Upload
major
View
123
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ORTOPEDİDE BİYOMATERYALLER VE BİYOLOJİK YANIT. Dr.F.Levent UMUR GATA HEH Ortopedi ve Travmatoloji Servisi. Takdim Planı. Genel Kavramlar Ortopedide Sık Kullanılan Biyomateryaller ve Özellikleri Biyomateryallerin Bozunma Mekanizmaları Biyomateryallere Biyolojik Yanıt. Tanım. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
ORTOPEDİDE BİYOMATERYALLER VE BİYOLOJİK YANIT
Dr.F.Levent UMURGATA HEH Ortopedi ve Travmatoloji Servisi
Takdim Planı
Genel Kavramlar Ortopedide Sık Kullanılan Biyomateryaller
ve Özellikleri Biyomateryallerin Bozunma Mekanizmaları Biyomateryallere Biyolojik Yanıt
Tanım
Vücudun zarar gören veya işlevini yitiren doku veya organının işlevlerini kısmi veya tamamen yerine getirmek üzere tasarlanmış sentetik veya işlenmiş doğal maddelerin tümüne biyomateryal denir.
Ortopedi de implant kullanım amaçları Yük iletimini ve stres dağılımını
sağlamakEklem işlevlerini yerine getirmekBoşluk doldurmakDoku rejenerasyonuna rehberlik
etmek
Biyouyumluluk
Biyomateryaller in-vivo ortamda lokal veya sistemik reaksiyona neden olmamalı
Vücut tarafından da değiştirilerek, ortadan kaldırılmamalı (yüzey uyumu)
Mekanik özellikleri kullanıldığı yerin mekanik özellikleri ile uyum sağlamalıdır. (yapısal uyum)
Biyouyumluluk
Biyoinert : Biyolojik sistemle herhangi bir tepkimeye girmezler. (Alümina (Al2O3) ve Zirkonyum)
Biyoaktif : İmplantla etrafındaki dokular arasında kimyasal bağ oluştururlar.Bağlanma, implantla doku arasındaki haraketliliği engeller, ayrıca implantın vücut tarafından dışlanmasını da engeller. (Hidroksiapatit, Biyocam, Cam-seramik ve Kompozitler)
Biyoçözünür : İmplant malzeme çözünerek kendisini çevreleyen doku tarafından emilir. (Trisodyum fosfat, Kalsiyum fosfat tuzları ve Polilaktik asit / Karbon kompozitleri)
Biyotoleran : Arada fibröz doku vardır. (Çelik, kemik çimentosu )
Biyomateryallerin Dokularla Etkileşimi
Malzeme toksikse, çevresinde doku nekrozu.
Malzeme toksik değil ve biyoinertse, değişik kalınlıklarda fibroz doku oluşur.
Malzeme toksik değil ve biyoaktifse, doku implant ara yüzeyinde bağlanma gerçekleşir.
Malzeme toksik değil fakat çözünürse, çevresindeki
doku impantın yerini alır.
Elastik Modulus (Young)
Bir materyalin yük altındaki uzama miktarıdır.
Plastik davranış Biyomateryalin yapısında geri
dönüşümsüz değişikliklerin oluşmasıdır.
Başka bir deyişle elastik davranışın bittiği noktadır.
Maddenin mekanik özellikleri basınç (stress) – gerinim ( strain ) ile tanımlanır.
Basınç: Birim yüzeye gelen kuvvet
Gerinim: Birim uygulanan kuvvete bağlı maddede deformasyon miktarı
Ductile (eğilebilir)
Bir maddenin kırılmadan plastik davranış gösterebilmesidir. (Paslanmaz Çelik)
Brittle (kırılgan)
Bir maddenin maksimum elastik davranış gösterebileceği yük miktarından fazla yük verildiğinde plastik davranış göstermeden kırılmasıdır. (Seramik)
Ductile & Brittle
Bu iki özellik maddenin ısısı değiştirilerek değiştirlebilir.
Maddenin şekli ile de ilişkilidir. Örnek çelik blok/çelik çubuk
İzotropik & Anizotropik
Bir maddeye uygulanan kuvvetin yönünden bağımsız olarak madde aynı yük/uzama eğrisi gösteriyorsa bu maddeler izotropik madde denir. (Seramik, metal)
Bazı maddelerse kuvvetin şekli ve yönü değiştiğinde farklı yük/uzama eğrileri gösterir, bu maddelere de anizotropik madde adı verilir.
