Alüminanın Biomalzeme Olarak Kullanım Alanları

Alüminanın Biomalzeme Olarak
Kullanım Alanları
Lisansüstü Biyoseramikler ve
Karakterizasyon’u Dersi Ders
Notudur.
İÇERİK
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Giriş
Biyomalzemeler
Biyomalzemelerin Genel Özellikleri
Biyomalzemelerden Beklenen özellikler
Biyomalzemelerin Sınıflandırılması
Seramik Esaslı Biyomalzemeler
Alüminanın Genel ve Biyomekanik Özellikleri
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
Literatürden Örnekler
Giriş
Biyomalzemeler bilimsel anlamda yeni bir alan olmasına karşın, tarihsel
süreç incelendiğinde insan vücuduna metal takılarak çeşitli tahribatların
düzeltilmesi ve daha güçlü bir yapı elde edilmesi düşüncesi çok daha
eskilere dayanmaktadır.
• Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler
• 2000 yıl önce dişçilik sektöründe kullanılan altın
• 18yy-19yy kırıkları sabitlemek için kullanılan metal çiviler (Fe, Au, Ag)
• 1938 ilk kalça kemiği değiştirilmesi
• 1952 paraşüt kumaşından ilk kan damarı
• 1958 ilk yapay kalp
• 2000ler biyomalzeme teknolojisi ve doku mühendisliği
Günümüz şartlarında, insan vücudunda yapay dokulara duyulan
ihtiyaçların artması insanoğlunun teknolojik ve sorunlara cevap verecek
nitelikte yeni biyomalzemeler geliştirmesini zorunlu kılmıştır.
Biyomalzeme
Biyomalzeme, “biyolojik sistemlerle arayüz oluşturarak doku, organ
ya da bunların işlevlerini ölçme, tedavi etme, destekleme ya da
tümden üstlenme amacıyla tasarlanan, laboratuar ortamında üretilen
malzemelerdir.
• Yaşayan bir sistemin parçası yerine kullanılmaktadır.
• Canlı doku ile yakın temas içinde çalışmaktadır.
Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi
İstenen Özellikler
• Fiziksel özelliklerini korumalı
• Kullanım ömrü boyunca fonksiyonel kalmalı
• Kullanım ömrü uzun olmalı
• Toksik olmamalı
• Kanserojen olmamalı
• Alerjik olmamalı
•Biyouyumlu olmalı
Malzeme Seçim Parametreleri
• Steril edilebilir olmalı
• Mekanik
• Elektrik / Termal İletkenlik
• Difüzyon
• Biyokararlılık
Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi
Biyouyumluluk
• Uygulandığı
canlı
dokuda toksik, zararlı ya
da immünolojik tepki
üretmemesi gerekiyor.
• Uygulanan biyomalzeme
veya
cihazı
canlı
organizmanın
hastalık
olarak algılayıp bağışıklık
sisteminin
aktif
hale
geçmemesi gerekiyor.
Biyo-kararlılık
Biyomalzemenin
tespit
edildiği
canlı
dokuda
maruz
kaldığı
vücut
akışkanlarına
karşı
kimyasal,
korozif
ve
fiziksel
kararlığını
koruyarak uzun kullanım
ömrüne sahip olmalı
Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi
Malzeme Seçimindeki Mekanik Özellikler
Biyomalzemeler, insan vücudunun değişik bölgelerinde değişik
kuvvet ve etkilere maruz kalmaktadır. Örnegin günlük aktiviteler
sırasında kemiklere 4 MPa, tendonlara ise 40-80 MPa değerinde
gerilmeler etki etmektedir.
Bir kalça eklemindeki ortalama yük, vücut ağırlığının 3 katına kadar
çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler sırasında bu değer vücut ağırlığının
10 katına kadar çıkabilir.
