ÖNSÖZ

Bu çalışmada genel olarak biyomalzemelerin ve biyouyumluluğun tanımı

yapılmış olup, biyoseramik malzemeler ve çeşitleri üzerine detaylı araştırma

yapılmıştır.

Özellikle nanoteknolojinin gelişmesi ışığında nanobiyomalzemeler üzerine

yapılan çalışmalar sayesinde, gelecekte bugün akla hayal gibi gelen birçok şey

gerçekleşecektir. Özellikle ulusal güvenlik açısından mikro ve nano boyutta

izleme cihazlarının yapılması, insan vücuduna uyumlu askeri ve stratejik amaçlı

implantların üretilmesi çok büyük önem arzetmektedir. Bu teknolojinin

geliştirilmesinde, özellikle ileri teknoloji seramiklerinin ve biyoseramik olarak

kullanılan malzemelerin çok büyük etkisi olması beklenmektedir.

Bu çalışmanın yürütülmesi ve sonuçlandırılmasında çok büyük bir emek ve

katkısı bulunan Doç. Dr. Şenol YILMAZ’a teşekkür ederken, eğitim hayatım

boyunca sağladıkları maddi ve manevi destekten ötürü aileme şükranlarımı

sunarım.

i

İÇİNDEKİLER

ÖNSÖZ.....................................................................................................................i

İÇİNDEKİLER........................................................................................................ii

BÖLÜM 1

GİRİŞ VE AMAÇ....................................................................................................1

BÖLÜM 2

BİYOMALZEMELER VE SINIFLANDIRILMASI..............................................2

2.1. BİYOUYUMLULUK...............................................................................6

2.2. BİYOMALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI..................................9

2.2.1. Problem Türüne Göre Sınıflandırma..................................................9

2.2.2. Doku/Organ Türüne Göre Sınıflandırma.........................................10

2.2.3. Uygulanan Vücut Sistemine Göre Sınıflandırma.............................10

2.2.4. Malzeme Cinsine Göre Sınıflandırma..............................................11

2.3. METALİK BİYOMALZEMELER.........................................................12

2.4. POLİMERİK BİYOMALZEMELER.....................................................18

BÖLÜM 3

SERAMİK BİYOMALZEMELER........................................................................21

3.1. Alümina.......................................................................................................22

3.2. Zirkonya (Zirkonyum Oksit; ZrO2)............................................................24

3.3. Karbon.........................................................................................................27

3.4. Kalsiyum Fosfat Seramikler....................................................................30

3.4.1. Hidroksiapatit...................................................................................30

3.4.1.1. Hidroksiapatitin Biyouyumluluğu................................................33

3.4.1.2. Hidroksiapatitin Üretim Yöntemleri............................................33

3.4.1.3. Hidroksiapatitin Metalik Biyomalzemeler Üzerine Kaplanması. 36

3.4.1.4. Hidroksiapatit Kaplama Teknikleri..............................................38

3.5. Cam ve Cam-Seramikler.........................................................................39

3.5.1. Cam Seramiklerin Üretim Yöntemleri.............................................42

3.5.1.1. Klasik cam-seramik üretim yöntemi............................................42

3.5.1.2. Toz yöntemleri ile cam-seramik üretimi......................................44

ii

3.6. Biyoseramiklerin Dokularla Etkileşimi...................................................46

BÖLÜM 4

NANOBİYOMALZEMELER...............................................................................49

4.1. Biyomalzemeler ve Nanobiyomalzemelerin Gelişimi............................49

4.2. Biyosensörler...........................................................................................51

4.3. Biyoçipler................................................................................................52

4.4. Doku yenilenmesi....................................................................................53

4.5. Yeni Organ Gelişimi...............................................................................55

4.6. Nanorobotlar............................................................................................55

BÖLÜM 5

SONUÇ..................................................................................................................57

BÖLÜM 6

KAYNAKLAR......................................................................................................58

iii

BÖLÜM 1

GİRİŞ VE AMAÇ

Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya

da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir.

Başka bir tanımla biyomalzemeler, yaşayan sistemlerin içerisinde veya onlarla

ilişkide olan sistematik ve farmakolojik olarak reaksiyona girmeyen

malzemelerdir.

Bu çalışmadanın amacı biyomalzemelerin ve biyouyumluluğun geniş çerçevede

tanımını yaparak, biyoseramik malzemeler ve sınıflandırılması üzerine detaylı

araştırma inceleme yapmaktır.

1

BÖLÜM 2

BİYOMALZEMELER VE SINIFLANDIRILMASI

Günümüzde büyük ilerlemelerin kaydedildiği bilim dallarından biri olan

“biyomalzeme bilimi”nde, biyolojik sistemlerle etkileştiğinde uyum

sağlayabilecek yeni malzemelerin geliştirilmesi için yoğun çaba harcanmaktadır.

Biyomalzeme uygulamaları, malzeme bilimi, doku mühendisliği ve biyomedikal

alanda yapılan çalışmalara birincil derecede bağlı olup, bilim alanlarının aşağıdaki

resimde gösterildiği üzere senteziyle güçlenmiş ve başlı başına bir uzmanlık alanı

haline gelmiştir.

Şekil 2.1. Sentez bilim dalı olarak ‘Biyomalzeme Bilimi’ ve diğer bilim

dallarıyla etkileşimi [1] .

Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya

da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemeler olup, sürekli

olarak veya belli aralıklarla vücut akışkanlarıyla (örneğin kan) temas ederler.

Bilimsel anlamda yeni bir alan olmasına karşın, uygulama açısından biyomalzeme

kullanımı tarihin çok eski zamanlarına kadar uzanmakta. Mısır mumyalarında

2

bulunan yapay göz, burun ve dişler bunun en güzel kanıtları. Altının diş

hekimliğinde kullanımı, 2000 yıl öncesine kadar uzanmakta. Bronz ve bakır

kemik implantlarının kullanımı, milattan önceye kadar gitmekte.

Bakır iyonunun vücudu zehirleyici etkisine karşın 19. yüzyıl ortalarına kadar daha

uygun malzeme bulunamadığından bu implantların kullanımı devam etmiştir. 19.

yüzyıl ortasından itibaren yabancı malzemelerin vücut içerisinde kullanımına

yönelik ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir. Örneğin 1880’de fildişi protezler vücuda

yerleştirilmiştir. İlk metal protez, vitalyum alaşımından 1938’de üretilmiştir.

1960’lara kadar kullanılan bu protezler, metal korozyona uğradığında ciddi

tehlikeler yaratmıştır. 1972’de alumina ve zirkonya isimli iki seramik yapı

herhangi bir biyolojik olumsuzluk yaratmaksızın kullanılmaya başlanmış ancak

inert yapıdaki bu seramikler dokuya bağlanamadıklarından çok çabuk

zayıflamışlar. Aynı yıllarda Hench tarafından geliştirilen biyoaktif seramikler,

(örneğin biyocam ve hidroksiapatit) ile bu problem çözülmüş bulunuyor. İlk

başarılı sentetik implantlar, iskeletteki kırıkların tedavisinde kullanılan kemik

plakalarıydı. Bunu 1950’lerde kan damarlarının değişimi ve yapay kalp

vanalarının geliştirilmesi, 1960’larda da kalça protezleri izledi. Kalp ile ilgili

cihazlarda esnek yapılı sentetik bir polimer olan poliüretan kullanılırken, kalça

protezlerinde paslanmaz çelik öne geçti. Bunun yanısıra, ilk olarak 1937’de diş

hekimliğinde kullanılmaya başlanan poli(metilmetakrilat) (diş akriliği olarak da

bilinir) ve yüksek molekül ağırlıklı polietilen de kalça protezi olarak kullanıldı. II.

Dünya Savaşından sonra, paraşüt bezi (Vinyon N adıyla bilinen poliamid) damar

protezlerinde kullanıldı. 1970’lerde ilk sentetik, bozunur yapıdaki ameliyat ipliği,

poli(glikolik asit)’den üretildi. Kısacası, son 30 yılda 40’ı aşkın metal, seramik ve

polimer, vücudun 40’dan fazla değişik parçasının onarımı ve yenilenmesi için

kullanıldı. Biyomalzemeler, yalnızca implant olarak değil, ekstrakorporeal

cihazlarda (vücut dışına yerleştirilen ama vücutla etkileşim halindeki cihazlar),

çeşitli eczacilık ürünlerinde veteşhis kitlerinde de yaygın olarak kullanılmakta.

Günümüzde, yüzlerce firma tarafından çok sayıda biyomalzeme üretilmekte.

2700’ü aşkın çeşitte tıbbi cihaz, 2500 kadar farklı teşhis ürünü ve yaklaşık 39.000

civarında değişik eczacılık ürünü, bu teknolojinin en büyük pazarını oluşturuyor.

3

Ancak, halen biyomalzemeden kaynaklanan aşılamamış sorunlar da var. Bunların

çözümünde doku mühendisliği ve gen tedavisi alternatif yaklaşımlar sunuyorlar.

Özellikle nanoteknoloji, bilişim teknolojileri ve fabrikasyon yöntemlerindeki

gelişmelere paralel olarak daha mükemmel biyomalzemelerin geliştirilmesi

hedefleniyor [2].

Şekil 2.2: Biyomalzemelerin insan vücudundaki kullanım yerleri [3].

Biyomalzemeler temel olarak tıbbi uygulamalarda kullanılmalarına karşın,

biyoteknolojik alandaki kullanımları da göz ardı edilmemeli. 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

[4] . Biyomalzemelerin tarihine bakıldığında, 1900’lü yılların başında çeliğin

önem kazandığı görülmüştür. Fakat çelikte oksidasyon olduğu için paslanmaz

çelik , kobalt,krom kullanılmaya başlanmıştır. Biyomalzemeler arasında vücutta

en uyumlu olanı altındır, çünkü asal bir elementtir. Daha sonraları, II.Dünya

4

savaşından sonra bulunan cam şeklinde gözüken polimetilmetakrilatın (PMMA)

vücutla tamamen uyumlu olduğu ortaya çıkmıştır. Bir diğer buluş, inorganik

yapının bulunması kemiklerde uyumlu hidroksiapatit (biyoseramik), 60’lı

yıllardan itibaren kalp kapakçıkları , 70’li yıllarda kontakt lens bulunan en önemli

malzemelerdendir. Tarihte bulunan ilk biyomalzeme de asa yani bastondur [5] .

Biyomalzemelerin Kullanım Alanları’na bakıldığında insan hayatını çepeçevre

kuşattığı görülmüştür. Maddeler halinde kısaca şu şekilde sıralanabilir:

1. Hastalıklı veya hasar görmüş kısımların yerine (diyaliz, protezler)

2. İyileşmeye yardımcı olmak (ameliyat ipliği(kat-küt),vidalar teller)

3. Fonksiyonelliği artırmak (lens kalp pili işitme cihazı)

4. Kozmetik problemleri düzeltmek (diş teli, deri implantasyonu, silikon)

5. Tedaviye yardımcı olmak (katater,direnaj)

6. Teşhise yardımcı olmak (biyoalgılayıcılar, endoskopi,enjektör)

7. Fonksiyon bozukluklarını düzeltmek(omuga fixatörleri)

Yine sistemde kullanılan biyomalzemeleri de;

İskelet sistemi- protez, tel, vida

Kas sistemi- Kas yırtıklarında kat-küt kullanılıyor.

Sindirim sistemi- Mide ve bağırsaklardaki yırtıklar için kat-küt,endoskopi

Dolaşım sistemi- Kalp kapakçığı,stent,yapay damar

Solunum sistemi- Vücut sıvısıyla / gazıyla temasta olması gerekiyor

(oksijenaratör),

Deri sistemi – Sargı bezi, yapay deri (Sargı bezi genelde polimerdir),

Boşaltım sistemi – Sonda , diyaliz makinesi,

Endokrin sistemi- Pankreas hücrelerinin kapsüllenmiş yapıları,

Üreme sistemi ,

şeklinde sıralanabilmektedir [5] .

5

2.1. BİYOUYUMLULUK

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 gerekir. 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.

Başka bir tanımla biyomalzemeler, yaşayan sistemlerin içerisinde veya onlarla

ilişkide olan sistematik ve farmakolojik olarak reaksiyona girmeyen

malzemelerdir.

Araştırmacılar , “biyomalzeme” ve “biyouyumluluk” terimlerini, malzemelerin

biyolojik performanslarını belirtmek için kullanmışlardır. Biyouyumluluk, bir

biyomalzemenin en önemli özelligi olup, vücut ile uyuşabilirlik olarak

tanımlanabilir. Biyomalzemeler, kendilerini çevreleyen dokuların normal

degişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı

oluşumu vb.) oluşturmayan malzemelerdir. Bazı araştırmacılar, biyouyumluluk

terimini biraz genişleterek, biyomalzemenin yapısal ve yüzey uyumlulugunu

ayrı ayrı tanımlamışlardır. Yüzey uyumlulugu, bir biyomalzemenin vücut

dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal

uyumluluk ise, malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sagladıgı

optimum uyumdur [5].

