Biyomalzemelerin Sınıflandırılması

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

Genel olarak bioseramikler ,

• Problem türüne göre• Biomalzemenin kullanıldığı doku veya organ

türüne göre• Kullanıldıkları vücut sistemlerine göre• Malzeme cinsine göre • Biyouyumluluklarına göre sınıflandırılmaları

mümkündür.

Problem Türüne Göre Sınıflandırma

Problem Türü ÖrnekHastalıklı veya yaralı parçanın değiştirilmesi

Yapay diz protezi

İyileşmeye yardımcı Ameliyat iplikleri, kemik plaka ve vidaları

Fonksiyonlu iyileşme (daha iyi görev yapma)

Kalp pili, kontakt lens

Fonksiyonel anormalliği azaltmak

Harrington omurga çubuğu

Tedavi yardımı Kateter

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

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

http://www.novapdf.com


02.10.2016

2

Biomalzemenin Kullanıldığı Doku veya Organ Türüne Göre Sınıflandırma

Doku / Organ Örnek

Kalp Kalp pili, yapay kalp kapakçığı

Ciğer Oksijen makinesi

Göz Kontakt lens

Kemik Kemik plakası, kemik çimentosu

Böbrek Diyaliz makinesi

Kullanıldıkları Vücut Sistemlerine Göre Sınıflandırma

Sistem Örnek

İskelet sistemi Kemik plakası, total kalça proteziKas sistemi Ameliyat ipliğiDolaşım sistemi Kalp kapakçığıSolunum sistemi Oksijen makinesiBoşaltım sistemi Kateter





02.10.2016

3

Malzeme Cinsine Göre Sınıflandırma1. Metaller ( Ti, Paslanmaz çelik, Co-Cr alaşımları vb.); Yüksek mukavemetli, yüksek tokluğa sahip, sünek, korozyona uğrayabilir, yoğunlukları yüksektir.Örnek; Kalça/eklem protezleri, kemik plakaları, diş implantları olarak kullanılabilir.

2. Polimerler ( Nylon, Silikon, Teflon vb.); Rezilyans yüksek, üretimleri kolay, düşük mukavemetli, zamanla deforme olabilir ve bozulabilirler.Örnek; Ameliyat iplikleri, suni kan damarları, kalça yuvalarında kullanılabilirler.

3. Seramikler ( Al2O3, HAp, TCP, karbon esaslılar ); Biouyumlulukları yüksek, inert, basma mukavemetleri iyi, gevrek, üretimleri zor, rezilyansları (toklukları) düşüktür.Örnek; Diş hekimliğinde, kalça yuvalarında kullanılabilirler.

4. Kompozitler (C-C ); Mukavemetli, şekil olarak istenilen şekil verilebilir, bileşim istenildiği gibi ayarlanabilir, üretimleri zordur.Örnek; Eklem implantlarında, diş hekimliğinde ve kalp kapakçığı yapımında kullanılabilir.

Titanyum alaşımları (http://www.spirebiomedical.com)

poly(ethylene), polietilen

Şekil Silizone, kalp kapakçığı. (http://www.sjm.com/devices/).





02.10.2016

4

• Biyomalzemeler, biyouyumluluklarına göre ;

–Biyoinert–Biyobozunur–Biyoaktif olarak sınıflandırılır.

Biyoinert Nedir ? (Mekanik Bağ)

• Malzemelerin doku ile etkileşimlerimekanik bağ şeklindedir. Mekanik bağbiyoinert malzemenin dokuyudeğiştirmeden doku ile bir aradabulunması anlamına gelir

• (Al, Zr, Ti metal oksitleri gibi)

Kaynak : Karaca Sinan Öner, Tufan Adıyaman, Ziya Engin Erkmen, Seramik, 19,2007

BİYOİNERT SERAMİKLER

• Bir seramiğin biyomalzeme olarakpotansiyeli fizyolojik ortamla uyumlarınabağlıdır.

• Biyoseramikler, insan vücudunda bulunaniyonlardan ( Ca, K, Mg, Na, v.s…) vedüşük toksik özellik gösteren iyonlardan (Zr, Ti ) oluşturmaktadır.





02.10.2016

5

• Oksit seramikler; inert yapıda olan veoksijen iyonlarının oluşturduğu düzlemdemetal iyonlarının dağılmasıyla oluşanpolikristalin seramiklerdir.

İnert biyoseramikler fizyolojik ortamdabulundukları uzun zaman dilimi sonrasındaçok az veya hiç kimyasal değişimgöstermezler.