Vücuttaki bu gerilmeler; ayakta durma, koşma, oturma gibi
faaliyetler sırasında gün boyunca tekrarlanır. Bu tekrarlı hareketler
biyomalzemelerin yorulmasına, çatlamasına ya da plastik
deformasyonuna neden olabilmektedir
Biyomalzemelerin Özellikleri ve Malzeme Seçimi
Malzeme Seçimindeki Mekanik Özellikler
Vücuttaki bu gerilmeler; ayakta durma, koşma, oturma gibi
faaliyetler sırasında gün boyunca tekrarlanır. Bu tekrarlı hareketler
biyomalzemelerin yorulmasına, çatlamasına ya da plastik
deformasyonuna neden olabilmektedir.
Yürüme esnasında femur başının, vücut ağırlığının (80 kg’lık bir
vücut ağırlığının) 3,5 katına kadar yüklendiği deneysel olarak
ölçülmüş olup, total kalça protezlerinin, bu yüklere yeterince
dayanımlı olması gerektiğini göstermektedir.
Aynı zamanda, bu protezlerin eklem yerindeki sürtünme ile oluşan
aşınmaya da dirençli olması gerekir.
Biyomalzemelerin Sınıflandırılması
Biyomalzemeler
Doğal
• Kıkırdak
• Kemik
• Kas
Yapay
Metalik
Seramik
Kompozit
Yapısal İşlevine Göre
1. Oksit Seramik
• Alümina
• Zirkonya
Bağlanma Mekanizmasına Göre
2. Kalsiyum-Fosfat Seramikler
3. Cam ve Cam Seramikler
• Biyoinert
• Biyoaktif
Seramik Esaslı Biyomalzemeler
Seramikler; pozitif ve negatif iyon davranışları ve Coulomb kuvvetleri ile
bağlıdırlar. Seramikler genellikle metaller ile metalik olmayan oksijen, azot, karbon
gibi elementlerin bileşimleri ile oluşurlar (oksitler, nitritler ve karbürler). Sert,
kırılgan ve yalıtkanlardır.
Biyoseramiklerin Avantajları
• Vücutta kimyasal kararlılık sergilerler
• Çeşitli şekil ve porozite oranlarında üretilebilir
• Yüksek basma mukavemetine sahiptir
• Mükemmel aşınma özelliği sergiler
• Apatit fazında üretilenler doğal kemiğin bileşimine ve yapısına benzemektedir
• Isı ve elektrik geçirgenliği az olduğundan biyouyumluluğu yüksektir
Biyoseramiklerin Dezavantajları
• Sert
• Kırılgan
• Zor işlenebilir
• Mekanik özellikleri düşük
• Yoğunluğu yüksek
Alümina (Al2O3)
Alüminyum oksit (Al2O3) yani bilinen adı ile ‘alümina’, biyoinert seramik
malzemelerin en önemli temsilcisidir. Alüminanın tek kararlı fazı olan αAl2O3, ‘korundum’ şeklinde adlandırılmakta ve biyomalzeme olarak
yoğun bir ilgi görmektedir. Korundum doğal kristal yapısı içerisinde
krom (Cr) iyonu empüriteleri içerirse ‘yakut’, titanyum (Ti) iyonu
emprüteleri içerirse ‘safir’ ve klor (Cl) iyonu emprüteleri içerirse
‘zümrüt’ ismini almaktadır. Bu empürite çeşidine göre malzemenin rengi
de farklılaşmaktadır. Yakut kırmızı, safir mavi ve zümrüt yeşil renktedir.
Bir biyomalzeme konumundaki ilk denemesi Rock tarafından 1930’lu
yıllarda yapılan alümina; günümüzde yüksek sıcaklık fırınları için
refrakter malzemesi, yüksek voltaj yalıtım malzemesi vb. gibi ileri
mühendislik ve teknoloji kullanım sahalarında rol almaktadır.
Biyomedikal açıdan bilhassa yük taşıyıcı ortopedi protezleri ve diş
implantı uygulamalarında fonksiyon gösterir.