İzotropik & Anizotropik
Birçok biyolojik madde anizotropik davranış gösterir.Tendon, lifleri boyunca gelen bir kuvvete
gösterdiği mukavemet ile liflerine dik gelen bir kuvvete gösterdiği mukavemet aynı değildir.
Viskoelastik davranış
Yük/uzama eğrisinde zaman boyutu: Yüklenme zamanı.
Farklı yüklenme zamanlarında farklı yük/uzama eğrileri gösteren maddelere viskoelastik madde denir.
Viskoelastik davranış
Örnek: Düşük yüklenme zamanında tendon kemiğe göre daha güçlü iken, hızlı yüklenme zamanında kemik tendondan daha güçlüdür.
Avülsiyon kırıklarını veya tendon rüptürlerini açıklayan biyomekanik yaklaşım.
Yorgunluk (fatigue)
Bir maddenin plastik deformite göstereceği yüklenme miktarının altında ancak tekrarlayan yüklenmelere maruz kalması sonrasında kırılmasına yorgunluk denir.
Yorgunluk
Öncelikle mikro çatlaklar oluşur.
Bu çatlaklar giderek ilerler. (crack propagation)
Tam kata ulaştığında madde kırılmış olur.
Stres Kalkanı Etkisi
İmplanta gelen mekanik kuvvetler ve çevredeki değişikliklere yanıt olarak kemik kütlesi ve geometrisinde değişiklikler
İmplant uygulandığı zaman kemiğin mekanik özellikleri ve sonuçta kemiğe gelen yükler değişir.
Sonuçta Adaptif kemik kaybı
ABD’de bir yılda yaklaşık 11 milyon kişiye en az bir medikal implant uygulandığı bildirilmektedir.
Biyomateryaller
Artrit Kırık tdv. Kanser tdv. Kongenital
Toplam 54.589 20.101 5.918 717
Morbidite 41.597 3.003 belirsiz
Maliyet Değerlendirmesi(Milyon dolar)
İdeal Ortopedik İmplant
Biyouyumlu 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
Ortopedik Biyomalzemeler
Metallera. Paslanmaz çelikb. Kobalt-krom alaşımlarıc. Titanyum alaşımları
Polimerlera. Polimetilmetakrilatb. Polietilenlerc. Eriyebilen polimerler
Seramiklera. Alüminyumb. Zirkonyumc. Kalsiyum fosfat seramikler
Metalik Biomalzemeler
Sıkıca birleşmiş kristal yapıda sık kullanılan rijit implantlardır.
Saf metal kullanılmamaktadır, alaşımdır.
Kolay şekillendirilebilir, yüksek mukavemet ve aşınma direncine sahiptir.
Tensil ve kompresyon modülü yüksek, elastisite ve plastik deformasyonu kabul edilebilir oranda Ti6Al4V alaşımlar
Paslanmaz çelik (316L)
Co-Cr alaşımlar
Sterilizasyon ve implantasyon gibi çevresel faktörlere çok iyi direnç gösterir.
Biyouyumluluklarının ve korozyon dirençlerinin düşük olması, yoğunluklarının yüksek olması, dokulara göre çok sert olmaları, alerjik doku reaksiyonlarının oluşması dezavantajdır.
Paslanmaz Çelik
Metal implantlar arasında ilk kullanıma giren paslanmaz çeliktir
316L “L” , karbon içeriği düşük
Geçici implantasyonda tercih edilir
Korozyon, biyouyumluluk ve yorgunluk ömrü gibi açılardan diğer alaşımların gerisindedir.
Plak ve vidalar, çukurlaşma yarık korozyonuna yüksek oranda maruz kalır
Kobalt Alaşımlar
Kobalt alaşımları korozyona paslanmaz çelikten daha dirençlidir.
Yorgunluk dayanımları ve elastik modülleri paslanmaz çelik ve titanyumdan daha yüksektir.
Sert olmaları işlenmelerini zorlaştırır.
Titanyum Alaşımlar
Ti-6Al-4V Korozyona dirençleri mükemmeldir Elastik modülleri diğer metallerden
daha düşüktür
(kemiğinkinin 5-7 katı)
Stres Kalkanı Titanyum alaşımları , dayanıklı ve hafif
oluşları nedeniyle eklem protezleri yapımında kullanılırken, yüksek sürtünme katsayıları nedeniyle eklem yüzeyleri için ideal değildirler
Tantalyum
Son 20 yılda giderek artan kullanım alanı
Poroz yüzey kaplamaları, kemik-protez bileşkeleri (TKA, TDA)
Trabeküler yapı sayesinde protez-kemik tutunma oranı
Polimerler
Monomer adı verilen binlerce küçük yapısal üniteden oluşmuş makromoleküllerdir. (karbon, hidrojen,
oksijen, nitrojen ) Polimerlerin, sert, yumuşak, hidrofilik,
hidrofobik, esnek, gözenekli,gözeneksiz gibi çeşitli yapılarda olması değişik organlar ile uyum sağlayabilmesini kolaylaştırır.
