Download sdasdasdaasdasdasdaasdasd and more Assignments Biomaterials in PDF only on Docsity!
BİYOMALZEMELER
1 GİRİŞ
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. Cerrahide biyomalzeme, canlı dokuyla temas içerisinde çalışabilecek, canlı bir sistemin yerine kullanılabilecek malzeme olarak tanımlanmıştır. Avrupa Biyomalzeme Topluluğuna göre biyomalzemeler biyolojik sistemler ile ara yüzey oluşturarak ya da dokuların, organların ve vücut fonksiyonlarının yerine geçerek iyileşmesini, büyümesini ve onarılmasını sağlayan malzemelerdir. Biyomalzeme bilimi ise malzemelerin fiziksel ve biyolojik çalışmalarını ve onların biyolojik ortamdaki etkileşimlerini inceleyen disiplinler arası bir dilim dalıdır. Şekil 1’de biyomalzeme biliminin diğer dallarla ilişkisi gösterilmiştir. Çeşitli bilim dallarının yardımıyla biyomalzeme sentezlenmesi, optimizasyonu, karakterizasyonu, test metotları ve doku-malzeme etkileşimini incelemektedir. Son zamanlardaki çalışmaların çoğu ise biyomalzeme olarak üretilen mühendislik malzemelerinin hızlı bir şekilde ve istenilen düzeyde hücre ve proteinleriyle etkileşimini konu almaktadır ve bu da “biyouyumluluk” olarak bilinmektedir. Şekil 1: Biyomalzeme biliminin diğer dallarla ilişkisi. Biyomalzemelerin kullanımı tarihin çok eski zamanlarına kadar uzanmaktadır. Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler bunun en güzel kanıtlarıdır. Altının diş hekimliğinde kullanımı 2000 yıl öncesine kadar uzanmaktadır. Bronz ve bakır kemik implantlarının kullanımı milattan önceye kadar gitmektedir. Biyomalzemelerin gelişim süreci üç safhaya bölünebilir. Birinci kısım, 19. yüzyılın ikinci yarısına kadar olan tahta, fildişi gibi metal olmayan malzemelerle altın, gümüş ve bakır gibi yaygın olarak bulunan metallerin kullanımıdır. İkinci kısım, biyomalzemelerde önemli ilerlemelerin olduğu 1850– 1925 yıllar arasıdır. Bu yıllar arasında özellikle anestezinin keşfi ile cerrahi operasyon sırasında hastanın acı hissetmemesinden dolayı insanların biyomalzemelere talebi artmıştır. Ayrıca X ışınının keşfi ile vücuttaki hasarlı bölgelerin daha iyi belirlenebilmesi ve ne tür bir hasarın olduğu gözlemlenebilmiştir. 1925’ten günümüze
kadar olan bölüm ise özellikle iki büyük dünya savaşının da etkisiyle en hızlı ilerlemenin olduğu dönemdir. Bu dönemden sonra günümüzde kullandığımız biyomalzeme türleri ortaya çıkmıştır. Fakat biyomalzemelerin insan vücudunda yaygın olarak kullanılması ile beraber bazı sıkıntılar ve sınırlamalar ortaya çıkmıştır. Bunlar; Pıhtılaşma, Korozyon, Kireçlenme, İltihaplanma, Hücre zehirlemesi, Kan ile uyuşmazlık, Mekanik özelliklerde kısıtlar (esneklik, hafiflik, dayanım, yorulma, ömür), Ekonomiklik, Hammadde sıkıntısı, Cerrahi olarak tatbik edilebilirlik, uygulanabilirlik, Tasarım, şekillendirilebilirlik, üretim, Onarılabilirlik, onarım koşulları vs.dir.
