BİYOMALZEMELER VE İMPLANTLAR

1. BİYOMALZEMELER VE İMPLANTLAR Melih Zubari 3003010087 Süleyman kofalak 3003010042 Oğuz kahraman 2903010037

2. İçindekiler • Biyomalzeme nedir? • Biyouyumluluk Nedir? • Biyomalzemelerin kullanım alanları • Metalik Biyomalzemeler • Seramik Biyomalzemeler • Kompozit Biyomalzemeler

3. Biyomalzeme nedir? • Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine gerirmek için veya destek olmak için kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir. Bu malzemeler vücut akışkalnarıyla sürekli temas halindedir. Biyomalzemelerin biyouyumlu olması gerekmektedir.

4. Biyouyumluluk Nedir? • Kullanılan biyomalzeme ve vücut sıvılarının kimyasal etkileşimi ile gerçekleşen fizyolojik sonuçların vücuda zarar vermemesidir. Bir malzemenin biyouyumlu olması için bulunduğu canlıdaki fizyolojik ortam tarafından kabul edilmesi gerekir.

5. Biyomalzemelerin Kullanım Alanları

6. Biyomalzemelerin Kullanım Alanları • Biyomalzemeler metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler olarak gruplandırılmaktadır. Günümüzde ağırlıklı olarak metal biyomalzemeler tıp alanında kullanılır.

7. Metalik Biyomalzemeler • Sahip oldukları kristal yapıları ve güçlü metalik bağlar sayesinde metal alaşımlar, biyomalzemeler arasında en çok tercih edilen malzemelerdendir. Eklem protezi, kemik yenileme malzemesi ve dental uygulamalarda kullanıldığı gibi kalp-damar cerrahisinde kalp kapakçığı ve yapay kalp parçaları gibi uygulama alanlarıda vardır.

8. Metalik Biyomalzemeler • Tıp alanında kullanılan biyometaller genellikle Al, Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo, W, ve Pt alaşımlarından imal edillmektedir. Bu alaşımların dışında nadir olarak Au, Ag, Hg, Sn alaşımlarıda kullanılır.

9. Metalik Biyomalzemeler • Biyometalik malzemeler yüksek mukavemet sahiptirler. Son yıllarda geliştirelen biyometalik malzemelerin korozyona karşı olan direncide son derece arttırılmıştır ve daha biyouyumlu hale getirilmiştir. Ayrıca üretim yöntemlerinin gelişmesiylede yorulma dayanımı ve kullanım ömürleri son derece arttırılmıştır.

11. Metalik Biyomalzemeler • Biyometalik malzemeler daha önce belirtilen kullanım alanlarının dışında en yaygın olarak teşhis ve tedavi amaçlı kullanılan tıbbi cihazlarda kullanılmaktadır. Kalp pilleri ve işitme cihazları bunlara örnek olarak verilebilir.

12. Metalik Biyomalzemeler • Metalik Biyomalzemelerde Çelik Biyometalik malzeme olarak kullanılan çelikler ikiye ayrılmaktadır: I. Fe, C ve eser miktarda P, Si, Mn’dan oluşan Karbon Çelikleri II. %1 den düşük C oranına sahip, diğer metal ve ametalleri içeren Alaşım Çelikleri

13. Metalik Biyomalzemeler • Günümüzde karbon çelikleri yerini alaşım çeliklerine bırakmıştır. Alaşım çelikleri yüksek maliyetler ve uygulaması zor ısıl işlemlere tabi tutulmasına rağmen korozyon ve ısıl dirençleri çok yüksektir. Özellikle alaşım yapısına katılan Al aşınma direncini arttırırken, yüksek miktardaki Cr aşınma ve ısıl direnci önemli ölçüde arttırmaktadır. Bu çeliklere paslanmaz çelikde denir.