Biyomalzemeler, insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamında

kullanılırlar. Örneğin vücut sıvılarının pH değeri farklı dokulara göre 1 ila 9

arasında değişir. Günlük aktivitelerimiz sırasında kemiklerimiz yaklaşık 4MPa,

tendonlar ise 40-80 MPa değerinde gerilime maruz kalır. Bir kalça eklemindeki

6

ortalama yük, vücut ağırlığının 3 katına kadar çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler

sırasında ise bu değer vücut ağırlığı nın 10 katı kadar olabilir. Vücudumuzdaki bu

gerilimler ayakta durma, oturma ve koşma gibi faaliyetler sırasında sürekli

tekrarlanır. Biyomalzemelerin tüm bu zor koşullara dayanıklı olması gerekiyor.

Geçmişte gerek tahta, kauçuk gibi doğal malzemelerin, gerekse altın, cam gibi

yapay malzemelerin biyomalzeme olarak kullanımı deneme yanılma yoluyla

yapılmaktaydı. Vücudun bu malzemelere verdiği cevaplar son derece farklıydı.

Belirli koşullar altında, bazı malzemeler vücut tarafından kabul görürken, aynı

malzemeler, koşullar değiştiğinde vücut tarafından reddedilebilmekteydi. Son 30

yıl içinde biyomalzeme/doku etkileşimlerinin anlaşılması konusunda

önemlibilgiler elde edilmiş bulunuyor. Özellikle canlı ve cansız malzemeler

arasında çok büyük farklılıklar olduğu saptanmış durumda. Araştırmacılar,

“biyomalzeme” ve “biyouyumluluk” terimlerini, malzemelerin biyolojik

performanslarını belirtmek için kullanmışlar. Biyouyumlu olan malzemeler,

biyomalzeme olarak adlandırılmış ve biyouyumluluk; uygulama sırasında

malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği olarak tanımlanmış.

Biyouyumluluk, bir biyomalzemenin en önemli özelliği. Biyouyumlu, yani

‘vücutla uyuşabilir’ bir biyomalzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal

değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı

oluşumu, vb) meydana getirmeyen malzemedir. Wintermantel ve Mayer 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 dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur.

Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler, bedene yerleştirilebilir cihazların

hazırlanmasında kullanılıyorlar. Ancak halen mükemmel biyouyumluluğa sahip

bir malzeme sentezi gerçekleştirilebilmiş değil. Tabloda implant cihazlarda

kullanılan çeşitli doğal ve sentetik malzemelere örnekler verilmiştir.

Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler, kısacası biyomalzemeler metaller,

seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler olarak gruplandırılmakta.

Alüminyum oksit, biyoaktif cam, karbon ve hidroksiapatit (HA) biyouyumlu

seramik malzemelere örnek olarak verilebilir. Biyomalzemeolarak kullanılan

7

metaller ve alaşımlar ise, altın, tantal, paslanmaz çelik ve titanyum alaşımları.

Polietilen (PE), poliüretan (PU), politetraşoroetilen (PTFE), poliasetal (PA),

polimetilmetakrilat (PMMA), polietilenteraftalat (PET), silikon kauçuk (SR),

polisülfon (PS), polilaktik asit (PLA) ve poliglikolik asit (PGA) gibi çok sayıda

polimer, tıbbi uygulamalarda kullanılmakta. Her malzemenin kendine özgü

uygulama alanı mevcut. Polimerler, çok değişik bileşimlerde ve şekillerde (lif,

film, jel, boncuk, nanopartikül) hazırlanabilmeleri nedeniyle biyomalzeme olarak

geniş bir kullanım alanına sahipler.

Ne var ki, bazı uygulamalar için-örneğin, ortopedik alanda-mekanik dayanımları

zayıf. Ayrıca, sıvıları yapısına alarak şişebilir ya da istenmeyen zehirli ürünler

(monomerler, antioksidanlar gibi) salgılayabilirler. Daha da önemlisi,

sterilizasyon işlemleri (otoklavlama, etilen oksit, 60Co radyasyonu) polimer

özelliklerini etkileyebilir. Metaller, sağlamlıkları, şekillendirilebilir olmaları ve

yıpranmaya karşı dirençli olmaları nedeniyle biyomalzeme olarak bazı

uygulamalarda tercih ediliyorlar. Metallerin olumsuz yanlarıysa,

biyouyumluluklarının düşük olması, korozyona uğramaları, dokulara göre çok sert

olmaları, yüksek yoğunlukları ve alerjik doku reaksiyonlarına neden olabilecek

metal iyonu salımı. Seramikler, biyouyumlulukları son derece yüksek olan ve

korozyona dayanıklı malzemeler. Fakat bu avantajlarının yanısıra, kırılgan,

işlenmesi zor, düşük mekanik dayanıma sahip, esnek olmayan ve yüksek

yoğunluğa sahip malzemeler. Homojen özellik gösteren ve kullanım açısından

dezavantajlara sahip olan tüm bu malzeme gruplarına alternatif olarak da

kompozit malzemeler geliştirilmiş. Tıbbi uygulamalarda kullanılan

biyomalzemeleri; sert doku yerine kullanılacak biyomalzemeler ve yumuşak doku

yerine kullanılacak biyomalzemeler olarak iki grupta da toplamak olası. Ortopedik

ve diş implantları, genelde birinci grup kapsamına giren metal ve seramiklerden

hazırlanırken, kalp-damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri

polimerlerden üretiliyor. Ancak, böyle bir gruplandırma her zaman geçerli değil.

Örneğin, bir kalp kapakçığı polimer, metal ve karbondan hazırlanabilir; bir kalça

protezi de metal ve polimerlerin kompozitlerinden oluşabilir [2].

8

2.2. BİYOMALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI

Genel olarak biomalzemeler, problem türüne göre, biomalzemenin kullanıldığı

doku veya organ türüne göre, kullanıldıkları vücut sistemlerine göre, malzeme

cinsine göre sınıflandırılmaları mümkündür.

2.2.1. Problem Türüne Göre Sınıflandırma

Tablo 2.1. Problem türüne göre sınıflandırma [6]

Problem Türü Örnek

Hastalıklı veya yaralı parçanın

değiştirilmesi

Yapay diz protezi

İyileşmeye yardımı Ameliyat iplikleri, kemik plaka

ve vidaları

Fonksiyonlu iyileşme(daha iyi

görev yapma)

Kalp pili, kontakt lens

Fonksiyonel anormalliği

azaltmak

Harrington omurga çubuğu

Tedavi tasarımı Kateter

9

2.2.2. Doku/Organ Türüne Göre Sınıflandırma

Tablo 2.2. Biomalzemenin Kullanıldığı Doku veya Organ Türüne

Göre Sınıflandırma [6]

Doku/Organ Türü Örnek

Kalp Kalp pili, yapay kalp kapakçığı

Ciğer Oksijen makinası

Göz kontakt lens

Kemik Kemik plakası, kemik

çimentosu

Böbrek Diyaliz makinası

2.2.3. Uygulanan Vücut Sistemine Göre Sınıflandırma

Tablo 2.3. Vücut sistemine göre sınıflandırma başlıkları ve

örneklendirmeler. [6]

Vücut sistemi Örnek

İskelet sistemi Kemik plakası

Kas Sistemi Ameliyat ipliği

Dolaşım Sistemi Kalp kapakçığı

Solunum Sistemi Oksijen Makinası

Boşaltım Sistemi Kateter

10

2.2.4. Malzeme Cinsine Göre Sınıflandırma

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.

Polimerler( Nylon, Slikon, Teşon vb.); Rezilyans yüksek, üretimleri kolay, düşük

mukavemetli, zamanla deforme olabilir ve bozulabilirler. Örnek; Ameliyat

iplikleri, suni kan damarları, kalça yuvalarında kullanılabilirler.

Seramikler ( Al2O3, HAP, TCP, karbon esaslılar ); Biouyumlulukları yüksek, inert,

basma mukavemetleri iyi, gevrek, üretimleri zor, rezilyansları (toklukları)

düşüktür. Örnek; Diş hekimliğinde, kalça yuvalarında kullanılabilirler.

Kompozitler: Mukavemetli, şekil olarak istenilen şekil verilebilir, bileşim

istenildiği gibi ayarlanabilir, üretimleri zordur. Örnek; Eklem implantlarında, diş

hekimliğinde ve kalp kapakçığı yapımında kullanılabilir. [6]

Tablo 2.4. İmplant cihazlarda kullanılan doğal ve sentetik malzemeler [2] .

11

2.3. METALİK BİYOMALZEMELER

Kristal yapıları ve sahip oldukları güçlü metalik bağlar nedeniyle üstün mekanik

özellikler taşıyan metal ve metal alaşımlarının biyomalzeme alanındaki payı çok

büyüktür. Bir yandan ortopedik uygulamalarda eklem protezi ve kemik yenileme

malzemesi olarak kullanılırken, diğer yandan yüz ve çene cerrahisinde, örneğin

diş implantı gibi, ya da kalp-damar cerrahisinde yapay kalp parçaları, kateter,

vana, kalp kapakçığı olarak da kullanılmaktadırlar. Metallerin biyomalzeme

pazarındaki en büyük payını ise teşhis ve tedavi amaçlı aygıtların metalik

aksamları oluşturuyor. Metalik Biyomalzeme Türleri insan vücudunda

kullanılmak üzere geliştirilen ilk metal, “Sherman-Vanadyum Çeliği”.

Biyomalzeme üretiminde kullanılan, demir bakır, krom, kobalt, nikel, titanyum,

tantal, molibden ve vanadyum gibi çok sayıda metal, az miktarda kullanılmak

koşuluyla canlı vücuduna uygunluk gösteriyorlar. Vücut içerisinde fazla miktarda

bulunması zararlı olan bu metaller, metabolizmik faaliyetler sırasında da

oluşabiliyorlar.

Birçok pozitif özelliğine rağmen, biyouyumluluklarının düşük olması, korozyona

uğramaları, dokulara göre çok sert olmaları, yüksek yoğunlukları ve alerjik doku

reaksiyonlarına neden olabilecek metal iyonu salımı gibi dezavantajları vardır.

Şekil 2.3. Solda paslanmaz çelikten yapılmış bir kalça protezi, sağda yine

paslanmaz çeliğin implant olarak femur başında kullanımı görülmektedir [7].

12

Örneğin, kobaltın B12 vitamininden sentezlenmesi yada demirin hücre

fonksiyonu olarak meydana gelmesi gibi. Metallerin biyolojik ortama uygunluğu

vücut içerisinde korozyona uğramalarıyla ilgili. Korozyon, metallerin çevreleriyle

istenmeyen bir kimyasal reaksiyona girerek oksijen, hidroksit ve diğer başka

bileşikler oluşturarak bozunmasıdır. İnsan vücudundaki akışkan, su, çözünmüş

oksijen, klorür ve hidroksit gibi çeşitli iyonlar içerir. Bu nedenle, insan vücudu

biyomalzeme olarak kullanılan metaller için oldukça korozif bir ortamdır.

Malzeme, korozyon sonucunda zayıflar, daha da önemlisi korozyon ürünleri doku

içerisine girerek hücrelere zarar verirler. Soy metallerin korozyona karşı

direnciyse mükemmel. Biyomalzeme olarak kullanılan metallerin önemli olanları

aşağıda sıralanmaktadır.

Çelik: İki türü bulunur. Demir, karbon ve eser miktarda fosfor, silisyum ve

mangandan oluşan çelik, karbon çeliği olarak adlandırılır. %1‘den daha düşük

karbon içeriğine sahip ve diğer metaller ve ametalleri de içerecek şekilde

hazırlanan çelikse alaşım çeliğidir. Bu gruptaki çelikler, karbon çeliğine göre daha

pahalıdırlar ve işlenmeleri de daha zordur. Ancak, korozyon ve ısıl dirençleri çok

daha yüksektir. Alaşım çelikleri, alüminyum, krom, kobalt, bakır, kurşun,

mangan, molibden, nikel, fosfor, silisyum, kükürt, titanyum, tungsten ve

vanadyum içerebilirler. Alüminyum, aşınmaya karşı direnci artırırken, yüksek

miktarlarda eklenen krom, korozyon direncini ve ısıl direnci artırır. Bu tür

çelikler, “paslanmaz çelik” olarak adlandırılır. Biyomalzeme olarak yaygın

kullanılan paslanmaz çelik 316L olarak bilinir. “L”, karbon içeriğinin düşük

olduğunu belirtmek için eklenmiştir. Bu çelik, 1950’li yıllarda 316 paslanmaz

çeliğin karbon içeriği ağırlıkça %0.08’den %0.03’e düşürülerek hazırlanmıştır.

316L’nin %60-65’i demir olup, %17-19 krom ve %12-14 nikelden oluşur.

Yapısında az miktarda azot, mangan, silisyum, kükürt, fosfor ve molibden de

bulunur.

Kobalt içeren alaşımlar: Bunlar kobaltkrom alaşımlarıdır. Temel olarak kobalt-

krom-molibden alaşımı ve kobalt-nikel-krom-molibden alaşımı olmak üzere iki

13

tür alaşımdan söz edilir. Kobalt-krom-molibden alaşımı, uzun yıllardan beri

dişçilikte ve son zamanlarda yapay eklemlerin üretiminde kullanılmaktadır.

Kobalt-nikelkrom-molibden alaşımıysa daha yeni bir malzemedir. Fazla yük

altındaki eklemlerde (diz ve kalça gibi) ve protezlerde kullanılmakta olan bu tür

alaşımların bileşimleri, temel olarak ağırlıkça %65 kobalt ve geri kalanı kromdan

oluşmaktadır. Daha iyi tanecik elde etmek için yapıya molibden eklenmektedir

(çekirdekleyici etkisi). Kobalt içeren alaşımların elastik modülü (malzeme

sertliğini gösteren bir değer) paslanmaz çeliğinkinden daha büyüktür.