- 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 alümina ve zirkonya isimli iki seramik yapı herhangi bir biyolojik olumsuzluk yaratmaksızın kullanılmaya başlanmıştır, ancak inert yapıdaki bu seramikler dokuya bağlanamadıklarından çok çabuk zayıflamışlardır. Biyomalzemeler, yalnızca implant olarak değil, ekstrakorporeal cihazlarda (vücut dışına yerleştirilen ama vücutla etkileşim halindeki cihazlar), çeşitli eczacılık ürünlerinde ve teşhis kitlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Genelde biyomalzeme olarak kullanılan bir malzemeden; Yerini aldığı dokunun malzeme mekanik özelliklerine yakın olması (esneklik, hafiflik mukavemet, aşınma direnci, mekanik bütünlük ve uyumluluk) Kimyasal tepkimeye duyarsız-inert olması (iltihaplanma, kangren (doku ölümü), pıhtılaşma, enfeksiyon, korozyon, hücre zehirlenmesi, bakteriyel vs. olumsuz etkiler doğurmaması bakımından biyolojik bütünlük ve uyumluluk) Ekonomik, uygulanabilir ve üretilebilir olması (hammadde temini, cerrahi olarak tatbik edilebilirlik, uygulanabilirlik, tasarım, şekillendirilebilirlik, onarılabilirlik ve diğer şartlar) gibi temel özellikler beklenmektedir. Hangi işlev için kullanılacak olursa olsun bir biyomalzemenin üretimi, birbirinden ayrıntılı basamaklar takip edilerek gerçekleştirilmektedir. Söz konusu süreç;
Birçok doku tipinin temel madde ekstresi olan kollajen sıklıkla kullanılarak, dokuların yeniden yapılabileceği in vivo olarak gösterilmiştir. Ancak bu maddelerin mekanik kuvvetleri yetersiz olduğundan seri üretimleri zordur. Ortopedik doku ve onun yerini alacak olan sistemler; eklem protezleri, küçük veya büyük protez birleştiricileri, kemikteki deformasyonu düzelten implantlar, kemiğin yerini alan biyomateryaller, suni lifler, kalp kapakçığı implantlarını kapsamaktadır. Şekil 2 ’de biyomalzemelerin insan vücudundaki bazı kullanım yerleri görülmektedir. Şekil 2 Biyomalzemelerin insan vücudundaki bazı kullanım yerleri
1.2 Biyomalzemelerden Beklenen Temel Özellikler Biyomalzemeler vücuda yerleştirildiklerinde doku ile tepkimeye girerler. Bunlar toksik veya toksik olmayan tepkimeler olmak üzere ikiye ayrılır. Eğer verilen tepkime toksik ise canlı dokunun o malzemeyi kabul etmediğini ve çevre dokuların ölümünün gerçekleştiği anlamına gelmektedir. Eğer verilen tepki toksik değil ise biyomalzemeler biyoaktif ya da biyoinert olarak değerlendirilmektedir. Malzeme biyoinert ise bu durumda implant malzemesi üzerinde farklı kalınlıkta fiberimsi doku oluşmaktadır. Biyoaktif olması durumda ise malzeme ile dokunun arasında güçlü bir bağ oluşur. Bir diğer olasılık ise malzemenin “resorbable” yani emilen olması durumudur ve malzeme çevre dokular tarafından emilerek onların yerine geçmektedir. Dokuların yabancı malzemelere verdikleri tepkiler Tablo 1 ’de özetlenmiştir. Tablo 1: Dokuların yabancı maddelere verdikleri tepkiler Verilen Tepki Doku Yanıtı Toksik Çevre Dokular Ölür Toksik olmayan/Biyolojik olarak aktif olmayan Değişken kalınlıkta fiberimsi doku oluşturur Toksik olmayan/Biyolojik olarak Aktif Değişken kalınlıkta fiberimsi doku oluşumu Toksik olmayan/Emilebilir Çevreleyen dokunun malzemenin yerini alması 1.2.1 Biyouyumluluk Biyomalzemeler, insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamlarında kullanılırlar. Örneğin vücut sıvılarının pH değer farklı dokulara göre 1 ila 9 arasında değişir. Araştırmacılar, “biyomalzeme” ve “biyouyumluluk” terimlerini, malzemelerin biyolojik performanslarımı belirtmek için kullanmışlar. Biyouyumlu olan malzemeler, biyomalzeme olarak adlandırılmıştır. Biyouyumluluk; uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği olarak tanımlanmıştır. Biyouyumlu, yani ‘vücutla uyuşabilir’ bir biyomalzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu, vb) meydana getirmeyen malzemedir. 