Milyonlarca yıl öncesinde ateşin keşfiyle, kilin seramik çanak çömleğe dönüştürülmesi, insan topluluklarının göçebe avcılıktan yerleşik tarımsal yaşama geçişinde en büyük faktör olmuş. Seramiklerin insan yaşamında yarattığı bir diğer büyük devrimse, geçtiğimiz 40 yılda vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının tamiri, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması için özel tasarımlı seramiklerin geliştirilmesi ve kullanımıyla gerçekleşmiş. Bu amaçla kullanılan seramikler, “biyoseramikler” olarak adlandırılıyor. Biyoseramikler, polikristalin yapılı seramik (alümina ve hidroksiapatit), biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler veya biyoaktif kompozitler (polietilenhidroksiapatit) şeklinde hazırlanabiliyor. İnorganik malzemelerin önemli bir grubunu oluşturan bu malzemeler, sağlık sektöründe çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktalar. Örneğin, gözlük camları, teşhis cihazları, termometreler, doku kültür kapları, endoskopide kullanılan fiber optikler, bunlar arasında sayılabilir. Çözünmez gözenekli camlar, enzim, antikor ve antijen taşıyıcı olarak da kullanılmakta. Mikroorganizmalara, sıcaklığa, çözücülere, pH değişimlerine ve yüksek basınçlara olan dirençlilikleri bu uygulamalar açısından büyük avantaj sağlıyor.
Seramikler, dişçilikte dolgu malzemesi, altınporselen kaplama ve protez parçaları olarak yaygın bir biçimde kullanılıyor ve “diş seramikleri” olarak isimlendiriliyorlar.
Biyoseramiklerin Dokular İle Etkileşimi
Canlı dokuya yerleştirilen tüm malzemeler, bu dokudan tepki alırlar. Bu tepki dokuimplant ara yüzeyinde oluşur ve Tablo 1’de sıralanan çeşitli faktörlere bağlı olur. Bu faktörlere bağlı olarak implant malzemeye olan doku cevabının dört türünden bahsedilebilir:
Malzeme toksikse, çevresindeki doku ölür.
Malzeme toksik değil ve biyoinertse, değişik kalınlıklarda fibroz doku oluşumu gerçekleşir.
Malzeme toksik değil ve biyoaktifse, doku implant arayüzeyinde bağlanma gerçekleşir.
Malzeme toksik değil, fakat çözünür yapıdaysa, çevresindeki doku, implantın yerini alır.
Biyoseramiklerin türüne bağlı olarak gözlenen doku cevapları farklı olur. Ayrıca Tablo 1’de yer alan diğer faktörlerin de bu cevaplardaki etkisi unutulmamalı.
Seramik implantların en ilgi çekici özelliklerinden biri, doku için zehir etkisi oluşturmamaları.
Dokuların çok karşılaşılan bir tepkisi de, dokunun implant çevresinde ipliksi bir kapsül üretmesi. Bu ipliksi doku, organizma tarafından implanta karşı bir duvar örmek için veya implantı izole etmek için üretilir. Kısacası, bir çeşit korunma mekanizmasıdır ve implant, zamanla ipliksi doku ile tamamen kaplanarak doku yüzeyinden uzaklaştırılır. Metaller ve çok sayıda polimer, bu çeşit bir tepkiye neden olurlar. Alümina ve zirkonya gibi hemen hemen inert sayılabilecek seramikler de, ara yüzeyde ipliksi doku oluşumuna neden olurlar. Ancak, optimum koşullarda bu doku son derece incedir. Kimyasal reaktişiği çok yüksek olan metal implantlardaysa daha kalın ara yüzey tabakaları oluşur.
Ara yüzeydeki uyumluluk ve hareketlilik de tabakanın kalınlığını büyük ölçüde etkiler.
Üçüncü bir doku tepkisiyse, implantla doku arasındaki ara yüzeyde bağlanmanın gerçekleşmesidir. Bu yüzey, “biyoaktif yüzey” olarak adlandırılır. Bağlanma, implantla doku arasındaki hareketliliği engeller, ayrıca implantın vücut tarafından dışlanması da engellenmiş olur.