Titanyum ve titanyum içeren alaşımlar: Titanyumun biyomalzeme üretiminde

kullanımı 1930’lu yılların sonlarına doğru görülmeye başlanmıştır. Titanyum, 316

paslanmaz çelik, ve kobalt alaşımlarına göre daha hafif bir malzemedir. Titanyum,

yüksek sıcaklıklarda çok reaktif ve oksijen varlığında patlamaya hazır bir

elementtir. Bundan dolayı, yüksek sıcaklık uygulamalarında inert bir atmosfere

gerek duyulur ya da vakumda eritilir. Oksijenin bulunduğu ortamda, oksijen

metal içerisine difuze olur ve metali kırılganlaştırır.

Dental Amalgam: Amalgam, bileşenlerinden biri civa olan alaşıma denir. Civa,

oda sıcaklığında sıvı fazda olur ve gümüş, kalay gibi diğer metallerle reaksiyona

girebilir. Böyle bir reaksiyon sonucu, bir oyuk içine doldurulabilecek plastik bir

kütle elde edilir. Bu özelliğinden dolayı amalgam, diş dolgu maddesi olarak

kullanılır.

Altın: Altın ve altın alaşımları kararlılık, korozyon direnci ve uzun ömürlü

oluşlarından dolayı diş tedavisi açısından yararlı metaller. Altın alaşımları, saf

altına göre daha iyi mekanik özelliklere sahip olduklarından, dökme işlemine tabi

tutulurlar. Bu alaşımların %75 veya daha fazlası altın, geri kalan kısmıysa soy

metallerden oluşur. Bakır dayanımı artırır. Platin de aynı etkiyi gösterir, ancak

%4‘ten fazla eklenirse, alaşımın erime sıcaklığı artarak işlenmesi zorlaşır. Az

miktarda çinko ilavesiyle, erime sıcaklığı düşürülür. %83’ten fazla altın içeren

yumuşak alaşımlar fazla yük altında kalmayacak şekilde dolgu malzemesi olarak

14

kullanılır. Daha az altın içeren alaşımlarsa daha serttirler ve yüke karşı

dayanımları daha yüksektir. Bu nedenle kaplama malzemesi olarak kullanılırlar.

Nikel-titanyum alaşımları: Bu alaşımlar, ısıtıldıklarında bozulan ilk şekillerine

dönebilme özelliğine sahiptirler. Bu özellik, “şekil hafıza etkisi” olarak

adlandırılır. Şekil hafıza etkisinin gerekli olduğu bazı biyomalzeme uygulamaları;

diş köprüleri, kafatası içerisindeki damar bağlantıları, yapay kalp için kaslar ve

ortopedik protezler olarak sıralanabilir.

Şekil 2.4.Nitinol olarak da bilinen Şekil Hafıza etkisine sahip, Ni-Ti alaşımları [8]

Titanyum ve titanyum alaşımları :Titanyumun, biyomalzeme üretiminde

kullanımı 1930’lu yılların sonlarıdır. Fiziksel ve kimyasal açıdan üstün özellikler

gösteren titanyum, 316 paslanmaz çelik ve kobalt alaşımlarına göre daha hafif bir

malzemedir. Özgül ağırlığı=4.5 gr/cm3, Ergime sıcaklığı 1680 oC olan ve oda

sıcaklığında sıkı dizilmiş hekzagonal kafes yapısına sahip bir metaldir. Adını

Yunan mitolojisinin güçlü tanrıları Titanlardan alır. Saf metalde oksitlenmenin

ilerlemesini ve korozif kimyasal maddelerle tepkimeyi engelleyici katı bir oksit

tabakası oluşturması sonucu, titanyum korozyona karşı direnç kazanmıştır.

Titanyum implant yüzeyinde oluşan oksit tabakasının, titanium oksit (TiO2)’ye

benzediği ve metal-oksit ara yüzeyindeki oksitlerin karışımını değiştirdiği rapor

edilmiştir. Titanyumun elde edilmesi ve işlenmesi çok zor olduğundan metal

olarak kullanılması çok özel alanlarla sınırlandırılmıştır. Buna karşılık gerek

titanyum mineralleri gerekse titanyum oksitin (TiO2) geniş kullanım alanları

15

vardır. En önemli titanyum mineralleri; rutil , anatase ve ilmenit’tir. TiO2 (rutil ve

anatase), tetragonal sistemde kristallenir. FeTiO3 (ilmenit) ise trigonal sistemde

kristallenir.

Titanyumun avantajları:

•Uzun süreli implantasyonda (deri içine yerleştirme) en iyi biyouyumluluk.

•Enjekte edilen maddelerle birlikte, kimyasal reaksiyona girme olasılığı en azdır.

•Manyetik olmadığından, MR (Mağnetik Rezonans) için uyumludur.

•Yoğunluğu düşük olduğundan dolayı, hafif ağırlıktadır.

• Hipoalerjiktir (alerjik özelliği az).

Son yıllarda titanyum ve titanyum alaşımlarının, medikal ve dental uygulamasında

ciddi bir artış görülmektedir. Geleneksel olarak titanyum kullanımı uzay, uçak ve

deniz sanayi alanlarında yoğunlaşmıştır. Metalin, dayanıklılık ve rijit yapısı,

düşük özgül ağırlığı ve göreceli hafif oluşu, yüksek ısılara dayanıklılığı ve

korozyona karşı direnci kullanımın bu özel alanlarda yaygınlaşmasına neden

olmuştur. Son otuz yılda metalin yeni işleme yöntemlerinin gelişimine paralel

olarak biyomedikal ürünlerdeki kullanımı artmaktadır. Bugün titanyum ve

alaşımları protez eklem, cerrahi splint, damar stentler ve bağlayıcıları, dental

implant, kuron köprü ve parsiyel protez yapımında kullanılmaktadır. Metalin

mekanik özelliklerini geliştirmek için; örneğin, alüminyum, vanadyum ve demir

gibi metallerle alaşımı yapılır. Uluslararası ASTM , dört çeşit ticari saf titanyumu

ve Ti6AI4V, “Tİ6AI4V ekstra az boşluklu” ve TiAlNb olmak üzere, üç titanyum

alaşımını standart olarak tanımlamaktadır.Titanyum çok reaktif bir metal olup,

korozyona karşı yüksek direncini, hızla oluşan bu koruyucu oksit tabakasına

borçludur.

Yüksek reaksiyona meyilli olma özelliği aynı zamanda titanyumun arzu edilen

birçok özelliğinin oluşumuna neden olmaktadır. Neredeyse anında oksit olarak,

metal yüzeyinde yaklaşık 10 nanometre kalınlığında dirençli ve stabil oksit

16

katmanı oluşur. Bu oksit katmanı kıymetli metallerde olduğu gibi yüksek

biyouyumlu bir yüzey ve korozyona karşın direnç özelliği sağlar. Ayrıca bu oksit

katmanı porselene kaynaşma, polimere yapışma ve implantlarda plazma

püskürtme veya çekirdek apatit ile kaplama yöntemlerine katkıda bulunmaktadır.

Titanyum uzun süreden beri kemik içi implantı olarak kullanılmaktadır. Kemik içi

implantlar çubuk, post ve blade şeklinde saf veya alaşımlı titanyumdan

yapılmaktadır. İmplant yüzeyindeki oksit tabakasının inert etkisi, fizyolojik sıvı,

protein, sert ve yumuşak dokunun metal yüzeyini kavramasını sağlar. Canlı doku

ve implantın statik ve fonksiyonel olarak bu birleşme işlemine, osteointegration

denilmektedir. Kemik ile titanyum yüzey arasındaki bağı tanımlamak için

“osteointegration” terimini ilk kez ortaya koymuştur.

“Bio-integration”, biyoaktif bir yüzeyde kemik gelişimini tetiklemek ki, kemik ile

implant arasındaki bağı direk etkiler. Biyoaktivite lişi doku arasına girmeksizin

bir malzemenin canlı dokuya bağlanma özelliğidir. Kemikle bağlanması iyi olan

ve doku tarafından kabul edilirliği yüksek olan titanyum, yerleştirildikten sonra

vücudun bir parçası haline gelir. Bu da implanta maksimum dayanım

sağlamaktadır [9].

Diğer Metaller: Tantal, mekanik dayanımın zayıflığından ve yüksek

yoğunluğundan dolayı yaygın kullanıma sahip olmayan bir madde. En önemli

uygulaması, plastik cerrahisinde ameliyat ipliği olarak kullanımı. Platin ve

gruptaki soy metaller yüksek korozyon direncine sahipler, fakat mekanik

özellikleri zayıf. Bu metaller, kalpte atınımların başlamasını uyaran otonom

merkezde elektrot olarak kullanılırlar [7] .

17

2.4. POLİMERİK BİYOMALZEMELER

Polimer, küçük, tekrarlanabilir birimlerin oluşturduğu uzun zincirli moleküllere

denir. Tekrarlanan birimler, “mer”olarak adlandırılır. Senteze başlarken kullanılan

küçük molekül ağırlıklı birimlere ise “monomer” adı verilir. Polimerizasyon

sırasında, monomerler doygun hale gelerek (zincir polimerizasyonu) veya küçük

moleküllerin yapıdan ayrılmasıyla (H2O veya HCl) değişir ve “mer” halinde

zincire katılırlar. Polimerlerin özellikleri, yapı taşları olan monomerlerden büyük

farklılık gösterir. Bu nedenle, uygulama alanına yönelik olarak uygun

biyomalzeme seçimi, biyotıp mühendisi tarafından dikkatlice yapılmalı. Nişasta,

selüloz, doğal kauçuk ve DNA (genetik materyal), doğal polimerler grubuna

girerler. Günümüzde çok sayıda sentetik polimer de bulunur.

Genellikle monomerler, karbon ve hidrojen atomlarından oluşurlar ve bu durumda

polimer yapısı uzun hidrokarbon zincirine sahiptir. Bu tür monomerlerin en basiti

“etilen” dir (H2C=CH2) ve oluşturduğu polimer de “polietilen” olarak

adlandırılır. Çok sayıda etilen molekülü yapılarındaki çift bağın açılması sonucu,

kovalent bağlarla bağlanarak polietilen zincirini oluştururlar. Genellikle “polimer”

denildiğinde akla gelen, bu hidrokarbon zincirine sahip “organik polimerler”dir.

Ancak, hidrojen ve karbon atomlarından başka atomlardan meydana gelen

polimerler de vardır. Örneğin, silisyum (Si), azot (N), ya da fosfor (P)

atomlarından oluşan polimer zincirleri de olur ve bu tür polimerler “inorganik

polimerler” olarak adlandırılır. Polimer zincirleri, doğrusal yapıda, yani düz bir

çizgi halinde olabileceği gibi, “dallanmış” yapıda da olabilirler. Bu yapılar,

polimer anazincirine diğer zincirlerin yan dal olarak bağlanmasıyla oluşurlar. Bu

yan dallar başka bir ana zincirle bağlandığındaysa, “çapraz bağlı” polimerler

oluşur. Dallanma, polimerlerin uygun çözücülerdeki çözünürlüğünü zorlaştırır,

çapraz-bağlı yapılarsa çözünmeyip, sadece yapılarına çözücüyü alarak şişerler.

PMMA (polimetil metakrilat), hidrofobik, doğrusal yapıda bir zincir polimeridir.

18

Oda sıcaklığında camsı halde bulunur. Lucite ve Plexiglas ticari isimleriyle

tanınır. Işık geçirgenliği, sertliği ve kararlılığı nedeniyle göziçi lensler ve sert

kontakt lenslerde kullanımı yaygın. Yumuşak kontakt lenslerse, aynı ailenin bir

başka polimerinden hazırlanırlar. Çapraz bağlanma, sulu ortamda polimerin

çözünmesini engeller ve bu durumdaki polimer “şişmiş hidrojel” olarak

adlandırılır.

Tıbbi uygulamalarda yüksek-yoğunluklu polietilen (PE) kullanılır. Çünkü,

alçakyoğunluklu PE sterilizasyon sıcaklığına dayanamaz. PE, tüp formundaki

uygulamalarda ve kateterlerde, çok yüksek molekül ağırlıklı olanıysa yapay kalça

protezlerinde kullanılır. Malzemenin sertliği iyidir, yağlara dirençlidir ve ucuzdur.

Polipropilen (PP), PE’e benzer, ancak daha sert olur. Kimyasal direnci yüksek ve

çekme dayanımı iyidir. PE’nin yer aldığı uygulamalarda PP de kullanılabilir.

Hidrojeller, Suda şişebilen, çapraz-bağlı polimerik yapılara denir. Bir ya da daha

çok sayıda monomerin polimerizasyon reaksiyonu ile hazırlanırlar. Ana zincirler

arasında hidrojen bağları veya van der Waals etkileşimleri gibi bağlanmalar

mevcuttur. Bu nedenle çözünmezdirler. Hidrojeller, tıbbi uygulamalar açısından

sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle son 30 yıldır ilgi odağı durumundalar.

Tıbbi uygulamalarda en yaygın olarak kullanılan hidrojel, çapraz-bağlı PHEMA.

Sahip olduğu su içeriği nedeniyle, doğal dokulara büyük bir benzerlik gösterir.