Komplike malzemeleri üretmek kolaydır.
Biyoçözünürlük özelliği vardır
Polimetilmetakrilat (PMMA) Kemik Çimentosu
Protez kompenentlerini kemiğe fikse etmek için kullanılır.
Kemiğe yakın elastik modülü ile, kemik ve bu kompenentler arasındaki kısmı doldurur ve proteze ulaşan kuvvetlerin protez yüzeylerinden kemik yüzeylerine aktarılmasını sağlar.
Kemik çimentosu kompresyona karşı oldukça dayanıklı iken gerilime ve makaslama kuvvetlerine karşı dayanıksızdır
Çok Yüksek Molekül Ağırlıklı (UHMW) Polietilen
Yük binen yüzeylerde metal veya seramikler ile eklemleşmek üzere kullanılır.
Metal veya seramiklerle karşı karşıya kullanılması durumunda metal-metal eklemleşmesine göre çok daha düşük bir sürtünme katsayısı sağlanmaktadır
Kemik ve kıkırdağınkine yakın olan elastik modülü nedeniyle şok yüklenmeler esnasında bu şoku azaltıcı bir rol oynar.
Biyoçözünür Polimerler
Polilaktik asid polimerleri (PLA)
Poliglikolik asid polimerleri (PGA)
• Kırık fiksasyonunda
• Kemik defekt doldurulmasında
Yük taşıma özelliği yok
• Antibiyotik ve büyüme faktörü taşıtılabilir
• Rezorpsiyon ikinci cerrahi girişim gerekliliğini ortadan kaldırır
Seramikler
•Slika ve alumina gibi metal ve metal olmayan elementlerden oluşmuştur•İnert ya da biyoaktif malzemelerdir.•Porous yapıda biyoaktif seramik materyaller mukavemeti oldukça düşüktür•Biyouyumlulukları, korozyona ve aşınmaya karşı direnci yüksektir. •Kırılgan olmaları, işlenmelerinin zor olması, esnek olmamaları en önemli dezavantajlarıdır.
Alumina Calcium phosphate (apatite)Zirkonya Calcium carbonate
Alümina (Al2O3)
Biyoinert olduğu için biyouyumluluğu mükemmeldir. Yüksek aşınma direncine ve düşük sürtünme katsayısı Mukavemet, yorulma ve tokluk gibi özellikleri tane
büyüklüğüne ve sinterlenme derecesine bağlı. Elastik modülünün kemiğin elastik modülünden daha
yüksek olması problemler yaratmaktadır. Özellikle kalça protezlerinde kullanılmaktadır.
Zirkonya (ZrO2)
Biyoinerttir, düşük sürtünme katsayısına ve yüksek aşınma direncine sahiptir.
Gerilme dayanımının zamanla azalması, potansiyel radyoaktif elementler içermesi ve kaplama özelliklerinin düşük olması dezavantajlarıdır.
Elastik modülü alüminanınkinden daha düşük, mukavemeti ve tokluğu daha yüksektir.
Özellikle femur başlarında kullanılmaktadır.
Kalsiyum Fosfat Seramikleri
Tetrakalsiyum fosfat, Ca4P2O9, Amorf kalsiyum fosfatTrikalsiyum fosfat, (TCP), Ca3(PO4)2, Hidroksiapatit, (HA), Ca5(PO4)3OH
Gözenekli yapıdadır Kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak
kullanılmaktadır.( Yapay kemik) Metalik implantlar üzerinde kaplama
olarak kullanılmaktadır. Değişen hızlarda biyolojik olarak
bozunurlar. Kararlılıkları sıcaklığa ve bulunduğu
ortama bağlıdır.
Çözünebilirlik
Biyomateryallerin Bozulması
Yıpranma (corrosion) Bozunma (degradation) Aşınma (wear ) Mekanik yüklenme Kombine etki
Yıpranma (korozyon)
İmplant yüzeyinde hasar ( implant gücünde azalma) Ortama yıpranma ürünlerinin salınımı
Vücut ortamında tuzlu çözeltide çözünme
1. Galvanik yıpranma (elektrokimyasal potansiyel)
1. Sürtünme (fretting ) yıpranması
2. Çatlak-çukur (crevice) yıpranması
Bozunma (degradation)
Vücuttaki yıpratıcı kimyasal ortama bağlı görülen değişik tip bir korozyon biçimidir.