Dördüncü tür etkileşimdeyse, implant malzeme, onarım işlemi tamamlandığında çözünür ve kendisini çevreleyen doku tarafından emilerek yok edilir. Bu nedenle emilebilir (rezorbe edilebilir) cinste biyomalzeme kullanıldığında, bu malzemenin vücut sıvılarınca kimyasal açıdan parçalanabilir yapıda olmasına dikkat edilmeli. Bozunma ürünleri de zehirli olmamalı ve hücrelere zarar vermeden dokudan uzaklaştırılmalı.
Alümina ve zirkonya, çok iyi mekanik uygunluk sağlayacak şekilde dokuya yerleştirildiklerinde (morfolojik sabitleme) ara yüzeyde hareket oluşmayacağından, klinik açıdan başarılı olacaklardır. Biyoseramikler, diş tedavisi dışında da sert doku implantı olarak kullanılıyorlar.
Biyoseramikler, “biyoinert” ve “biyoaktif” olmak üzere iki grupda incelenebilir. Biyoaktif seramik, doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin veren seramiktir.
Yapısal işlevlerinden göre seramiklerin üç türünden söz edilebilir:
Oksit Seramikleri: Bunlar inert yapıda olan ve oksijen iyonlarının oluşturduğu düzlemde metal iyonlarının dağılmasıyla oluşan polikristalin seramiklerdir. İki önemli türü mevcuttur. Alümina (Al2O3) ve zirkonya (ZrO2).
Alümina: Yüksek yoğunluk ve yüksek ışığa (>%99.5) sahip alümina, korozyon direnci, yüksek dayanımı ve iyi biyouyuşabilirlik özelliğinden dolayı kalça protezlerinde ve diş implantlannda yaygın kullanıma sahiptir. Bu uygulamalarda kullanılan alüminanın çoğu, iyi tane yapısına sahip, polikristalin alfaAl2O3’ün 16001700°C’de preslenmesi ve sinterlenmesi sonucu elde edilir. Alümina, 20 yılı aşkın süredir ortopedik uygulamalarda kullanılmakta.
Zirkonya: Zirkonya da, alümina gibi bulunduğu fiziksel ortam üzerinde inert etki gösterir. Alüminanın seramiklere göre avantajı, çok daha yüksek çatlama ve bükülme direncine sahip olması.Zirkonya, uyluk kemiği protezlerinde başarıyla kullanılmakta. Ancak uygulamalarında üç önemli problemle karşılaşılıyor. Fizyolojik sıvılar nedeniyle zamanla gerilme direncinin azalması; kaplama özelliklerinin zayıf oluşu ve potansiyel radyoaktif malzemeler içermesi.
Zirkonya içerisinde yarılanma ömrü çok uzun olan radyoaktif elementler bulunur (uranyum, toryum, vb). Bu elementleri yapıdan ayırmak çok zor ve pahalı işlemler gerektiriyor. Zirkonya bazlı seramiklerde 0.5 ppm U235’e rastlanmış bulunuyor. Radyoaktivite alfa ve gama etkileşimi olarak ortaya çıkar. Alfaradyasyonu daha fazladır ve alfaparçacıkları, yüksek iyonlaştırma kapasitesine sahip olduklarından yumuşak ve sert doku hücrelerini tahrip edebilirler. Radyoaktivite düzeyi küçük olduğunda da bu etkinin uzun süreli sonuçlarının incelenmesi gerekiyor.
Kalsiyumfosfat seramikleri
Bunlar: Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri şeklindeki yapılar. Hidroksiapatit, Ca5(PO4)3OH, Trikalsiyum fosfat, Ca3(PO4)2 (emilebilir) ve oktakalsiyum fosfat CaH(PO4)3.2OH bu yapılara örnek verilebilir.
Kalsiyum fosfat bazlı biyoseramikler tıpta ve dişçilikte 20 yıldan beri kullanılmakta. Bu malzemeler, ortopedik kaplamacak, bu tür implantlar ara yüzeyde hareket olacak şekilde yerleştirildiklerinde, fibroz kapsül birkaç yüz mikrometre kalınlığa ulaşabilir ve implant çok çabuk gevşer. Sonuç klinik açıdan başarısızlık.