Normal biyolojik reaksiyonlarda inert’tir. Bozunmaya dirençlidir, vücut

tarafından emilmez, ısıyla steril edilebilir, çok değişik şekil ve formlarda

hazırlanabilir. Hidrojellerin ilk uygulaması, kontakt lensler olarak ortaya çıkar.

Mekanik kararlılıklarının iyi oluşu, yüksek oksijen geçirgenliği ve uygun kırınım

indisine sahip oluşları, kontakt lenslerde kullanılmalarının temel

nedeni.Hidrojellerin diğer uygulamaları; yapay tendon materyalleri, yara-

iyileşmesinde biyoyapışkan madde, yapay böbrek zarları, yapay deri, estetik

cerrahide malzeme olarak kullanımları şeklinde sıralanabilir. Son yıllardaki en

önemli uygulamalardan biriyse eczacılık alanında, kontrollu ilaç salan

sistemlerdeki kullanımlar. Örnek olarak insülin salımı verilebilir. ‹nsülin salımının

kontrolu, glikoz seviyesinde artma olduğunda daha fazla insülin salabilen akıllı

19

hidrojellerin yardımıyla başarılabilmekte. Pek çok glikoz-cevaplı hidrojel sistemi,

pH’ya-duyarlı polimerlerden (HEMA-dimetilaminoetil metakrilat kopolimeri)

hazırlanmakta. Hidrojellerin ileri uygulamalarından biri de yapay kasların

geliştirilmesi. Elektrokimyasal uyarıları mekanik işe çeviren akıllı hidrojeller,

insan kas dokusu işlevi görebilir. Bu özellikten yararlanarak yapay kaslar

yapılmakta. Fizikokimyasal uyarılara karşı tersinir büzülme ve genişleme

kabiliyeti olan polimerik jeller, ileri robotiklerin geliştirilmesinde gerekli.

Biyoteknolojik uygulamalarda da, özellikle biyoaktif proteinlerin ayrılmasında

hidrojellerden faydalanılmaktadır. [7]

20

BÖLÜM 3

SERAMİK BİYOMALZEMELER

Vücudun zarar gören veya işlevini yitiren organlarının onarımı, yeniden

yapılandırılması veya yerini alması amacıyla özel olarak tasarlanan seramiklere

denir.Biyoinert malzemelerin doku ile etkileşimleri mekanik bağ

şeklindedir.Mekanik bağ biyoinert malzemenin dokuyu değiştirmeden doku ile bir

arada bulunması anlamına gelmektedir. Biyoaktif malzemeler kemikle ya da canlı

organizmanın yumuşak dokusu ile kimyasal bağ yaparak etkileşirler.

Biyobozunur malzemeler ise biyolojik olarak bozunarak zamanla doku ile yer

değiştirir. Pyrolytic carbon: grafit levhalarının kovalent bağla bağlandığı grafite

benzer bir malzemedir. Biodegradable : bakteri yada diğer yaşayan organizmalar

tarafından parçalanabilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır.Bir biyoseramik

malzemenin sahip olması gereken özellikler şu şekildedir;

-Toksik olmamalı,

-Alerjik olmamalı,

-Kanserojen içermemeli,

-Alev alabilen bir yapıda olmamalı,

-Biyouyumlu olmalı,

-Vücutta uzun ömürlü olmalı ve biyofonksiyonel olmalı [10].

Biyoseramikler arasında sıklıkla kullanılan malzemeler şunlardır;

• Alümina

• Zirkonya

21

• Pyrolytic Carbon

• Kalsiyum fosfatlar

– TetracalciumPhosphate (Ca4P2O9)

– Amorphous calciumPhosphate

– alpha-TricalciumPhosphate (Ca3(PO4)2)

– beta-TricalciumPhosphate (Ca3(PO4)2)

– Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2)

• Cam Seramikler

3.1. Alümina

Alümina (alüminyum oksit; Al2O3) çok

sert bir malzemedir.

Termal ve kimyasal olarak kararlıdır.

Kristalin alümina birçok seramiğe

nazaran dayanımı çok daha iyidir.

Ancak kırılgandır.

Ana Kaynağı : boksit, diaspor ve doğal korundum

a-alumina (kalsine alumina):alümina trihidratın kalsinasyonuyla elde

edilir.

İmplant Kullanımı:

Saşık özelliği (ASTM); 99.5% saf alumina,

0.1% ‘den daha az SiO2 ve alkali oksitler (çoğunlukla Na2O)

Rombohedral kristal yapı (a : 4.758 Å, c : 12.991 Å)

Tablo 3.1. Kalsine edilmiş Alumina’nın Kimyasal Kompozisyonu [6].

22

Mekanik Özellikler

Sertlik Moh’s hardness 9

2000 kg/mm2(19.6 GPa) to 3000 kg/mm2 (29.4 GPa)

aşındırıcı olarak kullan ılır

Yüksek sertlik, düşük sürtünme ve aşınmayla birleşir

Alumina Toz ve Bağlayıcı

bağlayıcı: PVA : 1~5 wt%

çözücü : aseton, alkol, benzen

1500~1900℃ daha yoğun sinter alümina için : ilave MgO (<0.25 wt%), sıcak

presleme

Polikristalin alüminanın mukavemeti, gözeneklilik ve tane boyutuna

bağlıdır. Hall Petch kanununa uygun olarak, ne kadar küçük taneli ve

gözenekliyse o kadar yüksek mukavemet gösterir.

Tek kristal alumina eldesi için 2 başlıca yöntem vardır.

Same fusion metod (Verneuil Process):Bir kristal tanesi üzerine, elektrik

ark veya oksihidrojen alevinden yavaşca süzülen son derece ince alümina

tozları beslenir. Bu metodla 10 cm çapına kadar büyüme yapılabilir

23

Drawing method (Czochralski Process): Ergitilmiş alumina bir pota

içerisinden kendi ekseni etrafında dönen bir merdane tarafından belli bir

hızda döndürülerek kristalin çekirdeklenmesine izin vermeyecek şekilde

çekilir.

Şekil 3.1. Tek kristal

alumina eldesi

Saf alümina 1900ºC’ a kadar yüksek derecelerde sinterlenebilirken alkali (sodyum

veya potasyum) oksit gibi katkılar ilave edildikten sonra daha düşük sıcaklıklarda

sinterlenebilmesi mümkün olabilmektedir. Bunun yanında kimyasal ve fiziksel

özellikleri bu katkı maddelerinin (miktarına da bağlı olarak) ilavesiyle

değişmektedir. İri tane yapısına sahip polikristalin alfa- Al2O3’ün 1600-1700 ºC

sıcaklıkta sinterlenmesi sonucu elde edilen alümina kalça protezlerinde ve diş

implantlarında yaygın şekilde kullanılmaktadır.

3.2. Zirkonya (Zirkonyum Oksit; ZrO2)

Saf zirkonya, zirkon olarak bilinen ZrSiO4’ün kimyasal dönüşümüyle elde edilir.

Zirkonya’nın ergime sıcaklığı çok yüksektir (2953 0K). Saf halde, yüksek

sıcaklıklarda faz değişikliği esnasında büyük bir hacim değişikliğine uğrar. Bu

nedenle Yitriyum oksit gibi (Y203) dopant oksitler yüksek sıcaklıklarda kubik fazı

kararlı kılmak için kullanılır.

24

Şekil 3.2. Zirkonya’nın femur başı olarak adlandırılan kalça kemiğinde kullanımı

[6].

Yüksek yoğunluklu zirkonya Hentrich tarafından Rehasus maymununda kemik

yerine 350 günlük bir süreçle denenmiş ve mükemmel bir biyouyumluluk

göstererek, vücuda karşı tamamen reaktif olmayan bir şekilde davranmıştır.

Murakami ve Ohtsuki’nin çalışmalarına göre ise, Zirkonya, ultra yüksek ağırlıklı

polietilen ile birlikte kullanıldığında, mükemmel aşınma direnci, sürtünme

davranışı ve biyouyumluluk göstermektedir [10].

Zirkonya’nın kimyasal ve boyutsal kararlılığı,yüksek dayanımı, elastikliği,

mekanik özellikleri açısından paslanmaz çeliğe yakın bir konumda iken, sertlik ve

aşınma dayanımı açısından daha iyi bir performansa sahiptir.

Zirkonya da, alümina gibi bulunduğu fiziksel ortamda inert etki gösterir.

Yüksek çatlama ve bükülme direncine sahip olduğu için uyluk kemiği

protezlerinde kullanılmaktadır.

25

Tablo 3.2. Alümina ve Kararlılaştırılmış Zirkonya’ya ait fiziksel özellikler[10].

Zirkonya’nın biyoseramik olarak kullanılmasında çoğunlukla karşılaşılan

problemler;

Fizyolojik sıvılarla teması nedeniyle korozyona uğrar ve zamanla gerilme

direncinde azalmalar görülür,

Kaplama özelliği zayıftır,

Zirkonya da, alümina gibi bulunduğu fiziksel ortam üzerinde inert etki gösterir.

Çok daha yüksek çatlama ve bükülme direncine sahip olan zirkonya, uyluk

kemiği protezlerinde başarıyla kullanılmaktadır. Ancak uygulamalarında üç

önemli problemle karşılaşılmaktadır; Fizyolojik sıvılar nedeniyle zamanla gerilme

direncinin azalması, kaplama özelliklerinin zayıf oluşu ve potansiyel radyoaktif

malzemeler içermesi. Zirkonya içerisinde yarılanma ömrü çok uzun olan

radyoaktif elementler bulunur (uranyum, toryum, vb). Bu elementleri yapıdan

ayırmak çok zor ve pahalı işlemler gerektirir. Radyoaktivite alfa ve gama

etkileşimi olarak ortaya çıkar ve alfa parçacıkları, yüksek iyonlaştırma

kapasitesine sahip olduklarından, yumuşak ve sert doku hücrelerini tahrip etme

26

Property Alümina Zirkonya

Elastik Modülü(Gpa) 380 190

Eğme

Mukavemeti(Gpa)

>0.4 1.0

Sertlik, (Mohs) 9 6.5

Yoğunluk(g/cm3) 3.8-3.9 5.95

Tane boyutu (μm) 4.0 0.6

olasılığına sahiptir. Radyoaktivite düzeyi düşük olduğunda da bu etkinin uzun

süreli sonuçlarının incelenmesi gerekmektedir.

3.3. Karbon

Karbon birçok farklı kristal yapıda üretilebilirler, kristalin elmas, grafit, kristalin

olmayan camsı karbon ve quasikristaline yapıya sahip pirolitik karbon. Bunlar

arasında yalnızca pirolitik karbon implant üretiminde sıklıkla kullanılır. Bununla

birlikte yüzey kaplamada da kullanılmaktadır. Ayrıca yüzey modifikasyonu

amacıyla kaplamalar, elmas kaplama şeklinde de yapılmaktadır. Malzeme

yüzeylerinin elmas ile kaplanması, medikal cihaz üretiminde bir dönüm noktası

olma potansiyeline rağmen, henüz ticari olarak yaygınlaşmamıştır.

Şekil 3.3. Zayıf kristalize karbon gösterimi. a) tek tabaka düzlem, b)kristalin

paralel tabakaları c)dağınık karbon d)agrega kristalinler [11] .

27

Şekil 3.4. Alaşımlandırılmamış LTI Pirolitik karbona ait Kırılma Gerilimi/

Yoğunluk grafiği [12].

Üstte ve alttaki şekilde belirtildiği üzere karbonun, özellikle de pirolitik karbonun

mekanik özellikleri büyük ölçüde yoğunluğuna bağlıdır. Mekanik özelliklerdeki

artış doğrudan yoğunluğun artışına bağlı olarak meydana gelmektedir. Ki bu

göstermektedir ki, malzemedeki agrega kristalinlerin yoğunluğu pirolitik

karbonun özelliklerine doğru orantılı olarak etki etmektedir. Grafit ve camsı

karbonun mekanik özellikleri pirolitik karbonun mekanik özelliklerine oranla çok

daha düşüktür. Bununla beraber tüm karbonlar için ortalama elastik modül

neredeyse aynıdır.

Tablo 3.3. Çeşitli karbon tiplerinin özellikleri [10]

28

Şekil 3.5: Alaşımlandırılmamış LTI Pirolitik karbona ait Elastik Modül/Yoğunluk

grafiği [11].

Karbon esaslı malzemeler dayanımları açısından sert doku implant malzemeleri

olarak kullanılabilirler.Canlı doku ile kimyasal bağ oluşturamadıkları için

tamamen inert kabul edilmemektedirler.

Şekil 3.6.

Grafite ait kristal yapı [13].

29

Son zamanlarda, karbon elyafıyla güçlendirilmiş kompozit karbon malzemeler

implant yapımında kullanılması düşünülmektedir. Ancak karbon-karbon

kompozitler, yüksek derecede anizotropik olup, % 35-38 oranında porozite

içerdiklerinde yoğunlukları 1.4-1 .45 g/cm3 aralığında olmaktadır. Karbon,

dokuyla mükemmel bir uyuma sahiptir. Pirolitik karbon kaplanmış cihazların kan

duyarlılık testleri, kalp kanallarında ve kan damarlarında geniş bir kullanıma sahip

olabileceğini göstermiştir.

