beyaz logo.png

Biyoseramikler


 

Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi

 

Biyomalzemeler, biyolojik sistemlerle arayüz oluşturmak üzere tasarlanmış tanı ve tedavi amaçlı kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir. Biyomalzemeler metaller, polimerler, seramikler ve kompozitler olarak sınıflandırılmaktadır. Hasar gören dokunun fiziksel ve mekanik özelliklerine göre biyomalzeme tercih edilir. Kullanılan biyomalzemelerin büyük çoğunluğunu biyoseramikler oluşturmaktadır. Termal kararlılıkları, mekanik mukavemeti, biyouyumluluğu ve içeriğindeki inorganik bileşenler sayesinde kemik dokularına olan benzerlikleri biyoseramiklerin medikal uygulamalarda sıklıkla tercih edilmelerine neden olmaktadır [1].


Biyoseramikler, konakçı doku ile etkileşim biçimine göre biyoinert, biyoaktif ve biyobozunur olarak sınıflandırılır. Biyoaktif seramikler, kimyasal olarak aktiftir böylece kemik dokusu ve seramik yüzey arasında bağ doku oluşumunu teşvik eder. Bu malzemeler kemik dokusu ile yapısal olarak oldukça fazla benzerliklere sahiptir. Kemik dokularını onarmak ve yenilemek için kullanılır [2]. Kemik matris yapısı hidroksiapatit nanokristallerinden ve kollajen liflerden oluşmaktadır. Bu nedenle sentetik nano hidroksiapatit (nHA), kemik dokusunun inorganik fazını taklit eder ve kemik hücresi olan osteoblast için doğal bir ortam oluştururlar. Hidroksiapatit (HA), trikalsiyum fosfat (TCP) ve biyocam seramikler kemik dokusu onarımı uygulamalarında kullanımı oldukça yaygındır [3].


Şekil 1: Kemik doku yapısının şematik görünümü [3].

Biyoseramiklerin bir diğer önemli uygulaması dental tedavilerdir. Diş minesi, kristalin bir kalsiyum fosfat olan hidroksiapatit içeren sert ve yüksek mineralli bir yapıdır. Diş minesi içerisinde mineraller, demineralizasyon ve remineralizasyon olmak üzere her zaman doğal bir denge halindedir. Diş yüzeyinde bulunan S. Mutans gibi karyojenik bakteriler, karbonhidratları fermente ederek diş minesindeki kalsiyum ve fosfatın çözünmesiyle (demineralizasyon) sonuçlanan laktik, asetik ve propionik gibi asit ürünlerin meydana gelmesine neden olurlar. Bu durum diş çürüğü oluşumunun ilk basamağıdır [4]. Hidroksiapatit (HA) nanokristalleri remineralizasyona yardımcı olan ajanlardan biridir. Böylece biyoaktif seramikler fissür örtücüsü gibi non- invaziv yöntemlerle mineral tabakasının yenilenmesini desteklemek amaçlı kullanılmaktadır [5]. Biyocamlar, implant arasında kimyasal bağlanmayı destekleyen silica (SiO2), kalsiyum (CaO), fosfor (P2O5) ve sodyum (Na2O) içeren seramiklerdir. Biyocam seramiklerin biyoaktiflik özelliği, kemik bileşimini taklit eden bir HA tabakasının oluşumuna dayanır [6].


Şekil 2: SBF (simüle edilmiş vücut sıvısı)'nın daldırılmasından sonra (a)cam parçacıklarının yüzeyinde HA oluşum şeması; (b) SEM görüntüleri (5000× büyütme); (c) apatit benzeri yüzey tabakasının detayı (100.000× büyütme). Kırmızı oklar cam parçacıklarını gösterir ve sarı oklar oluşan apatit benzeri yapıları gösterir [6].


Biyoinert seramikler, implante edildikleri mikroçevre içerisinde pasiftirler. Kendilerini çevreleyen doku ve organlarla herhangi bir tepkimeye girmezler. Bu tür seramikler genellikle kalıcı implantlardır bu nedenle vücuda yerleştirildikten sonra uzun süre aşınmaya ve yıpranmaya karşı yüksek potansiyele sahip olması beklenir. İnert biyoseramiklere en iyi örnek alümina ve zirkonyumdur. Alümina (Al2O3) minimum aşınma oranına sahiptir böylece sıklıkla aşınma ve sürtünmeye maruz kalan kalça protezlerinde kullanılmaktadır. Zirkonyum yüksek kırılma tokluğa sahip olması nedeniyle diş protezlerinde, diş implantlarında ve metal implantlara alternatif olarak tercih edilmektedir [2].