14. Metalik Biyomalzemeler • Kobalt içeren biyometalik alaşımlar Bu alaşımlar temel olarak Co-Cr-Mo ve Co-Ni-Cr-Mo alaşımı olarak iki çeşide ayrılır. Co-Cr-Mo alaşımı uzun yıllardır dental alanda kullanılmaktadır. Co-Ni-Cr-Mo alaşımı ise daha yeni bir malzeme olup ağır yüke maruz kalan diz ve kalça protezlerinde kullanılmaktadır. Bu tür alaşımlar %65’lik Co ve geri kalan kısmı Cr dur. Daha ince tanecik yapısı elde etmek için ise yapıya az miktarda Mo katılmaktadır.

15. Metalik Biyomalzemeler • Titanyum ve Titanyum içeren biyometalik alaşımlar Titanyum, 316L ve kobalt alaşımlara göre daha hafif bir malzemedir. Ancak saf titanyumun özel bir yanı bulunmaktadır. Bu malzeme yüksek sıcaklıklarda yüksek reaktiflik özelliği gösterir ve ortamdaki oksijen ile reaksiyona girerek patlar. Bu nedenle titanyumun yüksek sıcaklık uygulamalarında inert bir atmesfore gerek duyulur ya da vakum altında eritilir. Oksijenin bulunduğu ortamda ise oksijen metalin içine geçer ve metali kırırganlaştırır.

16. Metalik Biyomalzemeler • Nikel-Titanyum içeren biyometalik alaşımlar Bu metal alaşımlarında özellikle ‘‘şekil hafıza etkisi’’ yüksektir. Bu özellikleri nedeniyle diş köprüleri, stentler, kafatası içerisindeki damar bağlantıları ve ortapedik protezlerin üretiminde tercih edilirler.

17. Metalik Biyomalzemeler • Biometalik malzeme olarak diğer diğer metaller Tantal:Bu malzeme mekanik dayanımının zayıf olması ve yüksek yoğunluğa sahip olduğundan dolayı plastik cerrahisinde ameliyat ipliği olarak kullanılır. Platin ve Diğer Soy metaller: Bu metaller çok yüksek korozyon dirençlerine sahiptir. Fakat mekanik özellikleri zayıftır. Bu nedenle kalp pillerinde, kalbi uyaran elektrot olarak kullanılır.

18. Seramik Biyomalzemeler Seramik biyomalzemerin yaklaşık 50 yıllık bir geçmişi vardır. İnorganik malzemelerin önemli bir grubunu oluşturan bu malzemeler sağlık sektöründe çok çeşitli uygulamalarda kullanılır. Alüminyum oksit , biyoaktif cam ve hidroksi apatit biyouyumlu seramik malzemelere örnek verilebilir.

19. Seramik Biyomalzemeler • Mikroorganizmalara, sıcaklığa, çözücülere, değişken pH değerlerine ve yüksek basınçlara karşı iyi dirençler gösteren biyoseramik malzemeler. Bu özellikleri nedeniylede dişçilikte dolgu malzemesi, porselen kaplama ve protez parçalarında sıkça kullanılmaktadır.

20. Seramik Biyomalzemeler • Biyoseramikler ‘‘biyoinert’’ ve ‘‘biyoaktif’’ olmak üzere iki grupta incelenirler. Biyoaktif seramikler doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin verirken biyoinert seramikler izin vermezler.

21. Yapısal işlevlerine göre ise biyoseramikler üçe ayrılır • Oksit seramikler (Alümina ,Zirkonya) • Cam-seramikler • Kalsiyum-fosfat seramikleri

22. Seramik Biyomalzemeler • Oksit Seramikler:Bu seramikler inert yapıda olan ve oksijen iyonlarının oluşturduğu düzlemde metal iyonlarının dağılmasıyla oluşan polikristalin kristallerdir. İki önemli türü mevcuttur. Alümina ve Zirkonya

23. Seramik Biyomalzemeler • Alümina:Yüksek yoğunluk ve yüksek saflığa sahip (>99,5) alümina, korozyon direnci, yüksek basınçlara dayanımı ve iyi biyouyuşabilirliğinden dolayı kalça protezlerinde ve diş implantlarında yaygın olarak kullanılırlar. Bu uygulamarda kullanılan alümina 1600-1700°C sıcaklıklarda preslenmesi ve sinterlenmesi sonucu istenen biyomalzemeyi oluştururlar.