3.4. Kalsiyum Fosfat Seramikler

Sentetik kalsiyum fosfatlar, kemik içerisinde bulunan mineralle yapı ve

kompozisyon açısından çok benzerdir. Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu

oksitleri şeklindeki yapılardır. Hidroksiapatit (HA:Ca10(PO4)6(OH)2),

Trikalsiyum fosfat (Ca3(PO4)2) ve Oktakalsiyum fosfat (CaH(PO4)3.2OH) bu

yapılara örnek verilebilir. Kalsiyum fosfat bazlı biyoseramikler tıpta, dişçilikte 20

yıldan beri kullanılmaktadır. Bu malzemeler, ortopedik kaplamalar ve diş

implantlarında, yüz kemiklerinde, kulak kemiklerinde, kalça ve diz protezlerinde

‘kemik tozu’ olarak kullanılmaktadır. Kalsiyum seramiklerin

sinterlenmesi,genellikle 1000-1500ºC’ de gerçekleşir ve bunu istenilen

geometride sıkıştırılması izler. Tüm kalsiyum fosfat seramikleri, değişen hızlarda

biyolojik olarak bozunurlar.

3.4.1. Hidroksiapatit

Biyoseramiklerden biri olan ve klinikte en çok kullanılan; Hidroksiapatit [HA:Ca5

(PO4)3 (OH)], kemik, diş ve diş minesi dokusunun inorganik yapısını oluşturan

kalsiyum fosfat esaslı bir seramik olup, biyouyumluluğu nedeniyle yapay kemik

olarak çeşitli protezlerin yapımında, çatlak ve kırık kemiklerin onarımında ve

metalik biyomalzemelerin kaplanmasında kulanılmaktadır. %100 saf, kristalin

hidroksiapatitin diğer kalsiyum fosfatlı bileşiklere göre en az çözünürlüğe sahip,

30

en fazla kararlı olan ve en yüksek dayanıma sahip olduğu belirlenmiştir. Vücut

içinde kalsiyum fosfatlar içerisinde en karalı olanıdır. (37 °C,pH >4.2)

Şekil 3.7. Hidroksiapatit minerali [14].

Hidroksiapatit kaplamaların yaygınlaşması, kaplama teknikleri açısından önem

arz ettiği gibi Biyomimetik uygulamaların günlük hayata entegre olması açısından

da önemlidir. Biyomimetik (Doğadan ilham alan teknoloji) sözkonusu olduğunda

biyomalzemeler de ilk sıralarda anılması gereken kavramlardan birisidir.

Biyomalzemeler, insan vücudundaki organ ya da dokuların işlevlerini yerine

getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler olup,  metaller,

seramikler, polimerler ve kompozitler olmak üzere 4 ana gruba  ayrılırlar.

Biyomalzemelerde en önemli özellik biyouyumluluk (vücuta uyuşabilirlik) olup,

kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda

istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı vb.) oluşturmayan malzemelerdir.

                             

Tablo 3.4. Hidroksiapatit’in Mekanik Özellikleri

31

Diğer kalsiyum fosfatların (özellikle trikalsiyumfosfat) gerek yalnız gerek

kaplama malzeme olarak kullanıldığı durumlarda hücre içi ve hücre dışı sıvısının

asidik etkisiyle zamanla çözünebildiği görülmüştür.HAp implant uygulamalarda,

kemik oluşturan hücreler (osteoblast) hidroksiapatit yüzey üzerine yapışmakta ve

bunu takip eden kollojen ve kemik mineralleri direk olarak yüzeyde

büyümektedir.Bu malzemenin dayanımı düşük olduğundan dolayı yük taşıyan

implant/protez uygulamalarında metal implantların üzerine kaplama malzemesi

olarak kullanılmaktadırlar. Ayrıca fazla dayanım gerektirmeyen kemik dolgu

malzemesi uygulamalarında da oldukça yaygın şekilde

kullanılmaktadırlar.Hidroksiapatit biyoseramiklerin bir diğer kullanım alanı ise

oküler implant uygulamasıdır. Biyouygunluk ve toksik olmama gibi özellikler,

hidroksiapatiti oküler implant uygulaması için ideal bir biyomalzeme

yapmaktadır.

Şekil 3.8. Sağda,Kulak implantı olarak kullanılan hidroksiapatit

vidalar[15], Solda, hidroksiapatit kaplı bir çelik implant malzeme

görülmektedir [16].

32

3.4.1.1. Hidroksiapatitin Biyouyumluluğu

HA’nın en önemli özellikleri arasında mükemmel biyolojik uyumluluğu önde

gelir. HA, sert dokularla direk kimyasal bağ kurar. HA partiküllerinin yada

gözenekli blokların kemiğe yerleştirilmesinde; yeni doku, 4–8 haftada şekillenir.

HA gözenekli yapısı; hücrelerin, gözeneklerin içine doğru büyümesinden dolayı,

dokuların implante nüfuz etmesini sağlar.

Ayrıca HA'nın yapısındaki gözenekler, bir kanallar sistemi gibi davranıp, kemik

yapıya kanın ve diğer önemli vücut sıvılarının ulaşmasını sağlar. HA’nın emilimi

yılda % 5-10 hızıyla gerçekleşir. Yapılan deneylerde HA implantların, öncelikle

fibrovasküler doku  ile kaplandığı ve zamanla bu dokudaki olgun lamellerin,

kemiğe dönüştüğü tespit edilmiştir. HA’nın osteokonduktif özellikleri de

implantların kemiğe sıkı yapışmasına ortam ve olanak sağlar. Ayrıca HA’nın

lokal büyüme faktörlerine,özellikle kemik proteinleri-ne karşı kuvvetli kimyasal

bağlanma eğilimi olduğu saptanmıştır. HA non-toksik (zehir etkisi olmayan)

özelliklere sahip olması sayesinde meydana gelebilecek vücut reaksiyonları da

minimumdur.

3.4.1.2. Hidroksiapatitin Üretim Yöntemleri

HA ilk kez (Hayek, 1963) tarafından kimyasal çöktürme yöntemi kullanılarak

sentezlenmiş olup, daha sonra, su-bazlı kalsiyum ve fosfat tuzları içeren

çözeltilerden kimyasal çöktürme veya asit-baz titrasyonu gibi yöntemlerle elde

edilebilmektedir. Üretim yöntemi, biyoseramiğin sert doku değişimi ya da doku

ve protezlerin birleştirilmesinde kullanılacak olmasına göre farklılık gösterir. Sert

doku yer değişimlerinde, çevre dokuların protezlere nüfuzu ve tutturulması için

belirli oranda gözenekli olması istense de, gerekli olan en önemli özellik

mukavemettir. Fakat protezin mukavemetinin, çevre kemik dokusunun

33

mukavemetin-den çok fazla olması, gerilme yığılması (stress shielding) denilen

probleme neden olur. Biyoseramik malzemelerin mukavemeti, tamamen

yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Eğer bir biyoseramiğin mukavemetinin artması

isteniyorsa, yoğunluk arttırıcı işlemlerden geçirilmelidir. Doku ve implant

birleşimlerinde; gözeneklilik, dokunun gelişimi

ve biyoseramiğin implant ile birleşmesi açısından önemlidir. Gözenekli

malzemeler, yüksek alan/hacim oranına sahiptirler. Bu da biouygunluğu sağlar.

(Taş, 1998) ve (Oktar, 2002) gözenekli kalsiyum fosfat seramiklerin üretilmesi

üzerine çeşitli çalışmalar yapmıştır. Gözenekli seramik implantların en

büyük avantajı; kemik, seramik malzemenin gözenekleri içerisinde büyüdüğünde,

oluşan ara yüzeyin mekanik açıdan yüksek kararlılığa sahip olmasıdır. Gözenekli

implantlar, kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak da kullanılırlar. Mercanların

mikro yapısı, kontrollü gözenek büyüklüğüne sahip seramiklerin oluşturulması

açısından en ideal malzeme olmaktadır. Gözenekli malzemeler, her zaman için

yığın formlarında daha zayıftır ve artan gözenekliliğe bağlı olarak, malzemenin

dayanımı daha da azalmaktadır. Gözenekler dokuların iç büyümesine de izin

verirler. Dolayısıyla protezin desteklenme ve korunması sağlanır. Ayrıca,

gözenekler bir kanal sistemi gibi davranarak, kemik içerisine kan ve diğer vücut

sıvılarının ulaşımını sağlarlar. Fakat gözenekliliğin fazla olması mukavemeti

düşürdüğünden optimum bir oran kullanılmalıdır. Gözenekli biyoseramik

üretiminde yaygın olarak, katılaştırıcılı birleştirme ve damlatmalı

 döküm olmak üzere iki yöntem kullanılmaktadır. Doku birleştirmelerinde sık

kullanılan bu yöntemlerin dışında, polimerik sünger metodu, köpük metodu,

organik katık ekleme, jel ve kayma döküm, direkt konsolidasyon ve hidroliz

yardımlı katılaştırma gibi yöntemlerde kullanılmaktadır. (Taş, 1998–2000),

Kalsiyum HA'yı, nano-boyutlarda yüksek kimyasal homojenlik ve saşıkta seramik

tozlar olarak, kalsiyum nitrat ve di-amonyum hidrojen fosfat tuzlarının, özgün bir

kompozisyona sahip “Sentetik Vücut Sıvısı (SVS)” çözeltilerinde uygun

oranlarda çözülmesi ile başlanarak, insan vücudu sıcaklığı olan 37°C’de ve yine

insan vücudu pH değeri olan 7.4’te, biyomimetik koşullarda  yürütülen özgün bir

kimyasal sentez yöntemi ile elde etmiştir. (Weng, 1997) HA üretmek için bir

ethylene glycol çözeltisi (Ca(OAC)2.xH2O) ve bir butanol çözeltisi (P205)

34

kullanmıştır. İşlem sırasında kullanılan, asetik asit (HOAC) ve amonyum nitrat

(NH4N03), dengeleyici ve oksitleyici olarak görev yapmıştır. Bu yöntem ile elde

edilen HA'yı, kaplamaların hazırlanması uygulamasında potansiyel olarak

tanımlamaktadır. (Taş, 2001) HA seramiklerinin elyaşar ile güçlendirilmesi

sonucunda kırılma tokluklarının artırılması için; HA elyaşarını, ergitilmiş tuz

sentezi (ETS) yöntemini kullanarak ilk kez üretmiştir [17].

 

Şekil 3.9. Hidroksiapatit oküler implant uygulanması

Şekil 3.10.

Ti6Al4V implant Yüzeyine HA Kaplama

35

3.4.1.3. Hidroksiapatitin Metalik Biyomalzemeler Üzerine Kaplanması

Kalça eklem protezlerindeki gibi metal implantlar üzerine kaplama, HA'nın en

önemli uygulamalarından biridir. PMMA’nın kullanımında oluşan

komplikasyondan kaçınmak için bir fiksasyon (sabitleme) aracı olarak femur

(büyük bacak kemiği) protezlerinde ve kapsüllerinde geniş bir şekilde

kullanılmaktadır (Willert, 1990). Bir araştırmada; 8 yıllık takip sonucunda 324

implantta %3’lük bir femoral gözden geçirme rapor edilmiştir (Capello, 1998).

Benzer sonuçlar (Geesink, 1997) tarafından rapor edilmiştir (118 kalça protezi 8

yıl takip edilmiş ve %98’lik bir başarı elde edilmiştir). Bu çalışmalarda, implant

üzerinde kemik iç büyümesinin arttığı sonucuna varılmıştır. Kaplamadan iyi bir

sonuç almak için, kaplama  kalınlığı, malzemenin kimyasal kompozisyonu ve

metalin yüzey pürüzlülüğü anahtar faktördür (Hamadouche, 2000). Metal

yüzeyine HA kaplama uygulaması; kimyasal bağlanma yolu ile

kemik/implant sabitlemesi elde etmek için metalik malzemelerin mekanik

özellikleri ile HA’nın yüksek biyouygunluğu ve biyoaktişiğini birleştirmektir

(Ward, 1996). Metalik biyomalzemelerin HA ile kaplanmasında, ince bir HA

tabakası biyoaktivite sağlar. Metallerin biyoaktivitesini artırmak için yapılan bir

çok çalışma, kimyasal ve ısıl işlemle oluşmuş amorf sodyum titanat tabaka

kalınlığının yaklaşık 1 µm olduğunu göstermiştir (Li, 1994), (Kitsugi, 1996),

(Kim, 1996-97) ve (Yan, 1997). HA kaplamalı metaller iyi sabitleme sağlasa da,

HA ile metal arasındaki yapışma dayanımının düşüklüğü, HA tabakasının metal

yüzeyinden kaybına neden olabilmektedir. Ayrıca, kaplama sırasında oluşacak

yüksek sıcaklık da, gerek kaplama gerekse de kaplanacak malzemede yapısal

değişikliklere neden olmaktadır (Weng, 1999). Kaplamanın in-vivo stabilitesi,

direkt olarak kristalinite ile ilgilidir. Kristalinite, kaplamadaki kristal HA

yüzdesidir (Tong, 1995). Başarılı bir kaplama için malzeme ve kaplama

yönteminin iyi seçilmesi gereklidir.

36

Şekil 3.11.

HA Kaplanmış Ti6Al4V İmplant Malzemeye Ait XRD Grafiği[17].

Şekil 3.12. Ti6Al4V İmplant Malzeme Yüzeyine Kaplanmış HA’ya Ait SEM [17].