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 gereklidir. 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
kapsamlı testler ile biyouyumluluğunun değerlendirilmesi gerekmektedir. Yeni bir materyalin biyolojik olarak kabul edilebilirliğini saptamak için günümüzde çeşitli testler kullanılmaktadır. Materyallerin biyolojik özelliklerinin test edilmesine genellikle hücre kültürlerinin kullanıldığı basit in vitro test yöntemleri ile başlanır. Değerlendirmelere daha pahalı ve uzun zaman gerektiren hayvan testleri ile devam edilir. Bu testlerden istenilen sonuçlar elde edildiğinde kullanım testleri ( in vivo değerlendirme) gibi daha kapsamlı çalışmalar yapılmalıdır. 1.2.1.1 In Vitro Testler Biyolojik uyumluluğun değerlendirilmesi için uygulanan in vitro testler bir test tüpü içinde, hücre kültürünün bulunduğu bir kap içinde ya da canlı organizmanın dışında yapılır. Bu testler materyalin bir bileşeninin bir hücre, enzim ya da diğer izole edilmiş biyolojik sistemlerle temas ettirilerek uygulanmasını gerektirir. Bu test metodu, arada herhangi bir bariyer olmaksızın materyalin hücre ile temas ettirilerek direkt uygulanabildiği gibi materyal ile hücre arasında küçük bir bariyer yerleştirilerek indirekt bir şekilde de uygulanabilir. Bu tür in vitro testlerde materyallere temas ettirilen hücrelerin sayıca canlılık oranı, büyüme oranı, metabolik fonksiyonları ya da diğer hücresel fonksiyonları ölçülerek materyalin etkisi saptanır. Biyomalzemelerin in vitro olarak sitotoksisitesini belirlemede en yaygın kullanılan biyolojik sistemler hücre kültürleridir. Bu amaçla çeşitli canlıların (insan, maymun, fare, tavşan gibi) çeşitli dokuları (böbrek, akciğer, tümör, amniyon zarları) önce parçalanarak tek tek hücrelere ayrılırlar. Bu hücreler çeşitli tuzlar, tampon maddeleri, aminoasitler, vitaminler, dana veya at serumu içeren besleyici sıvılarda süspanse ederek steril tüp veya şişelere koyulur. Bu hücre süspansiyonu 36 ºC’de bekletildiğinde hücreler kabın çeperine yapışarak ürerler. Üreme sonucunda oluşan yapıya hücre kültürü denir. 1.2.1.2 İn Vivo Testler Biyolojik uyumluluğun değerlendirilmesi için uygulanan in vivo testler, nesne ile doku arasındaki ilişkinin canlı ortamda ya da yaşayan koşullarda incelenmesidir. İn vivo testler araştırması yapılan maddenin deney hayvanlarına verilmesi ile gerçekleştirilir. Araştırmalar için fare, sıçan, hamster, tavşan, kedi köpek ve maymun gibi çeşitli deney hayvanları kullanılabilmektedir. Biyomalzeme çevresinden alınan doku örneklerinin morfolojik incelemesi, biyomalzemenin biyolojik uyumluluğu hakkında fikir verebilir. Titanyum hariç, ortopedi ve travmatolojide kullanılan tüm metaller için biyomalzeme çevresindeki kapsül kalınlığı ile bu kapsüldeki metal iyon konsantrasyonu arasında bir kolerasyon bulunmuştur.