Malzeme sahip olduğu özellikleri yitirir.
Polietilen oksidatif bozunma:İmplantta yorgunluk tipi aşınma mekanizmalarına duyarlılık artar
Aşınma (wear)
Aşınma maddenin bir
yüzeyden ayrılmasıdır
Yapışma aşınması Bilenme aşınması Yorgunluk aşınması
Biyomateryale Biyolojik Yanıt Hasarlanma Akut inflamasyon Granulasyon dokusu Yabancı cisim reaksiyonu Fibrozis
Biyomalzemeye bağlı osteolitik veya adaptif dizin
Hücresel yanıt
Yabancı cisimdev hücreleri,Makrofajlar,FibroblastlarEndotel hücreleri Makrofaj
birikimi
Kemokinler
Ağ metaloproteinazlarıstromiyelazin ve kollagenaz’ın artışı
İnflamasyon
Osteoklast
Osteoklastöncülütek çekirdeklihücreler
Partikül hareketi -Kan-Lenf-Dalak-Karaciğer
Batın içi organlar
Sarkom ?
Granülom
İmplant çevresi kemikterezorpsiyon
PNL aktivasyonu sonrası spesifik inflamatuar yanıt
Biyomateryalin yüzey kimyası ve
Absorbe ettiği proteinin reaksiyon
özelliği yanıtı spesifikleştirir
Yanıtın şiddetini nötrofil ve diğer
lökositlerin protein tabakaya adhezyonu belirler
Adhezyon sonrası; fagositoz, oksidatif parçalama, proteaz
salınımı ile süreç devam eder
Lokal Erken Yanıt
Lokal erken yanıt
Biyomateryal kan ile temas ettiğinde;
Ekstrasellüler proteinler biyomateryal yüzeyine yapışır. Trombositler birkaç saniye içinde proteinli yüzeye gelir ve mediatörlerini salgılar
Polimorf nüveli lökositler (PNL)
10 dk içinde toplanır
PNL aktivasyonu 30 dk da başlar
İnterlökin-1 (IL-1) İnterlökin-6 (IL-6) Tümör nekrosis faktör- (TNF- ) Prostaglandin E2 Bazı kemokinler
MCP-1 (Monosit Kemotaktik Protein) MIP-1Makrofaj İnflamatuvar Protein) RANTES (regulated upon activation, normal T
cell expressed and secreted )
Parçacıkların çevresindemakrofaj birikmesi
İnflamasyon
Toplumda metale dermal duyarlılık % 10-15
Tip 1 Tip 2 Tip 3 Tip 4 ( hücresel, günler içerisinde )
Ortopedik implantlara karşı en sık olandır
Antijen T lenfosit makrofaj Sentizizasyonu aktivasyonu
Duyarlılık ve İmmun Yanıt
Osteolitik Süreç
İmplant çevresi kemik rezorpsiyonu
Aşınma partiküllerinin oluşumu Lokalize antienflamatuar yanıt Fibröz doku oluşumu Granulasyon dokusu
Makrofaj Fibroblast lenfosit
İmplant çevresi osteoliz İmplant yetmezliği
İmplant Debrisine Yanıt
Mikropartiküllerin çoğu 5 µm’den küçüktür.
Bu partikülün büyüklüğüne Şekline İçeriğine Elektrik yüküne Sayısına
göre hücresel yanıt farklı olur.
0,2-10 µm partiküller makrofajlar tarafında fagosite edilir sonuçta enflamatuar sitokinler artar (TNF, IL, PGE, Metalloproteinazlar) bu süreçte osteoklastlar aktive olur
Metal Salınımı
Titanyum partiküllerine bağlı visseral granülomatoz
Titanyum ve krom’un serum ve idrardaki yoğunlukları normal işlev gören protezli hastalarda bile topluma göre daha yüksek bulunmuştur.
Jacobs ve ark. J Bone Joint Surg80-A:1447-1458, 1998
K.Ciğer Dalak Lenf düğümü
Urban ve ark. J Bone Joint Surg82-A:457-477, 2000
makrofajlar
granülom
13/38
Metal parçacıklara bağlı sistemik yan etkiler
Ortopedik İmplant Başarısı
Hastanın durumu/doğru implant seçimi
Cerrahın teknik becerisi
İmplantın biyouyumluluğu
İmplantın mekanik özellikleri
Aşınma/bozunmaya direnç
TEŞEKKÜR EDERİM