Dokuz Eylül Üniversitesi’nden Prof. Ahmet Çakır’ın yaptığı bir çalışmada

Ortopedik kalça protezleri klinik uygulamalarda kemiğe 316 paslanmaz çeliğine

hidroksiapatiti Sol-Gel tekniği ile kaplamaya yönelik. Ortopedik kalça protezleri

klinik uygulamalarda kemiğe hareketsiz, kararlı, uzun süre kullanıma dayanıklı ve

37

güvenli bir bağlama ile bağlanır. Kemik çimentosuz olarak uygulanan kalça

protezleri, kemik ile implant ara yüzeyini daha kararlı konuma getirmek için

gözenekli (PO ) (OH) ) kaplama ile hidroksiapatit (HAP, Ca10 4 6 2kaplama

yapılır. Bu çalışmada 316L tipi paslanmaz çelik yüzeyine sol-jel metodu ile HAP

kaplanarak doku ve faz yapısı üzerine pH etkisi incelenmiştir [18].

3.4.1.4. Hidroksiapatit Kaplama Teknikleri

Farklı HA kaplama teknikleri vardır:

1- Daldırarak kaplama-sinterleme

2- Elektroforetik deposizyon

3- Daldırma-kaplama

4- Sıcak izostatik baskılama

5- İyon-ışın demeti püskürtme ile kaplama

6- Plasma-sprey Elektro

7- Mıknatıs püskürtme [19].

Bu metodlar ile birkaç mikron ile milimetre arasında değişen kalınlıklarda

kaplama satıhları elde edilebilir. Tüm metodlarda kaplamanın metale tutunması,

kaplama yapısının bütünlüğünün korunması gibi temel sorunlar vardır. Plasma-

sprey ve püskürtme-kaplamanın en yaygın yöntemler olduğu görülmektedir.

Kullanılan bütün tekniklerde HA kaplamanın değişik oranlarda sahip olduğu

kristalin ve amorf yapılar bulunmaktadır. Kaplama sırasında titanyum yüzey ile

ilk temasa geçen Ca/P partikülleri, metalin ısısından etkilenip hızla soğuyarak

düzensiz kristal yapı olan amorf tabakayı oluştururlar. Kaplama sırasında C’ye

yükseltmek ve amorf yapının üzerine gelen diğerısıyı 500 ile 700 partiküllerin

daha yavaş soğuması kristalin tabakanın oluşmasını sağlar. Kristalin yapıda

hidroksiapatit ve Ca/P kristalleri düzenli şekilde sıralanmışlardır. Kristalin

tabakanın kalınlığının üretici firmaların kullandıkları tekniklere göre değiştiği,

ancak genelde amorf tabakanın metal yüzeye yakın bulunduğu, dışa doğru

38

gidildiğinde, kaplama sırasında daha çok ısınan yivlerin tepe noktaları ve apikal

kısımlarda kristalleşme oranının arttığı gösterilmiştir. Amorf tabakanın metal

bağlantısının daha gevşek olduğu ve buna bağlı olarak rezorpsiyona daha elverişli

olduğu düşünülmektedir. Bu görüşe karşı olarak, de Groot ve arkadaşları, HA-

kaplamadaki yüksek kristalin yapının dokudostu özelliğini arttırmayacağını,

amorf kaplama-larla kıyaslandığında biyoaktişiği azaltacağını ileri sürerek, kemik

iyileşmesi için amorf bir dış katman ve çözülmeyi önlemek için kristalin yapıda

bir iç katmandan oluşacak bir ideal kaplamayı önermişlerdir. Hulshoff ve Jansen,

çift katman Ca-P kaplama (şorapatit-hidroksiapatit)(FA-HA) ve elektro-mıknatıs

püskürtme amorf Ca-P ile kaplı implantları, kontrol grubu olarak 4-5µm

pürüzlülüğe sahip kumlanmış titanyum implantlar ile kıyasla-yarak, keçilerin

femurlarında, denekleri implantasyondan sonraki 3, 12 ve 24. günlerde kurban

ederek, histolojik- ve morfometrik olarak incelemişlerdir. FA-HA kaplama,

titanyum implantların kumlanarak 4-5µm pürüzlülüğe getirilmesinden sonra,

propanolde ultrasonik temizlik ve 100C’de kurutulmasını takiben plasma-sprey ile

30µm kalınlıkta FA ve üzerine 30µm HA biriktirilmesi ile imal edilmiştir. Amorf

Ca-P kaplama için argon asitlemeyi takiben eletro-mıknatıslı püskürtme

uygulanarak, 2-4µm kalınlıkta tabaka elde edilmiştir. Bu çalışmada iki Ca-P

kaplama yönteminin birbirlerine olan üstünlükleri tam olarak ortaya

konamamıştır. FA-HA kaplamada dış HA katmanın kemik cevabını arttırıcı

görevini yaptığı, fakat rezorbe olmayan iç FA katmanın uzun dönemde kopmalara

uğraması halinde kemikte irritasyona yol açabileceği üzerinde durulmuştur. Ancak

Ca-P kaplı implantlardaki kemik temas yüzdesinin titanyum implantlardan daha

fazla olduğu saptanmıştır.

3.5. Cam ve Cam-Seramikler

Camlar, silika (SiO2) bazlı malzemelerdir. Cam seramikler, (Li/Al)

Lityum/Alüminyum veya (Mg/Al) Magnezyum/Alüminyum kristalleri içeren

camlardır. Biyocamda ise, silika gruplarının bazıları kalsiyum, fosfor veya

sodyum ile yer değiştirmiştir (SiO2, Na2O, CaO, P2O5). Böylece doku ve implant

39

arasında kimyasal bağlanma gerçekleşir. Biyoaktif camlar ilk kez Hench ve

arkadaşları tarafından geliştirilmiş ve kimyasal olarak kemiğe bağlanırlar. Bu

uygulamada kullanılan biyocam (45S5-Bioglass®) (kimyasal kompozisyonu; 45%

SiO2, 24.5% CaO, 6% P2O5 ve 24.5% Na2O), HA’ya göre kemik oluşumunda daha

iyi olmasına rağmen, zayıf mekanik özelliklerinden dolayı ağırlık taşıyan

mekanizmalarda kullanılmaz.

Şekil 3.13. 45S5 Biyoaktif silika camın mikroyapısı. Resimde, Silikat ve fosfat

tetrahedralarına ait Calotte modeli[22], olarak da bilinen ‘top-çubuk’ bağ yapısı

görülüyor [21].

Cam seramikler, her geçen gün akademik çalışmaların yoğunlaştığı bir alandır.

Günümüzde, kullanım alanları ve muhteviyatında bulunan malzemelerin stratejik

öneminden dolayı, cam seramikler çok önemli mühendislik uygulamalarının

anahtarı rolündedir. Cam-seramikler, özel bileşimlere sahip camların kontrollü

kristalizasyonu ile üretilen çok kristalli malzemelerdir. Kristalizasyon, cam

içerisinde kristal fazların çekirdeklenme ve büyümelerini sağlayan uygun ve

dikkatli bir ısıl işlem programı ile sağlanır. Bu tür malzemelerin mikro yapıları

sinterleme yolu ileüretilen seramiklerin mikro yapılarına benzemektedir. İç

yapıları cam malzemeden kristallenme sonucu oluştuğundan cam-seramik olarak

isimlendirilir [6].

Camın ergitilmesi ve şekillendirilmesi süreci sırasında çeşitli katkılar

(çekirdeklendiriciler) kullanılır. En önemlileri; TiO2, Cr2O3, ZrO2 ve P2O5 oksitleri

ile platin grubu metalleri, diğer asıl metaller ve floritler olan bu katkılar;

40

çekirdeklenme merkezi etkisi göstererek camın kristalizasyonunda etkin rol

oynamaktadır. Cam içerisinde çözünmüş durumda olan bu oksitler faz ayrışması

sırasında genellikle bir oksit bileşiği şeklinde kristallenir ve diğer fazların

büyümeleri için çekirdeklenme merkezi etkisi gösterir.[22]

Aşağıdaki tabloda, cam-seramiklerin çeşitleri ve kullanım alanlarına yönelik bilgi

verilmektedir.

Tablo 3.5. Cam seramik sistemleri ve uygulama alanları [23]

41

3.5.1. Cam Seramiklerin Üretim Yöntemleri

3.5.1.1. Klasik cam-seramik üretim yöntemi

Klasik cam-seramik üretimi; homojen bir camın hazırlanması, istenilen şekilde

şekillendirilmesi ve cam-seramiğe dönüştürülmesi için kontrollü ısıl işlem

prosesinin uygulanarak kristalizasyonu aşamalarından oluşur.

A. Cam üretimi: Cam-seramik üretimi uygun özelliklere sahip camların üretimi ile

başlar. Cam üretiminde kullanılan birçok hammadde vardır. Hammadde

seçiminde dikkat edilmesi gereken en önemli noktalar; saflığı, fiyatı ve basit

bileşimli olmasıdır. Ayrıca hammaddelerin hazırlanması, karıştırılması ve ergime

dereceleri de göz önünde bulundurulması gereken faktörlerdir. Camın ergime ve

işlenme özellikleri ile cam-seramiğin fiziksel ve mekanik özellikleri cam bileşimi

ile kontrol edilir. Küçük miktarlardaki empüriteler bile camların ve cam-

seramiklerin özelliklerini etkileyebilir. Bu nedenle cam üretiminde kullanılan

başlangıç malzemelerininin mutlaka yüksek saflıkta olması gerekir. Başlangıç

malzemeleri (hammaddeler) tartılıp karıştırıldıktan sonra cam fırınında ergitilirler.

Ergitme küçük çaplı üretimlerde potalarda, büyük miktardaki üretim için tank

fırınlarında cam bileşimine bağlı olarak 1250-1600°C sıcaklıkları arasında yapılır.

Refrakter olarak yüksek kaliteli mullit esaslı refrakterler, mullitzirkon refrakterleri

ve bazı bileşimler için platin kaplı potalar kullanılır.

42

B. Camın şekillendirilmesi: Camlara şekil vermede kullanılan teknikler, cam-

seramik üretiminde kullanılacak camların şekillendirilmesinde de

kullanılmaktadır. En basit teknik döküm olup bunun yanısıra; haddeleme, çekme,

üfleme, presleme gibi tekniklerle levha, şerit, boru, tüp veya çubukların üretimi

mümkün olmaktadır. Üretilen camlarda soğuma sırasında meydana gelen

gerilmeleri gidermek için kristalizasyon ısıl işleminde önce gerilme giderme

tavlaması yapılır. Tavlama sıcaklığında camın viskozitesi 1012-1014 poise’dir.

C. Camın kontrollü kristalizasyon ısıl işlemi: Cam-seramik üretiminde ısıl işlem

prosesinin amacı, camı orjinal cam özelliklerinden çok daha iyi özelliklere sahip

mikrokristalli seramiğe dönüştürmektedir. Burada geliştirilmek istenen en önemli

özellik, mukavemet ve aşınma özellikleridir. Mukavemetin arttırılması, ince taneli

bir mikroyapının oluşturulması ile sağlanır.

Şekil 3.14. Cam seramiklerin ısıl işlemi [24]

43

Şekil 3.15. Cam- seramiklerin üretiminde izlenilen termal değişimler.[24]

Daha az ve daha kaba kristaller üretmek yerine, daha sık ve daha ince kristaller

üretme hedefi ısıl işlemin çekirdeklenme kademesinde daha dikkatli ve daha

kontrollü olunmasını da beraberinde getirir. Isıtma kademesi boyunca camın

bileşimi çökelen değişik kristallere bağlı olarak değişmekte ve pekçok durumda

kristalizasyon, kalıntı cam fazının refrakterlik özelliğini arttırmaktadır. Isıl işlem

sırasındaki ısıtma ve soğutma hızı çok önemlidir ve dikkatli bir şekilde kontrol

edilmelidir. Isıl işlem sırasında oluşan bazı kristal fazların yoğunluğunun orjinal

cam faza göre değişebilmesinden dolayı, cam ile kristal fazlar arasında oluşan

gerilmelerin cam-seramiklerde çatlama ve kırılmalara yol açmasını önlemek için

hızlı ısıtmadan kaçınılmalıdır. Yavaş ısıtma sayesinde bu gerilmeler cam fazın

viskoz akışkanlığı ile önlenir [25].

3.5.1.2. Toz yöntemleri ile cam-seramik üretimi

Klasik cam ve cam-seramik hazırlamaya alternatif bir üretim yöntemi toz

tekniğidir ve tozların preslenip sinterlenmesi ile gerçekleşmektedir. Bu yöntemin

geleneksel seramiklere göre farkı başlangıçtaki tozların amorf olmasıdır. Bu

yöntemde fırınlarda ergitilmiş olan sıvı cam su içerisine dökülerek hızlı bir

şekilde soğutulur. Küçük taneler halinde elde edilen camlar öğütülerek toz haline

getirilir. Bu şekilde cam-seramik üretiminde kullanılan tozlar genellikle 1-30 µm

arasında değişen tane boyut dağılımına sahiptirler.

Preslenen cam tozlarının sinterlenmesiyle cam-seramik üretiminde iki yol izlenir.

Birinci yöntemde preslenen komplakt cam malzeme camsı bir yapı olacak şekilde

sinterlenir ve daha sonra ısıl işlem uygulanır. Diğer yöntemde ise, sinterleme

adımı için kullanılan aynı pişirme süreci boyunca kontrollü çekirdeklenme ve

kristallenme meydana gelir. Tozların direk sıcak preslenmesiyle de bir safhada

44

cam-seramik üretmek mümkündür. Bu, camların akışkanlığı ile gerçekleşir ve

sinterleme sıcaklığı camların yumuşama ve oluşum sıcaklıkları arasındadır.