Malzeme üzerine belirli bir yük (çekme, basma ya da eğilme şeklinde) uygulandığında, bütün malzemeler bu stres altında şekil değişimine uğrarlar. Bu şekil değişimi elastik ve plastik deformasyon olarak adlandırılmaktadır. Elastik şekil değişiminde, yük (gerilme) ortadan kaldırıldığı anda malzeme eski haline döner. Plastik şekil değişiminde ise gerilme durumu ortadan kalktığında malzeme eski haline dönemez ve kalıcı şekil değişimine uğrar. Elastik deformasyon sırasında atomlar, aralarında tıpkı bir yay varmış gibi davranırken plastik deformasyonda atomlar arası bağ kopar. Elastik bölgedeki gerilme karşısında malzemenin şekil değişimi, sertliği ifade eden elastisite (young) modülünü verir. Böylece malzeme bilimi, kullanım amacına göre aradığı mukavemeti elastisite modülüne göre değerlendirir [7].


İnsan vücudu, belirli işlevleri yerine getirmekten sorumlu milyarlarca farklı hücre tipinden oluşmaktadır. Dokular, benzer hücre grupların bir araya geldiği yapılardır. Yapısal ve mekanik özellikleri göz önüne alındığında dokuları, yumuşak ve sert dokular olarak sınıflandırılmaktadır. Kemik ve diş gibi sert dokular, yumuşak dokular (örneğin kas dokusu) ile karşılaştırıldığında yüksek elastisite (young) modülüne sahiptir. Kemik dokusunu içeren iskelet sistemi insan vücudunun temel taşıyıcı elemanıdır bu nedenle mukavemeti yüksektir. Ayrıca, çok fazla mineral tuzu içermesi ve kristallerinin düzenleniş şekli nedeniyle, diş minesi vücutta bulunan en sert dokudur. Seramik malzemeler kırılgandır ve esnek değildir çünkü plastik deformasyona uğramazlar. Bu nedenle biyoseramikler, yumuşak doku yerine sert doku replasmanları ve dental implantalar için uygun bir biyomalzemedir [8].



Şekil 3: Diş yapısı ve çevresindeki kalsifiye dokular [8].


Biyobozunur seramikler, vücuda implante edildikten bir süre sonra biyolojik sıvılar ile reaksiyona girerek çözünürler. Geçici olarak kullanılan bu biyomalzemeler, dokuların kendilerini yenileyebilmelerine destek olduktan sonra biyolojik olarak parçalanırlar. Biyobozunur davranış gösteren biyoseramikler kemik doku mühendisliğinde doku iskelesi kompozitlerinde tercih edilmektedirler [2].


İmplant kullanımında karşılaşılan en önemli sorunlar arasında korozyon ve mekanik yetersizlikler yer almaktadır. Polimerlerin aşınma dirençleri metal ve seramiklere göre oldukça düşüktür bu yüzden yüksek strese maruz kalan sert doku tedavilerinde tercih edilmezler. Ortopedik ve dental implantlarda dokunun biyomalzemeyi kabul etmesi ve osteojenik aktivite gerçekleştirebilmesi için metallere kıyasla seramikler daha elverişli biyomalzemelerdir.





Referanslar

  1. Mala, R., Celsia, R., (2018). Bioceramics in orthopaedics: A review, Fundamental Biomaterials: Ceramics, s.195-221 doi: 10.1016/B978-0-08-102203-0.00008-1

  2. Naik, K., S., (2019). Advanced bioceramics, Advances in Biological Science Research, s. 411-417 doi: 10.1016/B978-0-12-817497-5.00025-2

  3. Du, M., Chen, J., Liu, K., Xing, H., Song, C., (2021). Recent advances in biomedical engineering of nano-hydroxyapatite including dentistry, cancer treatment and bone repair, Composites Part B: Engineering, 215 doi: 10.1016/j.compositesb.2021.108790

  4. García-Godoy, F., Hicks, J., (2008). Maintaining the integrity of the enamel surface: the role of dental biofilm, saliva and preventive agents in enamel demineralization and remineralization, The Journal of the American Dental Association, 139, s.25-34, doi: 10.14219/jada.archive.2008.0352

  5. Rao, A., Malhotra, N., (2011). The role of remineralizing agents in dentistry: A review, Compendium of continuing education in dentistry, 32(6), s.26-33

  6. Fernandes, J., S., Gentile, P., Pires, R., A., Reis, R., L., Hatton, P., V., (2017). Multifunctional bioactive glass and glass-ceramic biomaterials with antibacterial properties for repair and regeneration of bone tissue, Acta Biyomateryalia, 59, s.2-11 doi: 10.1016/j.actbio.2017.06.046

  7. Kayalı, E., S., Çimenoğlu, H., (1986). Gerilme ve Şekil Değiştirme Analizi, Malzemlerin Yapısı ve Mekanik Davranışları, s.8-20

  8. Shanmugam, K., Sahadevan, R., (2018). Bioceramics—An introductory overview, Fundamental Biomaterials: Ceramics, s.1-46 doi: 10.1016/B978-0-08-102203-0.00001-9


773 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör