Biyomalzemeler: İlkel Protezlerden Biyoyapay Organlara
Selen EMİRHANOĞLU - Biyomühendislik, Mühendislik Fakültesi, Marmara Üniversitesi
Biyomalzemeler, canlı organizmaların hücre-doku-organ boyutunda işlevlerini yerine getirmek veya yapısal destek sağlamak amacıyla üretilen biyouyumlu malzemelerdir. Tıp, kimya ve malzeme bilimi gibi farklı disiplinleri kapsayan çalışmalarla kullanılacağı canlıya ve amaca uygun biyoaktivite ve biyobozunurluk seviyesinde üretilirler. Bu doğrultuda canlılarda biyomalzemelerin kullanım yaygınlığı, canlı dokusuna temas süresi çok kısa olan bir şırınga iğnesinden, teması kalıcı bir intraoküler (göz içi) lense kadar genişlemiştir. [1-3]
Kolay şekil alan altın, dayanıklılığı yüksek demir ve bir doğal kompozit olan tahta gibi malzemeler dişçilik ve kemik protezi için tarihte kullanıldığı bilinen ilk biyomalzemelerdir. 1930’lardan itibaren hastalıklı veya hasarlı dokuyu yenilemek, biyolojik mekanizmaların fonksiyonelliğini artırmak veya düzeltmek, teşhis ve tedavi süreçlerinin kontrollü ilerlemesini sağlamak gibi amaçlarla, mekanik özellikleri uygun(dayanıklılık, elastikiyet vb.), sterilize edilebilir, korozif(aşınma) ve toksik(zehirli) özellikleri düşük, üretimi kolay ve ucuz olarak test edilen biyomalzemeler; kalça protezi, dikiş iplikleri, mekanik kalp valfleri (kapakçıkları) ve dolgulu eklem protezlerinin üretiminde denenmesiyle birlikte günümüzde pek çok başarılı denemede organın işlevselliğini arttırmakta hatta yerine geçebilmektedir. [1,4]
Tarihsel gelişim
1860’larda İskoçya’da cerrahi profesörü olan Joseph Lister, cerrahi işlemler sırasında ellerin, aletlerin ve cerrahi sütür olarak kullanılan katgüt* sütürün karbolik asitle sterilizasyonunu sağlayarak aseptik cerrahi tekniğini geliştirmiştir. Bu teknik, hastane enfeksiyonlarından koruyucu sterilizasyon biyomalzemelerinin temelini oluşturmuştur. [5]
1886’da H. Hansmann ön bacak kemiği kırıklarının tedavisinde kendi adıyla anılan nikel kaplamalı çelik plakalar kullanmıştır. [2,7]
*Kökeni Fransızca olan “catgut” yani kedi bağırsağı kelimesinden Türkçe’ye geçen katgüt, ameliyat sırasında yaraları dikmek için kullanılan bağırsaktan yapılmış iplik anlamına gelmektedir. [5]
1924’te Arthur Zierold köpeklerin dişlerinde kullanmayı denediği çelik implantların zamanla kemik dokusunda yıkıma sebep olduğunu gözlemleyerek 1929 yılında %65 kobalt, %30 krom ve %5 molibden elementi içeren “vitalyum” alaşımını dişçilikte biyomateryal olarak kullanmaya başlamıştır. [8,9]
1938’de Philip Wiles tasarladığı paslanmaz çelikten kalça protezini yerleştirme ameliyatını gerçekleştirmiştir. Bu protezden başarılı sonuçlar elde edilememesinin ardından 1940’larda Marius Smith Peterson, interpozisyon artroplastilerde** kullanılan materyallerden biri olan cam kalıp yerine biyouyumluluğu yüksek vitalyum protezle değiştirince olumlu sonuçlar almıştır. [2,7]
1950-1960 yılları arasında A.B. Voorhees ve A.H. Blackmore tarafından ilk kez kumaştan yapılmış bir kan damarı eklemesinin yerleştirme ameliyatı, kalbin ilk kez elektromekanik yöntemlerle çalıştırılması ve ilk kez Starr-Edwards tarafından silikon bir küre ile onu çevreleyen metal kafesten bir kalp valfi (kapakçığı) üretimi gerçekleştirilmiştir.[2]
1970’lerden 2000’lere kadar deneysel yapay kalp ve böbrek nakilleri, kemikler için biyoaktif seramik dolgu ve kaplama malzemeleri, omurilik kemikleri ve eklemler üzerine denemeler yapılmıştır. 2000’lerden itibaren nanoteknoloji ve doku mühendisliği alanlarının gelişmeye başlamasıyla birlikte doğrudan kemiğe enjekte edilebilir ve kemikle büyüyebilen doku materyalleri, biyoinert (biyouyumlu) malzemeler olan titanyum alaşımı ve platin kemik protezleri, boyun, çene ve yüz cerrahisinde silikon bazlı nanogözenekli biyomalzemeler, teşhise yardımcı olan biyosensörlerin ve biyoajanların üretimi, intraoküler (göz içi) ve kontakt lensler için polimerik biyomalzemeler, katater ve stentler, yanık tedavileri için yapay deri teknolojileri geliştirilmektedir. [4] Son yıllarda immünoloji, genetik mühendisliği ve fizyoloji gibi alanların interdisipliner çalışmalarıyla hücrelerin maksimum besin maddesi, oksijene erişebileceği ve atık maddeleri uzaklaştırabileceği biyosensörlere sahip fonksiyonel, transplant edilebilir biyoyapay organ teknolojileri (biyoyapay karaciğer, biyoyapay kalp vb.) ve ekstrasellüler*** ortamda işlevlendirilen kök hücre teknolojileri laboratuvar ortamında deney hayvanları üzerinde denenmektedir. Bu alanda hızla artan çalışmalar, anne karnından yetişkin formuna kadar gelişimi devam eden insan uzuvlarının yüksek işlevsellikte iyileştirilebilmesi hatta gelişmiş versiyonlarıyla değiştirilebilmesi konusunda umut vermektedir.[9-12]