Gözenekli implant durumunda, dokunun canlı ve sağlıklı kalabilmesi için gözenekler 100150 mikrometre çapa sahip olmalılar. Bu tür büyük gözenek boyutu, implanttaki kılcal boşlukların içerisinde büyüyen dokulara kan sağlanabilmesi için gerekli. İmplant ve doku ararsındaki üremeye bağlı olarak artan ara yüzey alanı, implantın hareketine karşı artan bir direnç oluşturur. Ara yüzey, gözeneklerde büyüyen doku ile belirlendiğinden, bu tür etkileşim, “biyolojik sabitleme” olarak adlandırılır. İmplant olarak gözenekli metal kullanıldığında, büyük ara yüzey alanı doku içerisinde metal iyon kaybına ve metal implantın korozyonuna neden olabilmekte ve dar ve diş implantlarında, yüz kemiklerinde, kulak kemiklerinde, kalça ve diz protezlerinde “kemik tozu” olarak kullanılıyorlar. Kalsiyum fosfat seramiklerin sinterlenmesi genellikle 10001500°C’de gerçekleşir ve bunu istenilen şekle sıkıştırılması izler. Tüm kalsiyum fosfat seramikleri değişen hızlarda biyolojik olarak bozunurlar.
Kalsiyum fosfat seramikleri, gözenekli yapıda da hazırlanabiliyorlar. Gözenekli seramik implantların en büyük avantajı; kemik, seramik malzemenin gözenekleri içerisinde büyüdüğünde, oluşan ara yüzeyin mekanik açıdan yüksek kararlılığa sahip olması. Gözenekli implantlar kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak kullanılırlar. Mercanların mikro yapısı, kontrollü gözenek büyüklüğüne sahip seramiklerin oluşturulması açısından en ideal malzeme olmalarını sağlamakta. Gözenekli malzemeler, her zaman için yığın formlarında daha zayışar ve artan gözenekliliğe bağlı olarak, malzemenin dayanımı daha da azalmakta. Kemik kırıklarını doldurmak için gözenekli sentetik kalsiyum fosfat seramikler kullanılırken, diş implantlarında kaplama olarak gözenekli hidroksiapatit malzeme kullanılıyor.
Cam vve camseramikler: Silika (SiO2) temelli seramiklerdir. Cam seramikler Lityum/Alüminyum veya Magnezyum/Alüminyum kristalleri içeren camlardır. Biyomalzemeler bu da tıbbi açıdan sorunlara yol açmakta. Ancak, yüksek gözeneklilik her tür malzemenin dayanımını düşürür. Sonuç olarak, metal alaşımlar üzerine gözenekli seramik kaplamalar ve dokulardaki boşlukları doldurucu malzemelerin kullanılması, ara yüzey kararlılığını sağlamak için en uygun yaklaşım.
Emilebilen implantlar, belli bir kullanım periyodunda dereceli olarak bozunacak şekilde tasarlanmışlardır ve sonuçta yerlerini ev sahibi dokuya bırakırlar. Bu durumda ara yüzey kalınlığı ya çok incedir, ya da hiç olmaz. Ara yüzey kararlılığına bağlı problemlerin çözümü açısından, emilebilen implant kullanımı uygun gözükmekte. Emilebilen seramik implantların geliştirilmesinde dikkat edilecek noktalarsa şöyle sıralanabilir:
1) Bozunma süresince ara yüzey kararlılığı ve dayanımı korunmalı.
camdaysa silika gruplarının bazıları kalsiyum, fosfor veya sodyum ile yer değiştirmiştir (SiO2, Na2O, CaO, P2O5). Böylece doku ve implant arasında kimyasal bağlanma gerçekleşir.
Biyoseramikler, iskeletteki sert bağ do kusunun tamiri veya yenilenmesinde kullanılırlar. Bu malzemelere olan gereksinim, özellikle ilerleyen yaşa bağlı olarak ortaya çıkmakta. Yaşlılarda kemikler çok kırılgan olur; çünkü kemik yoğunluğu ve dayanımı 30 yaşından itibaren azalır. Bu azalma kadınlarda çok daha ciddi boyutlarda. Çünkü menapoza bağlı olarak vücutta hormonal değişimler olmakta. Bunun sonucunda kemik üreten hücreler, yani osteoblastların yeni kemik üretiminde ve kemikte oluşan mikro çatlakların kapanmasındaki üretkenliği azalıyor. Ortalama insan ömrü 80 yıl olarak düşünülürse, 60 yaş civarında bağ dokusu için yedek malzeme ihtiyacı başlıyor ve an azından 20 yıl boyunca biyoseramiklere gerek duyuluyor.
