezleri Dacron, Teflon, Poliüretan

Kateter Silikon, teflon, poliüretan

Kalp vanaları Paslanmaz Çelik, Karbon, tekrar onarılmış doku

Organlar

Suni Kalp Poliüretan

Geçici Deri tamiri Silikon, kolojen bileşikleri

Suni böbrek Selüloz, polisakkarit

Lensler

İç oküler lensler PMMA, silikon, hidrojel

Kontak lensler Silikon-akrilat, hidrojel

Kornea Bandajı Kolajen, hidrojel

Tablo .İmplantasyonda Kullanılan Malzemelerin Avantaj ve Dezavantajları

Malzeme Avantajlar Dezavantajlar Örnekler

Polimerler: Silastic®, Teflon ®, Dacron ®Nylon

Düşük yoğunluk, esneklik, fabrikasyon kolaylığı

Mekanik dayanım azlığı, zamana bağlı degrasyon

Diş, cement, suni tendonlar, kulak

Metaller:Paslanmaz Çelik 316 S, Titanyum Alaşımlar

Tensile strengthyüksek dayanımlılık, yıpranma-dayanımlılığı,

Düşük biyolojik uyumluluk, fizyolojik ortamda korozyon, yüksek yoğunluk, yumuşak bağ dokuları ile mekanik uyumsuzluk

Ortopedik fiksatörler, diş implantları

Seramikler: Aluminyum Oksit, Kalsiyum Aluminyum, Titanyum oksit, Karbonlar

İyi biyolojik uyumluluk, korozyona dayanıklılık, inert, dirence dayanım

Düşük tensile impact strength, fabrikasyon zorluğu, düşük mekanik reliability, yüksek yoğunluk, resilience eksikliği

Hip protezleri, seramik dişler

Kompositler:Seramik kaplı metalKarbon kaplı mazlzeme

İyi biyolojik uyumluluk, korozyona dayanıklılık, inert, dirence

Fabrikasyon üretim zorluğu

Suni kalp vanaları, diz eklemleri (karbon fiberlerle kuvvetlendirilmiş yüksek yoğunluklu polietilen)

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016