• Eğer seramikler kimyasal veya mekanikbozunma gösterirlerse bozunma ürünlerininkonsantrasyonu bitişik dokularda insanvücudunun doğal düzenleyicimekanizmaları ile kolayca kontrol edilir.

• İmmobilize inert biyoseramiklere dokuyanıtı çok ince (birkaç mm veya daha az )fiberimsi yapıyla sonuçlanmaktadır.Fizyolojik sistemle mekanik bağlanırlar.

• İnert seramiklerden en çok kullanılanimplant alüminadır. Yüksek yoğunluk (3,98gr/cm3) , yüksek safiyet (>99,5%) Al2O3mükemmel korozyon dayanımıbiyouyumluluğu yüksek aşınma direnci vemukavemeti nedeniyle yük taşıyabilir kalçave diş implantlarında tercih edilmektedir.





02.10.2016

6

• Zirkonya da tıbbi uygulamalarda yeredinmiştir.

• Titanyum oksit (TiO2) baryum titanat(BaTiO3) ve kalsiyum alüminat (CaOAl2O3)gibi diğer seramiklerde deneysel olaraktest edilmiştir.

• İyi sürtünme özelliklerinden dolayı yapayeklemlerde kullanılır.

• Biyoinert maddeler toksik değildir vebiyolojik olarak aktif değildir.

• Kemikte kırığın oluşturduğu boşluk kanpıhtısı ile dolar.Kemikteki boşluğu implantyerleştirildiğinde orjinal doku implantınçevresinde lifi yeni bir doku oluşturur.

• Oluşan doku orjinal dokudan implantıayırır ve kemiğin içine gelişerek kemik ilemekanik bir bağ oluşturur.

Biyoinert seramiklerin özellikleri

• Biyouyumluluk• yüksek sağlamlık• korozyon direnci• yüksek mukavemet• aşınma direnci

Alumina (Al2O3) • Alümina yüksek sıcaklık endüstrisinde enönemli mühendislik malzemelerinden birisidir.

Yüksek mukavemet ve modül.Oksit olmayan malzemeler ve ergimiş

metallerin saldırısına dirençli.Yükseltgen ve indirgen atmosferlere karşı

kimyasal inertDüşük termal iletkenlik ve iyi elektriksel

yalıtkanlıkAşınma direnci yüksek





02.10.2016

7

Alümina biyoseramiklerin özellikleri

Özellikler aluminabioceramic

ISO aluminastandard 6474

Al2O3 content [wt-%] > 99,8 99,5

density [g/cm³] > 3,93 3,9

average grain size [µm] 3-6 < 7

hardness [HV] 2300 > 2000

compressive strength [MPa] 4500

bending strength [MPa] 550 400

Youngs Modulus [GPa] 380

fracture toughness [MPa*m-1/2] 5-6

Alümina biyoseramik

mikroyapı

Temas açısı

Alümina

6 Hafta 8 HaftaBaşlangıç

Alümina biyoseramiklerin klinik uygulamaları





02.10.2016

8

Al2O3 ‘nın Biyomedikal Uygulamaları

• Dental implantlar• Kemik implantlar

– Eklem yerdeğiştirmeleri: Diz protezleri, ayak bileği eklemi, omuz ve parmaklar.

– Implant adezyonu: Osteoblast yapışma

Amaç ?

• Ortopedik implantın tasarımındakullanılan malzemenin yüzeyiüzerine kemik hücrelerininaktivitesini artırmak.

• Osteoblastın (kemik hücresininöncülü olan olgunlaşmamış hücreçeşidi) fonksiyonunu geliştirmek.

•Ortopedik implanlarla sık karşılaşılan problemler

•Söz konusu metale hastanın aşırı duyarlılığı•İmplantı çevreleyen kemiğin bozunması•İmplantın kaybı .

•Hidroksiapatit kaplı implantlar çoğu parçalar için başarılıdır. Gözenekli hidroksiapatitkaplı implantların yüzeyine kemik birikiminin, gözenekli metal kaplı implantlarınkindendaha iyi olduğu bulunmuştur.

Önceki çalışmalarda





02.10.2016

9

• Buna rağmen birçok problem halençözülememiştir.

• Örneğin ; hidroksiapatit kaplı implantınortalama ömrünün geliştirilmesine ihtiyaçvardır.

• Çünkü yüksek çözünürlük hızı, kemik-hidroksiapatit ara yüzeyindeki kayıp vekaplamanın bozunmasına yol açar.



• Alümina fiberler kaplama tokluğunuartırmak için kullanılacaktır.