Alüminanın Özellikleri
Vücut doku ve sıvıları ile iyi biyouyumluluk
• Yüksek yoğunluk
• Atomlar arasında kuvvetli seramik bağların bulunduğu kristal yapısı
• Yüksek sertlik
• Yüksek basma mukavemeti
• Yüksek elastik modül
• İyi yorulma dayanımı
• Çok iyi triboloji özellikleri
• Yüksek kimyasal kararlılık)
• Isı ve elektrik iletkenliğinin zayıf olması (iyi bir yalıtkan)
• Yüksek ergime sıcaklığı ve düşük termal genleşme katsayısı α = ~
(9 x 10-6 ºC-1)
• Alerjik, toksik ve kanserojen etkiler göstermeme
• Islatılabilir (hidrofilik) ve son ürün hali için kolayca hazırlanabilen
yüzey Zayıf çekme mukavemeti (gevrek yapı)
• Zayıf kırılma tokluğu
Alüminanın Genel Özellikleri
Fiziksel Özellikleri
Yoğunluk
3,9 gr/cm3
Su Absorbsiyonu
%0
Mekanik Özellikler
Sertlik
9 mohs
Çekme Mukavemeti
240 MPa
Elastik Modül
340 GPa
Basma Mukavemeti
2500 MPa
Poisson Oranı
0.22
Elektriksel Özellikler
Elektriksel Direnci
1.00e + 14 ohm cm
Dielektrik Sabiti
9.6
Dielektrik Mukavemeti
9.00kV/mm
Termal Özellikler
Termal İletkenlik
25.0 W/m-K
Alüminanın Biomekanik Özellikleri
Avantajları
• Dokuya bağlanma mekanizması olarak biyoinert (kemikle veya diğer dokularla
reaksiyona girmez) grubundadır.
• Yüksek yoğunluk ve yüksek saflığa (>%99,5) sahiptir.
• Yüksek dayanım ve iyi biyolojik uyum özelliğine sahiptir.
• Mükemmel aşınma ve sürünme özellikleri sergiler.
• Radyoaktik özellik taşımaz.
Dezavantajları
Alüminayı sınırlandıran en önemli dezavantajı, düşük eğme mukavemeti
ve düşük tokluk özelliğidir.
Biyolojik uygulamalarda Alümina; mükemmel biyolojik uyumluluğa ve
dokuların duyarsızlığına yol açan inertliği nedeni ile diğer malzemelere
nazaran daha avantajlıdır.
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
1. Kalça Protezler
Alümina, en çok kalça protezlerinin yapımında kullanılmaktadır.
-Al2O3 1600-1700C’de presleme ve sinterleme sonrası elde edilir.
1
2
3
1.
2.
3.
4.
Sentetik polimer
Seramik (Al2O3)
Metal
Kompozit
4
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
2. Diş İmplantları/Protezleri
• Alümina, dişçilikte dolgu malzemesi, altın-porselen kaplama ve
protez parçaları olarak yaygın bir biçimde kullanılmaktadır.
• Diş tedavisi dışında da sert doku implantı olarak kullanım alanı
bulmaktadır.
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
3. Kemik Vidaları ve Bağlantı Elemanları
Çekmeye göre daha yüksek basma mukavemeti olması dolayısıyla
yapay eklemler ve dişler gibi basma yüklemesine maruz kalan
uygulamalar için ideal malzemelerdir.
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
4. Kemik Eklemleri
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
5. Orta Kulak Kemik Uygulamaları
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
6. Çatlak ve Kırık Kemiklerin Onarımında ve Metalik Biyomalzemelerin Kaplanmasında
Alüminanın Biyomalzeme Olarak Kullanım Alanları
Literatürden Güncel Örnekler
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Diş implantları için zirkonya takviyeli alümina kompozitlerinin mekanik
özellikleri araştırılmıştır.
Alümina parmak implantlarının ön çalışmaları ve klinik araştırmaları
yapılmıştır.
Sol-gel yöntemiyle paslanmaz çeliklerin üzerine alümina kaplanarak yapısal
karakteristiği ve mekanik özellikleri incelenmiştir.
Yapay alümina kemiklere Ca, Mg ve Cr elementleri takviye edilerek sisteme
olan etkileri incelenmiştir.
Bioaktif cam-alümina kompozitlerinin in vitro özellikleri araştırılmıştır.
Farklı kristal yapıdaki alümina tozlarının vücut sıvısı içindeki zeta potansiyeli
değişimi incelenmiştir.