**Hastalıklı eklem yüzünün çıkarılarak eklem yüzleri arasına yumuşak dokunun yerleştirildiği cerrahi işlemdir.
***Hücre dışı ortamda bulunan çoğunlukla Na (sodyum), Cl (klor) ve HCO3 (bikarbonat) elektrolitleri (iyonları) içeren doğal veya laboratuvarda üretilmiş vücut sıvısı ortamıdır.
Referanslar
1. Ratner, B. D., Hoffman, A. S., Schoen, F. J., & Lemons, J. E. (2004). Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. Elsevier., 1-20.
2. Park, J., & Lakes, R. S. (2007). Biomaterials: an introduction. Springer Science & Business Media., 1-16.
3. A History of Syringes and Needles, The University of Queensland Australia. 6 Ekim 2020 tarihinde,
https://medicine.uq.edu.au/blog/2018/12/history-syringes-and-needles adresinden erişildi.
4. Elçin, M. KİM458 Biyoteknolojinin Temelleri Dersi Biyomalzemeler ve Biyoyapay Organ Teknolojileri Ders Sunumu. 5 Ekim 2020 tarihinde, https://acikders.ankara.edu.tr/pluginfile.php/7202/mod_resource/content/0/12.%20Hafta.pdf adresinden erişildi.
5. Craft, N. (2015). Sütürler, Tıpta Çığır Açan Buluşların Küçük Kitabı, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları., 10-11.
6. Joseph Lister’s Antisepsis System. 8 Ekim 2020 tarihinde,
https://www.sciencemuseum.org.uk/objects-and-stories/medicine/listers-antisepsis-system adresinden erişildi.
7. Bartoníček, J. (2010). Early history of operative treatment of fractures. Archives of orthopaedic and trauma surgery, 130(11), 1385-1396.
8. Ertaş, E. S. (2017). Total Kalça Protezi Sonrası Protez Kalça Çıkığına Baş Çapının Etkisi, Hacettepe Üniversitesi Tıp Fakültesi Ortopedi ve Travmatoloji Anabilim Dalı., 3-12.
6 Ekim 2020 tarihinde,
http://openaccess.hacettepe.edu.tr:8080/xmlui/bitstream/handle/11655/4067/Erkan%20Sabri%20Erta%C5%9F.pdf?sequence=2&isAllowed=y adresinden erişildi.
9. Weymann, A., Patil, N. P., Sabashnikov, A., Jungebluth, P., Korkmaz, S., Li, S., ... & Pätzold, I. (2014). Bioartificial heart: a human-sized porcine model–the way ahead. PLoS One, 9(11), e111591.
10. Svenningsen, S., Benum, P., Nesse, O., & Furset, O. I. (1984). Internal fixation of femoral neck fractures: compression screw compared with nail plate fixation. Acta orthopaedica Scandinavica, 55(4), 423-429.
11. Şahan, B. (2010). Hidroksiapatit katkılı yapay kemik kompozitlerin mekanik özelliklerine bağlayıcı ajanların etkileri, İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü., 1-21. 6 Ekim 2020 tarihinde,
http://nek.istanbul.edu.tr:4444/ekos/TEZ/46718.pdf
adresinden erişildi.
12. Şaşmazel, H., Atik Z. (2010). Biyomalzeme Dünyasında Silikon, Bilim ve Teknik Ekim Sayısı.
8 Ekim 2020 tarihinde,
https://bilimteknik.tubitak.gov.tr/system/files/biltek_arsiv/S-515-55.pdf adresinden erişildi.