• Elektroeğirme prosesi, nanofiber matrisingözenek boyutunu, fiber çapını, yüzeyalanının kontrolünü ve değiştirebilmeyeimkan verir.

• Yapışma üzerine alümina fiberlerin farklıözelliklerinin etkisi çalışılmaktadır.


Alümina fiber sentezisol – jel Elektroeğirme

presleme sinterleme

Elektroeğirme ile sol-jel prosesinin birleşimiüretilen seramiknanofiberler için çokyönlü bir tekniktir.





02.10.2016

10

Deney Akım Şeması

FIBER ANALYSIS

CALCINATION

SPIN TO GET GEL FIBER

SLOW HEATING TO GET SPINNABLE SOL

AGE IN DRY OVEN ABOUT 50 CUNTIL GET CLEAR SOLUTION

STIR VIGOROUSLY FOR 24 HRS

ADD SIMULTANOUSLY AL. ISOPROPOXIDEINTO 0.5M AL. NITRATE

PREPARATION OF 0.5M AL.NITRATEAQEOUS SOLUTION

Osteoblast yapışmasında nanoölçekli alüminanın amacı

• 100 nm çapından daha küçük Nanofiberalümina kemikteki osteoblastlarlaetkileşime girecek olan kollajen fiberlerve hidroksiapatit kristallerinin fizikselgeometrisine daha yakındır.

Osteoblast yapışmasında nanoölçekli alüminanın avantajları

• HA kaplamasının tokluğunu artırmak• İmplanta iyi yapışmayı sağlamak• Hidroksiapatit kaplamasının bozunma

hızını azaltmak





02.10.2016

11

titanyum zirkonyum Titanyum üzerine Lityum

disilikate

Zirkonya





02.10.2016

12

Özellikler zirconiabioceramic

aluminabioceramic

ZrO2 / Al2O3 content [wt-%] > 97 99,8

density [g/cm³] 5,6 – 6,1 3,93

average grain size [µm] 1 3-6

hardness [HV] 1300 2300

bending strength [MPa] 1200 550

Youngs Modulus [GPa] 200 380

fracture toughness [MPa*m-1/2] 15 5 - 6

Zirkonya biyoseramiklerin özellikleri

Zirconya implantlar

Alümina ve Zirkonyanın karşılaştırılması• Fiziksel ortamlardaki kararlılıkları nedeniyle her

ikisi de son derece biyouyumludur. (Alümina daha yüksek)

• Zirkonyanın radyoaktif sakıncaları vardır.• Zirkonyanın mekanik özellikleri daha iyi olmasına

rağmen tribolojik özellikleri kötüdür.• Her iki oksit seramik de basma yüklemelerine

maruz kalan implantlar için uygundur.• Bu seramikler kemikle direk arayüzey oluşturan

implantlarda asla kullanılmaz. Ancak protezle temas halinde olan yüzey veya eklemlerin hareketli parçalarında kullanılır.

SORULAR

• 1-Biyoinert, seramiklerin kullanımında en önemli dezavantaj hangisidir ?

• A)Biyouyumluluk• B)Yüksek sağlamlık• C)Kırılgan • D)Korozyon direnci





02.10.2016

13

• 2) Aşağıdakilerden hangisi biyoinert malzemedir?

• A)Alümina• B) Titanyum alaşımı• C)Zirkonya• D) Hepsi

Biyoaktif Nedir?

• İmplantla etrafındaki dokular arasındakimyasal bağ oluşturan malzemelerdir.• Bağlanma, implantla doku arasındakiharaketliliği engeller, ayrıca implantın vücuttarafından dışlanmasını da engeller.(Hidroksiapatit, Biyocam, Cam-seramik veKompozitler)•En önemli iki biyoaktif hidroksiapatit ilebiyocamdır.

•Biyoaktif malzemeler, kemik dokusundabulunabilen olgunlaşmamış, ölü hücrelerdışında yaşayan dokularla pozitif biretkileşime girerler.

•Biyoinert malzemelerin aksine,biyomalzeme yüzeyindebiyokimyasalların aracılık ettiği güçlübağlanma kuvvetinin oluştuğu kimyasalbir birleşme gerçekleşmektedir.

• Basınç kuvvetlerinin yanında, arayüzden bir ölçüde çekme ve kesmekuvvetleri de iletilebilmektedir.• Çoğu durumda, bağlanmanınarayüzdeki mukavemeti implantmalzemesinin veya biyoaktifimplanta bağlanan dokununbağlanma mukavemetine eşit veyadaha büyüktür.





02.10.2016

14

• Ara yüzeyproblemlerininçözümünde diğer biryaklaşımsa, biyoaktifmalzemelerinkullanılması.• Bu malzemeler, ara yüzeyde kendine özgübir biyolojik tepki oluştururlar ve sonuçtamalzeme ve dokular arasında kemikoluşumu.

• Bu yaklaşımla, bağlanma süresi,dayanımı ve mekanizması birbirindenfarklı olan çok sayıda biyoaktif malzemeüretilmiş bulunuyor.

• Bu gruptaki malzemeler,•biyoaktif camlar (Bioglass);•biyoaktif cam-seramikler (Ceravital, A-W camseramik;•yoğun HA (Durapatite ve Calcitite)•biyoaktif kompozitler (HA-PE, HA-Bioglass,paslanmaz çelik lifler ile güçlendirilmiş Bioglass)

Kaynak : Karaca Sinan Öner, Tufan Adıyaman, Ziya Engin Erkmen, Seramik, 19,2007

Biyocam ve Hidroksiapatit

• Doğal kemiğin temel mineral bileşimi olanhidroksiapatit esaslı malzemeler, biyouyumluve biyoaktif olmalarından ötürü biyomedikaluygulamalar için uygundurlar.• Bununla beraber seramiklerin zayıfmekanik özellikleri, özellikle HA’nın vücuttayük taşıyan bölgelerde implant olarakkullanımını sınırlamaktadır.





02.10.2016

15


• Diğer yandan biyocamlar HA’ya görebiyoaktivite açısından daha iyi özelliktedir.

•Biyocam ve hidroksiapatit (HA) gibibiyoaktif seramikler otuz yıllık bir geçmişesahiptir. Bu malzemeler biyomedikaluygulamalarda geniş ölçüdekullanılmaktadır.


• Kalsiyum fosfat seramikleri, özelliklehidroksiapatit, hem dişçilik hem deortopedide birçok uygulama için implantmalzeme olarak kullanılmaktadır.• Bunun nedeni, vücudayerleştirildiklerinde çevre kemikdokusuyla gerçek bir kemikoluşturmalarıdır.

Biyocam•Biyocam, kemiğe mükemmel kaynaşımısayesinde, halen kullanılan hidroksiapatitkaplamaların iyi bir alternatifi durumundadır.•Ana bileşenler silikon, kalsiyum, kalsiyum, fosforoksitleri ve kalsiyum florürdür.•Biyoaktif silika camlarının çoğu ‘45S5 Bioglass’patentli formule göre dizayn edilir. Bu formül, %45SiO2 (Si = ağ oluşturucu) ve 5 : 1 CaO/P2O5oranını göstermektedir. Daha düşük CaO/P2O5oranlı camlar kemiğe bağlanamamaktadır.

• Tabloda günümüzde yaygınca kullanılanbiyomalzemelerin cinsleri ve kullanım alanlarınıözetlemektedir





02.10.2016

16

Hidroksiapatit (HA veya HAp)

Hidroksiapatit kemiğin temel inorganikbileşenidir ve iskelet yeniden yapılanmasıiçin bir implant maddesidir.

HA biyoimplant maddesi olarak kendisitek başına ya da bir kompozit parçasıolarak ilgi çekmektedir.

Hidroksiapatit

Hidroksiapatit mükemmel biyouygunluğuve biyoaktifliği nedeni ile kaplama olarakbir çok biyotıbbi uygulamada kullanılarakpolimerin yapısmasını ve kemikoluşumunu artırmaktadır.

HA sadece biyoaktif değil aynı zamandaostekondüktif, toksik olmayan birmaddedir.

Hidroksiapatit

Most Hydroxyapatite

Fills in holes in Collagen

Inorganic (60%)

Ca10 (PO4)6 (OH)2





02.10.2016

17

Hydroxyapatite

Başlangıç 8 Hafta6 Hafta

Süngerimsi kemik

Yetişkinlerin iskeletinin % 20

Kortikal kemikten 20 kat daha az sertlikte

3D Yazıcı

Biyobozunur Malzemeler

Seramik Malzemeler

Polimer Malzemeler

Metalik Malzemeler

KompozitMalzemeler





02.10.2016

18

Biyobozunur Seramikler

• TriCalcium Phosphate (Ca3(PO4)2)– ASTM F1088 Standard Specification for Beta-

TriCalcium Phosphate for Surgical Implants

Tüm kalsiyum fosfat seramikleri değişen hızlarda biyolojik olarak bozunurlar.