Kristallerin oluşumu, cam tanelerinin kırılma yüzeyinde tüm numune boyunca

homojen bir şekilde gerçekleşir. Fakat burada, presleme sırasında sinterleme ve

kristalizasyonun birlikte gerçekleştirilebilmesi için şartların çok iyi ayarlanması

ve kontrol edilmesi gereklidir [25].

Camların ve cam-seramiklerin diğer bir üretim yöntemi ise sol-jel tekniğidir. Bu

yöntemin geleneksel cam üretiminden farkı; yüksek sıcaklıklarda eriyikten değil,

oda sıcaklığında çözeltilerden yola çıkılmasıdır. Bu yüzden, bu yöntem soğuk

metod olarak da tanımlanmaktadır. Başlangıç malzemeleri genelde alkoksitler ve

metal tuzlarıdır. Su, asit veya alkol ile karıştırılarak hazırlanan çözeltiler hidroliz

ve kondenzasyon reaksiyonları sonucu jel haline dönüşür. Daha sonra jeller ısıl

işleme tabi tutularak cam haline dönüştürülür. Bu yöntem ile büyük boyutlu

camların elde edilmesinde zorluklar vardır. Hidroliz ürünlerinin ve organik

kalıntıların kurutma ile uzaklaştırılması sırasında numunede çatlaklar oluşabilir.

Sol-jel yöntemiyle elde edilen amorf tozların preslenip sinterlenmesiyle cam-

seramik üretilir. Sol-jel ile üretilen cam tozlarından cam-seramik üretiminde,

yukarıda bahsedilen presleme+sinterleme+ısıl işlem, presleme + sinterleme veya

sıcak presleme yollarından birisi izlenir. Sol-jel tekniğinin geleneksel klasik cam

üretimine karşı en önemli avantajları; başlangıç malzemelerinin çok temiz

olmasının yanısıra molekül bazında karıştırılmasından dolayı çok saf ve temiz

camların elde edilebilmesiyle, çok daha düşük sıcaklıklarda camların

üretilebilmesidir. Ayrıca, sol-jel tekniği kullanılarak fiber takviyeli cam-

seramiklerin üretimi de mümkündür [26].

Cam-seramik malzemeler genellikle saf tozlardan üretilmektedir. Teknolojinin

gelişmesine paralel olarak artan sanayi tesislerinin atıklarının değerlendirilmesi

son zamanlarda üzerinde çok çalışılan konuların başında gelmektedir. Termik

santral atık uçucu külleri, demir-çelik yüksek fırını ve kupol ocağı curufları,

hidrometalurjik tesislerin atıkları, cam fabrikalarının atıkları, filtre tozları ve doğal

volkanik kayaçların cam-seramik malzemelerin üretiminde kullanımına yönelik

birçok araştırma yapılmaktadır. Bu doğal ve atık malzemelerin birbiriyle değişik

45

oranlarda kombinasyonu ve çeşitli çekirdeklenme katalistlerinin ilavesi ile

hazırlanabilen cam-seramik malzemeler, yeni kristal fazların ve değişik

özelliklerde malzemelerin elde edilmesine olanak sağladığı için bilimsel

çalışmalar açısından büyük önem taşımaktadır.

Günümüzde cam-seramikler; metallere nazaran üstün aşınma ve korozyon

dayanımı, camlara göre üstün tokluk ve darbe direnci özelliklerinden dolayı

mutfak malzemesinden yer döşemesine kadar günlük kullanım alanlarının

yanısıra, füze başlığından teleskop aynasına, koruyucu seramik kaplamalardan

uzay araçlarının radar cihazlarındaki kubbelere ve vücut protezlerine kadar sayısız

ileri teknoloji alanlarında uygulamaya sahip malzemelerdir [27].

3.6. Biyoseramiklerin Dokularla Etkileşimi

Canlı dokuya yerleştirilen tüm malzemeler, bu dokudan tepki alırlar. Bu tepki

doku-implant ara yüzeyinde oluşur. İmplant malzemeye olan doku cevabının dört

türünden bahsedilebilir:

•Malzeme toksikse, çevresindeki doku ölür,

•Malzeme toksik değil ve biyoinertse, değişiklik kalınlıklarda fibroz doku

oluşumu gerçekleşir,

•Malzeme toksik değil ve biyoaktifse, doku implant ara yüzeyinde bağlanma

gerçekleşir,

•Malzeme toksik değil, fakat çözünür yapıdaysa, çevresindeki doku, implantın

yerini alır.

1. Dokuların çok karşılaşılan bir tepkisi, dokunun implant çevresinde ipliksi bir

kapsül üretmesi.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 inert

46

sayılabilecek seramikler de, ara yüzeyde ipliksi doku oluşumuna neden

olurlar.

2. Kimyasal reaktişiği çok yüksek olan metal implantlardaysa daha kal ın ara

yüzey tabakaları oluşur. Ara yüzeydeki uyumluluk ve hareketlilik de

tabakanın kalınlığının büyük ölçüde etkiler.

3. 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 dışlanmasına engellenmiş olur.

4. Dördüncü tür etkileşimdeyse, implant malzeme, onarım işlemi tamamland

ığında 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 edilmeli [6].

Seramik implantların en ilgi çekici özelliklerinden biri, doku için zehir etkisi

oluşturmamaları. Dokuların çok karşılaşılan bir tepkisi de, dokunun implant

çevresinde ipliksi bir kapsül üretmesi. 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

reaktişiği 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.

47

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 kullanıldığındanda, bu malzemenin vücut sıvılarınca kimyasal

açıdan parçalanabilir yapıda olmasına dikkat edilmeli. Bozunma ürünleri de

zehirli olmamalı ve hücrelere zarar vermeden dokudan uzaklaştırılmalıdır.

Emilebilen implantlar, belli bir kullanım periyodunda dereceli olarak bozunacak

şekilde tasarlanmışlardır ve sonuçta yerlerini ev sahibi dokuya bırakırlar. Bu

durumda ara yüzey kalınlığı ya çok incedir, ya da hiç olmaz. Ara yüzey kararlılığı

bağlı problemlerin çözümü açısından, emilebilen implant kullanımı uygun

gözükmekte. Emilebilen seramik implantların geliştirilmesinde dikkat edilecek

noktalarsa şöyle sıralanabilir:

Bozunma süresince ara yüzey kararlılığı ve dayanımı korunmalı.

Doku türüne, yaşına ve sağlık durumuna bağlı olan doku yenileme

hızı,emilme hızına uygun olmalı.

Malzeme, yalnızca metabolik olarak kabul edilebilecek maddeleri içermeli.

Aksi halde kronik iltihaplanma olur ve ağrı başlar. [5]

48

BÖLÜM 4

NANOBİYOMALZEMELER

4.1. Biyomalzemeler ve Nanobiyomalzemelerin Gelişimi

Biyomalzeme sektörü henüz gelişmekte olan ve nanoteknolojideki gelişmelere

paralel olarak hızla artan yükseliş eğrisine sahip bir grafik izlemektedir. Özellikle

tıp alanındaki DNA çözümleme çalışmalarındaki artışla paralel olarak artan

evrensel sorunlara nanoteknolojik çözümler neticesinde biyomalzemelerinde nano

boyutta geliştirilmesi mümkün hale gelmekte, üretim ve cerrahi yeterliliğe sahip

teknikler hızla geliştirilmektedir.

Nanobiyomalzemeler eklemlerden, doku ve organ nakline, biyosensörlerden

çiplere kadar birçok alanda kullanıma girmekte ve üretim maliyetleri de gün

geçtikçe azalmaktadır.

49

Yandaki resimde vücut sıcaklığını ölçen ve bu bilgiyi iletebilen birçeşit telesensör

yonga,göze görülmektedir. Bu boyutta bir sensörün üretilmesi için

elektronik,malzeme ve kimya biliminin oluşturduğu disiplinlerarası bir çalışma

oluşturulmalıdır. Nanobiyomalzemelerin sıklıkla kullanıldığı noktalardan bir

tanesi de ortopedia alanıdır.Son yıllarda ortopedi alanında kendisi doğal bir

nanokompozit olan kemiğin incelenmesine yönelik araştırmalar sıklaşmış olup,bu

alanda ciddi bir ilerleme kaydedilmiştir. Bu ilerlemeler önümüzdeki yıllarda

nanobioteknolojinin gelişimine ciddi anlamda ışık tutmakta ve bilim insanlarının

önünü görebilmesini sağlamaktadır.

Nanobiyomalzemelerin geliştirilmesine örnek olarak nano ölçekli yapay fiberlerin

üretilmesi ve bunların endüstride güçlendirme amaçlı kullanılmasını örnek

gösterebiliriz. Örneğin, kendisi doğal bir protein olan kolajenler vücudün

kırkıdak,kemik doku ve liflerinin yapıtaşıdır. Bilim adamları örümcek ağının

yapısına benzer şekilde örümcek ağı benzeri lif geliştirmek adına uzun yıllardır

çabalıyorlar.

Bu anlamda Cornell üniversitesi ve Dupont’un yapmış olduğu araştırmalar

neticesinde örümcek ağı üretimi sentetik olarak gerçekleştirilmiş ancak

sürdürülebilirlik ve kullanılabilirliği henüz sağlanamamıştır. Örümcek ağının en

mukavimi olan ve Golden Orb Weaver (Nephila Clavipes) türünde Dragline Silk,

Glycine adlı protein temel hammadde olarak bulunmakta ve bilim insanları

yıllardır bu proteini çeşitli yöntemlerle ağ yapısında üretmeye çalışmaktalar.

Nephile Clavipes ürünü olan Dragline, kendi kalınlığında bir çelik ile

50

Şekil 4.1. Biyosensör [28]

kıyaslandığında yüksek karbonlu bir çeliğin mukavemetine sahipken yüzde 30-40

boyca uzama gösterebilmektedir.

Örümcek ağı önümüzdeki yıllar içerisinde sentetik olarak yaygınca üretilmesiyle

birlikte, savunma sanayinden tekstile kadar birçok alanda ve akıllı malzemelerin

geliştirilmesinde kullanılacaktır. Daha bugünden Pazar payı ciddi anlamda

oluşmuş olup, birçok sektörden kişi ağın nasıl daha hızlı ve seri üretilebileceğinin

yanıtlarını aramaktadır. Ancak bu anlamda 98 yılından bugüne kadar yapılmış cok

ciddi araştırmalar açıklanmamakta ve gizliliğini korumaktadır.

Şekil 4.2. Örümcek ağının yapısı ve çekme mukavemetleri [29]

4.2.

Biyosensörler

Biyoalgılayıcılar bünyesinde fiziksel bir duyargacı bulunan ve bir fizikokimyasal

çeviriciyle birleştirilmiş analitik cihazlar olarak tanımlanmakta. Bir biyosensörün

amacı bir veya bir grup analitin miktarıyla orantılı olarak sürekli sayısal elektrik

sinyalı üretmektir. Biyosensörler üç temel bileşenden oluşmaktadırlar. Bunlardan

51

birincisi,seçici tanıma mekanizmasına sahip, ‘biyomolekül/biyoajan’ bu

biyoajanın incelenen maddeyle etkileşmesi sonucu oluşan fizikokimyasal

sinyalleri elektronik sinyallere dönüştürebilen çevirici ve elektronik bölümler.

Biyosensörlerin, klinik, teşhis, tıbbi uygulamalar, süreç denetleme, biyoreaktörler,

kalite kontrol, tarım ve veterinerlik, bakteriyel ve viral teşhis, ilaç üretimi,

endüstriyel atık su denetimi, madencilik, askeri savunma sanayii gibi alanlarda

yaygın olarak kullanımı söz konusu.Özellikle 20. yüzyılın son 10 yılında, askeri

bir tehdit oluşturması açısından hem dönemin genelkurmay başkanı hem de

bugünün ABD dışişleri bakanı, Colin Powell’ın; “olabilecek en ürkütücü

silahın biyolojik silahlar’’ olduğu yönündeki açıklamaları, 21. yüzyılın ilk

dönemi için hem maddi hem de teknik açıdan biyosensör araştırmalarının yönünü

belirlemiştir.

4.3. Biyoçipler

Biyoçipler, biyolojik olarak kullanılabilen mikroişlemciler olarak

tanımlanıyorlar. Bir biyoçip, ultraminyatürize test tüpleri seti olarak algılanabilir.

Bu sistem pek çok testin aynı anda ve çok hızlı bir biçimde yapılabilmesine

olanak sağlar. Tıpkı milyonlarca matematik işlemini aynı anda gerçekleştiren

diğer bilgisayar işlemcileri gibi, bir biyoçip de binlerce biyolojik tepkimeyi

saniyeler içerisinde gerçekleştirebilir. Bilgisayar çipleri üretiminde de kullanılan

fotolitografi tekniği ile üretilirler. Bu teknik ile katı Clarion kohlear çipinin devre

mimarisi [30] yüzeyler üzerinde devre kanalları açılır. Ancak bu noktada

bilgisayar çipleri ile benzerlikleri sona erer.