Biyolojik ortamlar için biyomalzeme tasarımı, birbiri ile etkileşen üç ayrı dinamik unsurun varlığından dolayı son derece zordur. Bunlar; Biyomateryal yüzeyinin kimyasal yapısı Biyomalzeme-doku ara yüzey tabakasının kimyasal yapısı Biyomalzemeyi çevreleyen konakçı hücrenin oluşacak biyomalzeme-doku etkileşimine yanıtıdır. Biyomalzemeler, konakçıda (barındırıcı ortam) oluşturabilecekleri biyolojik etkilere göre aşağıda sınıflandırılmışlardır. Bunlar; Biyotolere Etki Biyoinert Etki Biyoaktif Etki Toksik Etki Biyoaktivite. Biyotolere Etki: Biyomalzeme uygulandığı bölgede, sınırlı fibröz doku ile çevreleniyorsa biyotolere etkiden söz edilmektedir. Günümüzde kullanılan çoğu biyomalzemede bu durum görülmektedir. Biyoinert Etki: Biyomalzeme, uygulandığı kemik dokuyla, arada sınırlı fibröz bir doku olmadan birleşmektedir. Çoğu zaman biyomalzemeler uygulandıkları dokuyu, dokular da kendilerine uygulanan metaryali etkilemek çabasındadırlar. Biyoinert etki, bu tür etkileşimlerin görülmediği biyomalzeme-doku ilişkisine verilen addır. Çok sayıda araştırmacı gerçekte biyoinert bir biyomalzeme olmadığına inanmaktadır. Biyoinert malzemelerin en büyük özellikleri doku ile etkileşime girdiklerinde fiziksel ve mekanik özelliklerini korumalarıdır. Bu sayede korozyon ve aşınmaya karşı direnç gösterirler. Biyoinertlik durumunda doku ile bitişik yaşayan hücreler herhangi bir tepkime göstermezler fakat yerel hücreleri mekanik hasardan korumak amacıyla implant yüzeyine yakın bölgelerde koruyucu fiberimsi hücreler büyütürler. İmplant ve doku arasında oluşan ve yapışmayan fiberimsi hücreler implantı dokudan izole ederek koruyucu bir mekanizma oluşturur ve zamanla bütün implantı kaplar. Metal ve polimerik implantlar genellikle bu fiberimsi kapsül arayüzeyini oluştururlar. Arada oluşan bu kapsülün kalınlık değeri malzemenin biyoinert olma derecesine bağlıdır ve biyoinertlik derecesini etkileyen faktörler Tablo.2’de verilmiştir. Zirkonya ve alümina gibi malzemelerde oluşan bu fiberimsi yapının kalınlığı metalik implantlarda gözlenenlere oranla daha düşüktür. Biyonert malzemelere örnek olarak alümina, zirkonya, pirolitik karbonlar, titanyum ve titanyum dioksit verilebilir. Bu malzemeler yüke maruz kalan uygulamaların ve statik
Biyoaktif malzemelerin en büyük dezavantajı; düşük mukavemetli olmasıdır. Bu nedenle çoğunlukla kompozit olarak kullanılır. Uygulamalarda genellikle bir biyoaktif malzemenin, biyoinert malzeme üzerine kaplama olarak kullanılması tercih edilmiştir. Ancak bir başka seçenek ise biyouyumlu fiber veya partikül ile pekiştirilmelidir. Bu bize üretilecek malzemenin istenilen biçimde oluşturabilmeyi ve özelliklerini önceden tahmin edebilme olanağını sağlamaktadır. Toksik etki: Ortopedi ve travmatolojide kullanılan biyomalzemeler birçok testten geçtikten ve biyouyumluluğu onandıktan sonra kullanım alanına girmektedirler. Tüm bu testlere rağmen biyomalzemelerin allerjik, immün, nonimmün, mutajenik, kanserojenik ve inflamatuar etkileri olabilmektedir. Bu yüzden, kullanılacak biyomalzemenin test sonuçları çok önemlidir. 1.2.2 Korozyon dayanımı Nötr pH, düşük tuz konsantrasyonu ve vücudun uygun sıcaklığına rağmen birçok malzeme vücut içerisinde korozyona uğrar. Biyolojik ortamda düzenli ve çevrimsel yüklere maruz kalan implantlar korozyonla beraber aşınma ve eğilmeye de maruz kalarak mekanik özelliklerde zayıflama gösterirler. Sulu çözeltilerde yani vücut sıvısı içerisinde metaller elektrokimyasal olarak aktif olup, polimerler ise yumuşarlar. Hücrelerden gelen güçlü oksitlenme ajanları ve enzimler de implant malzemede korozyona neden olur. Korozyon ürünleri ortam pH’ını değiştirir ve başka reaksiyonların gerçeklemesine de imkân verir. Polimer malzemelerde hidroliz gerçekleşirse hidrofilik yüzeyler oluşur bu da korozyon ürünlerinin polimerin içerisine daha çok nüfuz etmesine olanak sağlar. Korozyon ürünleri toksin ve kanserojen olabilirler ve bu yüzden uygunalacak olan implant malzemelerin biyolojik açıdan uyumlu olup aynı zamanda korozyona meydan vermeyecek şekilde seçilmesi gerekmektedir Biyomalzeme yüzeyinin kimyasal yapısı, biyomalzeme-doku ara yüzeyi tabakasının kimyasal yapısı ve çevreleyen doku ile etkileşimi önemlidir.