Biyoseramiklerin kullanımını sınırlayan nedenlerin en önemlileri, bazı klinik uygulamalardaki yavaş ilerleyen çatlaklar, yorulma ve değişik darbe ve basınçlara dayanımlarının tam olarak bilinememesi. Bu olumsuzlukları önlemek için kullanılan iki yeni yaklaşımdan birisi, biyoaktif kompo zitler, diğeriyse biyoaktif seramiklerle yapılan kaplamalar.
Doku türüne, yaşına ve sağlık durumuna bağlı olan doku yenileme hızı, emilme hızına uygun olmalı.
Malzeme, yalnızca metabolik olarak kabul edilebilecek maddeleri içermeli. Aksi halde kro
nik iltihaplanma olur ve ağrı başlar.
Trikalsiyum fosfat (TCP) seramikleri, gözenekli ve emilebilen malzemelerdir. Çene veya baş ile ilgili düşük mekanik dayanımın gerektiği uygulamalarda sert dokunun yerini alırlar. Emilebilen biyoaktif camlar da, kemiklerin yeniden üretilmesinde giderek artan bir biçimde kullanılmakta.
Ara yüzey problemlerinin çözümünde diğer bir yaklaşımsa, biyoaktif malzemelerin kullanılması. Bu malzemeler, ara yüzeyde kendine özgü bir biyolojik tepki oluştururlar ve sonuçta malzeme ve dokular arasında kemik oluşumu gerçekleşir. Bu yaklaşımla, bağlanma süresi, dayanımı ve mekanizması birbirinden farklı olan çok sayıda biyoaktif malzeme üretilmiş bulunuyor. Bu gruptaki malzemeler, biyoaktif camlar, örneğin Bioglass; biyoaktif camseramikler, örneğin Ceravital, AW cam seramik; yoğun HA, örneğin Durapatite ve Calcitite ve biyoaktif kompozitler, örneğin, HAPE, HABioglass, paslanmaz çelik lişer ile güçlendirilmiş Bioglass.
Polimer, küçük, tekrarlanabilir birimlerin oluşturduğu uzunzincirli moleküllere denir. Tekrarlanan birimler, “mer” olarak adlandırılır. Senteze başlarken kullanılan küçük molekül ağırlıklı birimlereyse “monomer” adı verilir. Polimerizasyon sırasında, monomerler doygun hale gelerek (zincir polimerizasyonu) veya küçük moleküllerin yapıdan ayrılmasıyla (H2O veya HCl) değişir ve “mer” halinde zincire katılırlar. Polimerlerin özellikleri, yapı taşları olan monomerlerden büyük farklılık gösterir. Bu nedenle, uygulama alanına yönelik olarak uygun biyomalzeme seçimi, biyotıp mühendisi tarafından dikkatlice yapılmalı.
Nişasta, selüloz, doğal kauçuk ve DNA (genetik materyal), doğal polimerler grubuna girerler. Günümüzde çok sayıda sentetik polimer de bulunur.
Genellikle monomerler, karbon ve hidrojen atomlarından oluşurlar ve bu durumda polimer yapısı uzun hidrokarbon zincirine sahiptir. Bu tür monomerlerin en basiti “etilen” dir (H2C=CH2) ve oluşturduğu polimer de “polietilen” olarak adlandırılır. Çok sayıda etilen molekülü yapılarındaki çift bağın açılması sonucu, kovalent bağlarla bağlanarak polietilen zincirini oluştururlar. Genellikle “polimer” denildiğinde akla gelen, bu hidrokarbon zincirine sahip “organik polimerler”dir. Ancak, hidrojen ve karbon atomlarından başka atomlardan meydana gelen polimerler de vardır. Örneğin, silisyum (Si), azot (N), ya da fosfor (P) atomlarından oluşan polimer zincirleri de olur ve bu tür polimerler “inorganik polimerler” olarak adlandırılır. Polimer zincirleri, doğrusal yapıda, yani düz bir çizgi halinde olabileceği gibi, “dallanmış” yapıda da olabilirler. Bu yapılar, polimer anazincirine diğer zincirlerin yan dal olarak bağlanmasıyla oluşurlar. Bu yan dallar başka bir ana zincirle bağlandığındaysa, “çaprazbağlı” polimerler oluşur. Dallanma, polimerlerin uygun çözücülerdeki çözünürlüğünü zorlaştırır, çaprazbağlı yapılarsa çözünmeyip, sadece yapılarına çözücüyü alarak şişerler.