24. Seramik Biyomalzemeler • Zirkonya:Zirkonya da alümina gibi bulunduğu ortam üzerinde inert etki gösterir. Alüminanın diğer biyoseramik malzemelere göre avantajı çok daha yüksek çatlama ve bükülme direncine sahip olmasıdır. Zirkonyada alümina gibi femur kemiği protezlerinde başarıyla kullanılabilmektedir. Ancak uygulamalarda üç önemli problemle karşılaşılmaktadır. I. Fizyolojik sıvılar nedeniyle zamanla gerilme direncinin düşmesi II. Kaplama özelliklerinin zayıf olması III. Potansiyel radyoaktif malzeme içermesi (Uranyum, Toryum vb. yarılanma ömrü uzun radyoaktik elementler)

25. Seramik Biyomalzemeler • Kalsiyum-fosfat seramikleri:Bunlar: Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri şeklindeki yapılardır. Hidroksi apatit, Tri kalsiyum fosfat, (emilebilir) ve okta kalsiyum fosfat bu yapılara örnek verilebilir.

26. Seramik Biyomalzemeler • Cam ve cam seramikler:Silika temelli seramiklerdir. Cam seramikler Lityum / Alüminyum veya Magnezyum / Alüminyum kristallleri içerir. Biyocamdaysa silika gruplarının bazıları kalsiyum,fosfor veya sodyum ile yer değiştirmiştir. Bu camlar implant ve doku arasında kimyasal bağlanma gerçekleştirir.

27. Kompozit Biyomalzemeler Dokular genel olarak sert ve yumuşak dokular olmak üzere ikiye ayrılırlar. Sert dokulara örnek olarak kemik ve diş, yumuşak dokulara örnek olarak kan damarları, deri ve bağlar verilebilir. Metaller ve seramiklerin ‘‘elastiklik modülü’’ diye tanımımlanan sertlik dereceleri insan vücudundaki sert dokulara oranla 10-20 kat daha fazladır. Ortepedik cerrahide karşılaşılan en büyük problemlerden biri kemik ve implantın sertlik derecesinin birbirini tutmamasıdır. Bu gibi problemlerde implant kemiği aşındırarak zamanla deforme eder.

28. Kompozit Biyomalzemeler • İmplant kullanımındaki tüm bu yapısal sorunları ortadan kaldırmak amacıyla liflerle güçlendirilmiş polimer malzemeler yani polimer kompozitler kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler ‘‘matris’’ olarak adlandırılan bir malzeme içerisine güçlendirici malzemelerin nanometrik boyutta katılmasıyla hazırlanır ve sonuçta bünyesinde bulunan malzemelerin özelliklerini tüm yapıda gösteren bir malzeme elde edilmiş olur.

29. Kompozit Biyomalzemeler Kompozit farklı iki ya da daha fazla sayıda malzemenin sınırlarını ve özelliklerini koruyarak oluşturduğu kompleks yapıdaki malzemelere denir.Kendisini oluşturan malzemelerin özelliklerini taşıdığı için güçlüdürler.Kompozitler yüksek dayanıma sahiptir ve biyomekanik alanda kullanılanları genellikle kemikle uyuşan elastiklik modülüne sahiptirler, bu sebeple ortopedik uygulamalar için uygundurlar.Kompozitler kullanıldığı alanda mekanik ve fizyolojik şartlara kolay uyum sağlarlar.