Bir bilgisayar çipi, bir sıfırlar ve birler zinciri üzerinde mantık işlemleri

gerçekleştirirken biyoçip, biyokimyasal tepkimeler gerçekleştirir. Bilgisayar çipi

silikon tabanlıyken, biyoçip cam ya da gözenekli bir jel veya bir polimer malzeme

içerisinde olabilir. Bilgisayar çipi pek çok farklı amaca hizmet ederken, dışarıdan

gelen talimatları uygulayan bir hesap aracıdır. Biyoçipler ise istenilen bir işlevi

gerçekleştirmek için tasarlanmış cihazlar ve farklı işlevler için programlanma

52

gibi bir özellikleri yoktur. Bu bağlamda, kullanılan genleri ve gen dizisi

varyasyonlarını analiz eden biyoçipler yaklaşık 80.000 genden oluşan insan

DNA’sının tanımlanmasına yönelik insan Genomu Projesi’nde kullanılmış ve

işlemi büyük ölçüde hızlandırmıştır.

Günümüzde tıpta kullanılan tedavi yöntemleri, cerrahi müdahale ve ilaç tedavisi.

Cerrahi müdahaleler,doğrudan vücuda yapılan müdahaleler ve uzman doktor ne

kadar iyi yetişmiş olursa olsun, anestezi, enfeksiyon kapma riski, organ reddi ya

da kanserli hücrelerin tamamen temizlenememesigibi olasılıklar bunları tehlikeli

kılar. ilaç tedavisiyse insan vücudunu moleküler düzeyde etkileyen bir tedavi

yöntemi. Dolaşım sistemiyle vücut içerisinde taşınan ilaç molekülleri,

hedeşenmeyen bölgelerde istenmeyen yan etkilere neden olabilir. Buna karşın

nanorobotlar, hastalıklı hücreleri tanımakta hiç zorluk çekmezler ve nerede olursa

olsun bu hücreleri bulup yok edebilirler. ilacın doğru hedefe ulaşması, özellikle

kanser hastalığında kanserli hücrelerin tümünün yok edilmesi ve bu arada sağlıklı

hücrelerin zarar görmemesi açısından önem taşı makta. işte bu nedenlerle tıp

bilimi, alışılagelmiş tedavi yöntemlerini bir kenara atacak nanoteknolojik tıbbi

gelişmeleri dört gözle beklemekte. Nanotıp, nanokürelerle ilaç salımından, doku

yapılanmasını gerçekleştirecek nanoteknolojik tasarıma dayalı doku iskelelerine,

hatta teşhis ve tedavi amaçlı nanorobotlara kadar çok çeşitli uygulamaları

kapsıyor.

4.4. Doku yenilenmesi

Nanoteknolojinin vücudun yeniden yapılanmasındaki rolü. Glasgow

Üniversitesi’nden bir araştırma grubu, yara iyileşmesinde kullanılmak üzere

“akıllı bandaj”ın klinik araştırmalarını yapmakta. Bir teknoloji uzmanı, bir hücre

biyoloğu ve bir cerrahtan oluşan bu üç kişilik ekip, hücrelerin üremesini

etkileyecek malzemelerin nasıl hazırlanacağını araştırıyor.

53

Biyolojik ortamda bozunan bir polimerden hazırlanan bandaj, üzerinde çok küçük

oluklar içermekte. Bu bandaj, yaralı tendonları n tedavisinde büyük başarı

sağlamış. Hasarlı doku yeniden yapılanırken, tendonu çevreleyen ve serbestçe

hareketini sağlayan kılıf, tendona yapışır ve böylece tendonun hareketi engellenir.

Oysa bu oluklu bandaj hasarlı dokuya sarıldığında bu yapışma engelleniyor,

tendon iyileşiyor ve kılıf da yeniden oluşuyor. İyileşme mekanizması çok net

olarak anlaşılabilmiş değil; ancak, araştırmacılar tendonun, çevresindeki dokulara

yapı şmasına neden olan makrofajların oluklara girdiğ ini ve böylece tendonun

yapışmasının engellendiğini söylüyorlar. Oluklar litografik yöntemle açılıyor.

Genişlikleri yaklaşık 10 mikron, yani hücrelerin çapı kadar. Olukların şekli de

54

Şekil 4.3. Doku Yenilenmesi Gösterimi [31]

hücrelerin oluk boyunca üremesine izin veriyor. Bu çalışmanın devamında

araştırmacılar, litografik yöntemle polimerik malzeme üzerinde desen oluşturarak

hücre üremesini yönlendirmeye çalı şacaklar.

4.5. Yeni Organ Gelişimi

Yeni organ geliştirme konusundaki çalışmaların şimdiye kadar kısmen başarılı

olanı kulakla ilgili olanları. Bir doku iskelesi üzerinde üreyen doku, gelişigüzel

yönlerde büyür. Oysa vücut içerisindeki hücreler, organın amacına uygun bir

desen üzerinde gelişirler. Bu sistem temelinde geliştirilen bir doku iskelesinde,

polimer malzeme üzerinde hücre yapışmasını, dolayısıyla üremesini engelleyen

küçük polimerik noktalar oluşturulur. Bu noktaların yerini değiştirerek hücrelerin

üreme desenini, istenilen organ işlevini sağlayacak şekilde ayarlamak mümkün.

4.6. Nanorobotlar

Nanorobotlar 0,5 ila 3 mikron arasında değişen çok küçük boyutlarda olan ve

insan vücudunu patojenlere (hastalık yapıcılar) karşı etkin biçimde savunmak

amacıyla tasarlanan cihazlar. Nanorobot yapısı, iç ve dış olmak üzere iki bölüm

halinde tasarlanır. Dış yapı, vücudumuzda bulunan çok çeşitli kimyasal sıvılarla

temas edebilecek kadar dayanıklıyken, iç yapı tamamen kapalı ve gerekmedikçe

sıvı geçişine izin vermeyen bir vakum ortamı. Nanorobotlar, akustik sinyaller

aracılığıyla mesaj ileterek uzman doktorla haberleşebilir ve verilen komutları

yerine getirir. Görevi tamamlandığında, herhangi bir yan etkiye neden olmadan ya

da bozulmadan vücut dışarısına atılır. Nanorobota olası bir örnek olarak Robert

Freitas isimli bilim adamı tarafından tasarlanan ve yapay bir kırmızı kan hücresi

olan respirosit verilebilir. Respirosit, vücutta dolaşım bozukluğu oluşması

durumunda, oksijen sağlanması için gerekli fazladan metabolik desteği sağlar.

Bağışıklık sistemince reddedilmemesi ve vücuttaki basınca dayanması için,

nanorobotun dış yüzeyi elmas olarak tasarlanmış. Elmas dış yüzeyin kusursuz bir

şekilde pürüzsüz olması gerekiyor. Dış yüzeyin kimyasal tepkimeye girmeyecek

55

şekilde ve düşük biyoaktiviteye sahip olması, yüzeydeki beyaz kan hücresi

etkinliğini engeller. Küresel yapıdaki respirosit, mekanik yollar kullanılarak

oksijenle doldurulur. Yaklaşık 1000 atmosfer gibi yüksek bir basınçta doldurulan

oksijen, nanoküresel yapıdan sabit bir hızla salınacaktır. Bir respirosit, doğal bir

kırmızı kan hücresine oranla 236 kat daha fazla oksijen taşır.

Nanorobotların diğer olası kullanım alanları içerisinde kozmetik ürünler

sayılabilir. Nanorobot içeren kozmetik kremler, ciltteki tüm ölü hücreleri

temizleyebilir, fazla yağları alabilir ve hatta cildin beslenmesi için gerekli olan

maddelere takviye yapabilir. Nanorobotlar, ağız ve diş temizliğinde kullandığımız

antiseptik sıvılara da eklenebilir; ağızda bulunan hastalık yapıcı bakterileri ortadan

kaldırabilir ve aynı şekilde plak ve tartarları saptayarak oluşumlarını

engelleyebilir. Kullanım ömürleri kısa olan bu nanocihazlar, biyolojik ortamlarda

parçalanabilecek şekilde tasarlanan yapıları sayesinde, zararlı yan ürünler

oluşturmadan, bozunarak vücuttan atılabilir.

56

Şekil 4.4. Nanorobot Tasarımı (Yuriy Svidinenko) [32]

BÖLÜM 5

SONUÇ

Bu çalışmada Biyomalzemelerin en hızlı gelişen kollarından birisi olan ve

Biyomedikal ve Doku mühendisliği gibi disiplinlerin de entegrasyonu ile son

zamanlarda çok büyük yenilikler barındıran ‘Biyoseramik Malzemeler’

incelenmiştir. Çalışma kapsamında yapılan araştırmalar göstermiştir ki,

biyoseramiklerin kütlesel malzeme değil, kaplama veya yardımcı malzemeler

olarak kullanılmaları da mümkündür ve gerçekleştirilmektedir.

Hidroksiapatit gibi yüksek biyouyumluluk gösteren malzemelerin geliştirilmesi ve

üretilmesi ile biyoseramik malzemelerin insan yaşamına yaptığı olumlu etki

açıkca görülebilir.

Biyomühendislik, takip eden yıllarda ileri kimya ve malzeme bilgisinin bir getirisi

olarak, Doku Mühendisliği ve Malzeme Mühendisliği’nin ortak çalışma alanı

haline gelecektir.

57

BÖLÜM 6

KAYNAKLAR

[1] http://www.shef.ac.uk/materials/prospective_ug/courses/tissue

[2] GÜMÜŞDERELİOĞLU, M., "Biyomalzemeler", Bilim ve Teknik Dergisi,

Temmuz 2002 Sayısı, s. 2-4, 23, TÜBİTAK.

[3] http://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/34966/3-051JSpring2004/

NR/rdonlyres/91F88A47-AAD8-49A6-897E-AFC44A49EB98/0/chp_

biomaterials.jpg

[4] GÜMÜŞDERELİOĞLU, M., "Biyomalzemeler", Bilim ve Teknik Dergisi,

Temmuz 2002 Sayısı, s. 2-4, 23, TÜBİTAK

[5] www.baskent.edu.tr/~mustafak/BME-201/.../biyouyumlulukdoc.pdf

[6] http://www2.aku.edu.tr/~evcin/biomaterials/sınıflandirma.pdf

[7] GÜMÜŞDERELİOĞLU, M., "Biyomalzemeler", Bilim ve Teknik Dergisi,

Temmuz 2002 Sayısı, s. 2-4, 23, TÜBİTAK

[8] http://www.nnoble.com/Capabilities/NiTi/Images/NitinolShapeSet2.jpg

58

[9] http://makinecim.com/bilgi_9308_Biyomedikal-Uygulamalarda-

Kullanilan-Biyomalzemeler

[10] PARK J., BRONZİNO J., “Biomaterials : Principles and Applications”

Sf:22-26,CRC Press,

[11] BOKROS J. C. “Deposition structure and properties of pyrolitic carbon”.

In: Chemistry and Physics of Carbon , Vol. 5, pp. 70–81, Marcel Dekker,

New York, 1972.

[12] Kaae, J. L. “Structure and mechanical properties of isotropic pyrolitic

carbon deposited below 1600°C.” J. Nucl. Mater. 38:42–50. 1971

[13] Shobert E.I. “Carbon and Graphite” . Academic Press, New York, 1964.

[14] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/Mineraly.sk_-

_hydroxylapatit.jpg

[15] www.azom.com/work/3ve2svxMPW0h5WDNlWGi_files/image008.jpg

[16] www.tsuhp.com/implant_stem_versys.jpg

[17] PASİNLİ A., “Ti6Al4V Tip Malzeme Yüzeyine Biyouyumlu

Hidroksiapatit Kaplanması ve Özelliklerinin İncelenmesi”, Ege

Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Makine Programı, Bornova,2004

[18] ÇAKIR A., AK AZEM F., “316L Paslanmaz Çelik Altlıkların Üzerine

Sol-Jel Tekniği İle Amonyak Takviyeli Çözelti Kullanarak Hidroksiapatit

(HAP) Kaplanması”, Bilim – Teknoloji Dergisi, Temmuz-Eylül /

2008/No.26

[19] http://www.makineihtisas.com/Teknik-Yazi_.aspx

[20] http://en.wikipedia.org/wiki/Ball-and-stick_model

[21] http://www.ucl.ac.uk/~uccaati/pic.jpg

59

[22] www2.aku.edu.tr/~evcin/biomaterials/camseramik.pdf

[23] http://www.metalurji.org.tr/dergi/dergi121/Sekiller/S16-T1.jpg

[24] http://www.metalurji.org.tr/dergi/dergi121/Sekiller/S14-S2.jpg

[25] McMILLIAN, P.W., Glass-Ceramics, Second Edition, Academic Press,

London, 1979

[26] http://www.metalurji.org.tr/dergi/dergi121/d121_1217.html

[27] YILMAZ, Ş., Volkanik Bazalt Kayaçlarından Cam-Seramik Malzeme

Üretim Koşullarının Araştırılması ve Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora

Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Temmuz 1997

[28] www.biltek.tubitak.gov.tr/bdergi/yeniufuk/icerik/biyomalzemeler.pdf

[29] ANTHONY C., ‘Spider Silk - the Material of the Future’, Cosmos

Cluster 8, July 30, 2008

[30] http://en.wikipedia.org/wiki/Biochip

[31] http://www.medscape.com/content/2004/00/47/29/472915/art-

nrc472915.fig2.gif

[32] http://nanoscale-materials-and-nanotechnolog.blogspot.com/

b 2007_01_18_archive.html

60