PMMA (polimetil metakrilat), hidrofobik, doğrusal yapıda bir zincir polimeridir. Oda sıcaklığında camsı halde bulunur. Lucite ve Plexiglas ticari isimleriyle tanınır. Işık geçirgenliği, sertliği ve kararlılığı nedeniyle göziçi lensler ve sert kontakt lenslerde kullanımı yaygın.
Yumuşak kontakt lenslerse, aynı ailenin bir başka polimerinden hazırlanırlar. Bu polimer, metil metakrilata meti
lol (CH2OH) grubunun eklenmesiyle oluşan 2 hidroksietilmetakrilat (HEMA) monomerinden sentezlenir. Yumuşak kontakt lensler, poli(HEMA)’nın az miktarda etilengli kol dimetakrilat (EGDMA) ile çapraz bağlanmasıyla hazırlanırlar. Çapraz bağlanma, sulu ortamda polimerin çözünmesini engeller ve bu durumdaki
polimer “şişmiş hidrojel” olarak adlandırılır.
Tıbbi uygulamalarda yüksekyoğunluklu polietilen (PE) kullanılır. Çünkü, alçakyoğunluklu PE sterilizasyon sıcaklığına dayanamaz. PE, tüp formundaki uygulamalarda ve kateterlerde, çok yüksek molekül ağırlıklı olanıysa yapay kalça protezlerinde kullanılır. Malzemenin sertliği iyidir, yağlara dirençlidir ve ucuzdur.
Polipropilen (PP), PE’e benzer, ancak daha sert olur. Kimyasal direnci yüksek ve çekme dayanımı iyidir. PE’nin yer aldığı uygulamalarda PP de kullanılabilir.
Politetraşoroetilen (PTFE), Teşon ticari adıyla bilinir. PE benzeri yapıda olup, PE’deki hidrojenlerin, şor atomlarıyla yer değiştirmesi sonucu sentezlenir. PTFE, hem ısısal, hem de kimyasal çok kararlı ancak, işlenmesi zor bir polimer. Çok hidrofobik (sudan çekinir) ve mükemmel kayganlığa sahip olma özelliği taşır. GoreTex olarak bilinen hidrofobik formu, damar protezlerinde kullanılır. Polivinilklorür (PVC), tıbbi uygulamalarda tüp formunda kullanılır. Bu uygulamalar, kan nakli, diyaliz (kanın makineyle süzülmesi) ve beslenme amaçlı olabilir. PVC, sert ve kırılgan bir malzeme olmasına karşın, plastikleştirici ilavesiyle yumuşak ve esnek hale getirilebilir. PVC, uzundönem uygulamalarda, plastikleştiricinin yapıdan sızması nedeniyle problemlere yol açar. Plastikleştiriciler düşük zehirliliğe sahiptir. Yapıdan sızmalarıysa, PVC’nin esnekliğini azaltır.
Polidimetilsiloksan (PDMS) yaygın olarak kullanılan bir diğer polimer, karbon ana zinciri yerine silisyumoksijen ana zincirine sahiptir. Özelliğiyse, diğer kauçuklara nazaran sıcaklığa daha az bağımlı olması. PDMS, drenaj borularında ve kateterlerde, bazı damar protezlerinde ve yüksek oksijen geçirgenliği nedeniyle membran oksijenatörlerde (solunum cihazları) kullanılır. Mükemmel esneklik ve kararlılığından dolayıysa parmak eklemleri, kan damarlan, kalp kapakçıklan, göğüs implantları, dış kulak, çene ve burun implantları gibi çok sayıda protezde kullanılır.