30. Kompozit Biyomalzemeler Ayrıca, kompozit malzemelerin bileşimi değiştirilerek, implantın vücuttaki kullanım alanlarına göre,mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlamaları kolaylaştırılabilir.Kompozitler genel olarak ortopedi ve diş hekimligi uygulamalarında kullanılmaktadır.Diş implantlarında kullanılan kompozitin kırılgan olmaması,ortopedide kullanılan kompozitin elastiklik modülünün kemikle uyuşumu,korozyona ve aşınmaya dayanıklı olmaları ve kullanım sürelerinin uzun olmaları en önemli avantajlarıdır.

31. Kompozit Biyomalzemeler Ortopedik malzemelerin seçiminde, üretilebilirlik, şekil verilebilirlik,kullanım esnasında maruz kalınacak gerilmelere karşı dayanım, biyouyumluluk, toksik etkisi ve vücut sıvılarının korozif etkilerine karsı dayanım gibi özellikleri ön plana çıkmaktadır. Ortopedik malzemelerin vücutta kullanım yerleri, kişinin ağırlığı ve günlük aktiviteleri göz önüne alınmak suretiyle belirlenecek mekanik yüklere göre, dayanım saglayacak mekanik özellige sahip malzeme seçimi yapılmalıdır.

32. Kompozit Biyomalzemeler Karbon fiber, modern teknoloji ürünü ipliksi dokuya sahip çok dayanıklı bir maddedir. Karbon fiberin ipliksi yapısı bu maddeye üstün bir mukavemet verirken, çok sert olarak bilinen çelikten dahi daha dayanıklı olmasını sağlar. Karbon fiber çelikten yaklaşık olarak 5 kat daha hafif Olmasına rağmen 3 kat daha dayanıklı bir maddedir.

33. Kompozit Biyomalzemeler Polisülfon; çekme, basma ve sürtünme dayanımları çok yüksek bir malzemedir. Bu polimerden yapılan ürünler özelliklerini -150°C ile 150°C arasında 1 yıldan fazla koruyabilir. Asit, baz ve tuz çözeltilerine direnç gösterenbu malzeme deterjan, yağ Ve alkollerden etkilenmez.

34. Kompozit Biyomalzemeler Şekil 1. Ortopedide kullanılan Çeşitli Kompozitler ve Kullanım Yerleri

35. Kompozit Biyomalzemeler CF: Karbon lifler HA: Hidroksi Apasit C: Karbon PMA: Polimetakrilat GF: Cam lifler PU: Poliüretan KF: Kevlar lifler PTFE: Politetrafloroetilen PMMA: polimetilmetakrilat PET:Polieeitlenteraftalat PS: polisülfan PEA: Polietilakrilat PP: polipropilen SR:silikon kauçuk PHB: polihidroksi bütirat PEG: polietilen glikol PGA: poliglikolik asit PC: polikarbonat PEEK: polietereterketon

36. Kompozit Biyomalzemeler CAM LİFLER Yüksek sıcaklığa dayanıklıdır ve yüksek mukavemete sahiptirler.A-C-E-M tipi camlar vardır.Elektriksel dayanıklılık,korozyon dayanımı özellikleri farklı türlerde bulunan genel özelliklerdir. POLİKARBONATLAR İşlenmesi ve şekillendirilmesi kolay bir malzemedir.Pahalı malzemelerdir.Optik ve mekanik özellikleri iyidir. -100°C İLE 135°C arasında kullanılabilir. POLİETERETERKETON Oda sıcaklığında tok,rijit uzun sürede aşınmaya karşı çok dayanıklı bir malzemedir.

37. Kompozit Biyomalzemeler KEVLAR LİFLER Karbon kökenli çok sağlam liflerdir.Zırh yapımında dahi kullanılırlar.Yanmaz malzeme yapımında da kullanılabilir.Yüksek çekme gerilimine dayanabilirler. HİDROKSİ APASİT Doğada bulunan malzemeler içinde elmastan sonra en sert olanıdır.Biyoaktif yapıda bir malzemedir. POLİPROPİLEN Yorulmaya karşı iyi direnç gösterir.Düşük maliyetlidir.İyi darbe dayanımı vardır.Elektrik yalıtımı sağlar.Kimyasal direnci iyidir.