Fiziksel Özellikler• Trikalsiyum Fosfat (TCP)

– Bulk Density 0.51 g/cc (±0.05)

– Porosity 83.5% (±1.56)

– Sintered (strut) Density 93%

– Crush Strength 1.31 MPa (±0.25)

– Modulus 39.9 MPa

Tricalcium phosphate

Başlangıç 8 Hafta6 Hafta

• Kalsiyum fosfat seramikleri, gözenekliyapıda da hazırlanabilir.

• Gözenekli seramik implantların enbüyük avantajı; kemik, seramikmalzemenin gözenekleri içerisindebüyüdüğünde, oluşan ara yüzeyinmekanik açıdan yüksek kararlılığa sahipolması.





02.10.2016

19

• Gözenekli implantlar kemik oluşumuiçin yapı iskelesi olarak kullanılırlar.

• Kemik kırıklarını doldurmak içingözenekli sentetik kalsiyum fosfatseramikler kullanılırken, dişimplantlarında kaplama olarak gözeneklihidroksiapatit malzeme kullanılıyor.

Emilebilen seramik implantların geliştirilmesinde dikkat edilecek noktalarsa şöyle sıralanabilir:

1) Bozunma süresince ara yüzey kararlılığı ve dayanımı korunmalı.2) Doku türüne, yaşına ve sağlık durumuna bağlı olan doku yenileme hızı, emilme hızına uygun olmalı.3) Malzeme, yalnızca metabolik olarak kabul edilebilecek maddeleri içermeli. Aksi halde kronik iltihaplanma olur ve ağrı başlar.

Replication MethodRaw Material-Reticulated Foam

Macro photograph SEM micrograph





02.10.2016

20

Biyobozunur polimerler

Natural polymers Fibrin Collagen Chitosan Gelatin Hyaluronan ...

Synthetic polymers PLA, PGA, PLGA, PCL, Polyorthoesters … Poly(dioxanone) Poly(anhydrides) Poly(trimethylene carbonate) Polyphosphazenes ...

PLA (polylactic acid) fosfat cam iskeleler

Sentetik yada Doğal Biyobozunur PolimerlerNeden doğal olanı tercih etmeliyiz?

Tölere edilebilir özellikler Önceden tahmin edilebilir tekdüzelik Bağışıklık sistemine zararsız Hammadde güvenilir bir kaynaktan

Bozunma 4 basamakta gerçekleşebilir:

• Su emilimi

• Mekanik özelliklerin azalması (modül &

mukavemet)

• Molar kütlenin azalması

• Ağırlık kaybı





02.10.2016

21

Bozunma Düzenleri

Yüzey erozyonu (poly(ortho)esters and polyanhydrides) Örnek yüzeyden erozyona uğrar Kütle kaybı yığının içine suyun girmesinden

daha hızlıdır

Yığın (bulk) bozunma (PLA,PGA,PLGA, PCL) Bozunma numunenin tamamı boyunca yer

alır. Suyun sızması bozunma hızından daha

hızlıdır.

Erozyonla Polimerin Bozunması

(a)Bulk-eroding system

(b)Surface-eroding system

Polimer Bozunmasını Hızlandıran Faktörler

Daha hidrofilik omurga (backbone). Daha hidrofilik uç gurplar (endgroups). Omurgada daha reaktif hidrolitik gruplar. Düşük kristalinite. Daha fazla gözeneklilik. Daha küçük cihaz boyutu.





02.10.2016

22

Biyobozunur Magnezyum

• Magnezyum , potansiyel bir biyobozunur ve biyouyumlu bir malzeme olarak ilgi çekmektedir.

• Magnezyumun en ilgi çekici fiziksel karakteristiği , insan kemiğine yakın elastisite modülü, yüksek mukavemetidir.

• Magnezyum, insan metabolizması için gerekli olan bir mineraldir. Eksikliği farklı patolojik durumları açığa çıkartır. İnsan vücudu 1 mol (yaklaşık 24 g) magnezyum içerir.





02.10.2016

23

Biyobozunur Magnezyum

• Buna rağmen magnezyumun en büyüksınırlayıcısı, düşük korozyon direncidir.

• Düşük korozyon direnci bozunma ürünlerininhızlıca ortaya çıkmasıyla sonuçlanır.

• Fiziksel şartlar altında yüksek bozunma hızı,doku ve kemiğin yeterince iyileşmeden önceimplantın mekanik bütünlüğünde bir azalmayaneden olur.





02.10.2016

24

Biyobozunur Kompozitler





Documents

Biyomalzemelerin Sınıflandırılması