Bisfenol A ve fosgenin polimerizasyonu sonucu sert bir malzeme olan polikarbonat sentezlenir. Yüksek çarpma dayanımı nedeniyle gözlük camlarında ve emniyet camlarında, oksijenatörler ve kalpakciğer makinelerinde kullanılırlar.
Naylon (nylon), Du Pont tarafından poliamid ailesine verilen isim. Naylonlar, diaminlerin, dibazik asitlerle reaksiyonu sonucu oluşurlar, ya da laktomların halka açılması polimerizasyonuyla hazırlanırlar. Naylonlar ameliyat ipliği olarak kullanılır.
Poliüretanlar, “yumuşak” ve “sert” segmentlerden oluşan blok kopolimerlere denir. Kanla uyuşabilirlikleri çok iyiolduğundan. özellikle kalpdamar uygulamalarında tercih edilirler.
Hidrojeller
Hidrojeller, suda şişebilen, çaprazbağlı polimerik yapılara denir. Bir ya da daha çok sayıda monomerin polimerizasyon reaksiyonu ile hazırlanırlar. Ana zincirler arasında hidrojen bağları veya van der Waals etkileşimleri gibi bağlanmalar mevcuttur. Bu nedenle çözünmezdirler. Hidrojeller, tıbbi uygulamalar açısından sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle son 30 yıldır ilgi odağı durumundalar.
Tıbbi uygulamalarda en yaygın olarak kullanılan hidrojel, çaprazbağlı PHEMA. Sahip olduğu su içeriği nedeniyle, doğal dokulara büyük bir benzerlik gösterir. Normal biyolojik reaksiyonlarda inert’tir. Bozunmaya dirençlidir, vücut tarafından emilmez, ısıyla steril edilebilir, çok değişik şekil ve formlarda hazırlanabilir.
Tıbbi öneme sahip diğer hidrojel, poliakrilamid’dir. HEMA ve akrilamid monomerlerinin yanısıra, Nvinil2pirolidon (NVP), metakrilik asit (MAA), metil metakrilat (MMA) ve maleik anhidrit (MAH) tıp amaçlı hidrojel formulasyonlarında sıklıkla yer alırlar. Örneğin PNVP, yumuşak kontakt lenslerde kullanılır. Az miktardaki MAA, PHEMA’nın şişmesini büyük ölçüde arttırır. MMAHEMA kopolimerlerinin şişmesiyse saf PHEMA’ya nazaran düşük olur. Ayrıca, istenilen özelliklerin kazandırlabilmesi amacıyla hidrojeller çeşitli malzemerle birleştirilebilirler.
Hidrojellerin ilk uygulaması, kontakt lensler olarak ortaya çıkar. Mekanik kararlılıklarının iyi oluşu, yüksek oksijen geçirgenliği ve uygun kırınım indisine sahip oluşları, kontakt lenslerde kullanılmalarının temel nedeni.
Hidrojellerin diğer uygulamaları; yapay tendon materyalleri, yaraiyileşmesinde biyoyapışkan madde, yapay böbrek zarları, yapay deri, estetik cerrahide malzeme olarak kullanımları şeklinde sıralanabilir.
Son yıllardaki en önemli uygulamalardan biriyse eczacılık alanında, kontrollu ilaç salan sistemlerdeki kullanımlar. Örnek olarak insülin salımı verilebilir. İnsülin salımının kontrolu, glikoz seviyesinde artma olduğunda daha fazla insülin salabilen akıllı hidrojellerin yardımıyla başarılabilmekte. Pek çok glikozcevaplı hidrojel sistemi, pH’yaduyarlı polimerlerden (HEMAdimetilaminoetil metakrilat kopolimeri) hazırlanmakta.
Hidrojellerin ileri uygulamalarından biri de yapay kasların geliştirilmesi. Elektrokimyasal uyarıları mekanik işe çeviren akıllı hidrojeller, insan kas dokusu işlevi görebilir. Bu özellikten yararlanarak yapay kaslar yapılmakta. Fizikokimyasal uyarılara karşı tersinir büzülme ve genişleme kabiliyeti olan polimerik jeller, ileri robotiklerin geliştirilmesinde gerekli.
Biyoteknolojik uygulamalarda da, özellikle biyoaktif proteinlerin ayrılmasında hidrojellerden faydalanılmakta.
