Hidroksiapatit biyoseramiklerin biyomedikal uygulamaları

Abstract

Biyomalzemeler, insan vücudundaki organ ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler olup, metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler olmak üzere 4 gruba ayrılırlar. Biyomalzemelerde en önemli özellik biyouyumluluk (vücutla uyuşabilir) olup, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı vb.) oluşturmayan malzemelerdir. Metalik biyomalzemelerden olan titanyum ve titanyum alaşımları, kemikle bağlanması iyi olan ve doku tarafından kabul edilirliği yüksek olan biyomalzemelerdir Biyoseramiklerden biri olan ve klinikte en çok kullanılan; Hidroksiapatit (HA:Ca10(PO4)6(OH)2), kemik dokusunun inorganik yapısını oluşturan kalsiyum fosfat esaslı bir seramik olup, biyouyumluluğu nedeniyle yapay kemik olarak çeşitli protezlerin yapımında, çatlak ve kınk kemiklerin onarımında ve metalik biyomalzemelerin kaplanmasında kulanılmaktadır. Hidroksiapatit kaplanan implant malzemelerin eldesinde farklı yöntemler (plazma sprey, yüksek hız oksijen yakıt prosesi (high velocity oxy fuel spray), lazer ablation, sol-gel, electrophoresis, electrochemical vb.) kullanılmaktadır. Ancak, uygulamada bir takım sorunlarla karşılaşılmaktadır. Bu sorunların başında, özellikle kaplama tabakasının metale yapışma dayanımının düşük olması nedeniyle zamanla kaplamanın metal yüzeyinden ayrılması gelmektedir. Bu ise implant uygulanan hastalara yeniden bir tıbbi operasyon yapılmasına yol açmaktadır. Hem sağlık hem de maddi yönden istenmeyen bu durumun ortaya çıkması, HA kaplama ile metal yüzey arasındaki bağın, daha güçlü ve kararlı hale getirilmesi ile önlenebilecektir. Hidroksiapatit kaplamada kullanılan bu metotlarda, yukarıda bahsedilen sorunun yanısıra şu sorunlar da söz konusudur. Komplike hazırlık prosedürleri,. Gerek ana malzemede (Tİ6AI4V) gerekse de kaplama malzemesinde (HA) yapısal bozukluklara sebep olan yüksek sıcaklık uygulamaları,. Kaplamalarda HA'nın yanı sıra istenmeyen fazların oluşması,. Karmaşık ekipmanların kullanılması,. Maliyetlerinin yüksek olması,. Kaplama kalınlığına bağlı olarak yapışma dayanımı. Bu nedenlerden dolayı, yüksek sıcaklık uygulanmayan, sadece basit ekipmanlar ve basit işlemin uygulandığı biyouyumlu ortamda (insan vücut sıcaklığı 37°C ve pH=7.4 şartlarında) kimyasal çöktürme (in situ) metodu kullanılarak, HA kaplama gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada; farklı konsantrasyonlarda Yapay Beden Sıvıları (YBS) (SBF-Synthetic/Simulated Body Fluids) hazırlanmıştır, implant olarak yaygın kullanıma sahip Tİ6AI4V alaşımlı malzeme, (YBS) sıvısı içinde 30 gün, farklı konsantrasyonlarda bekletilmek sureti ile hidroksiapatit kaplandıktan sonra, kaplamanın mekanik özellikleri incelenmiştir. Kaplama malzemesinin kimyasal analizleri, X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskopisi (SEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaplama kalınlıkları, optik mikroskop kullanılarak ölçülmüştür. Kaplama, arayüzey ve ana malzemeye ait mikro sertlik değerleri, alınmıştır. Yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Yüzeyde oluşan hidroksiapatit tabakası'nın, Tİ6AI4V malzemeye yapışma (çekme) dayanımı, ASTM F1501-95, kesme dayanımı ise, ASTM F 1658-95 standartlarına uygun olarak, çekme test cihazında yapılmıştır. Hidroksiapatit kaplı deney numunesi üzerinde; kaplama tabakasının, yüzeye bağlanma direncini ölçmek için çizme (scratch) işlemi, scratch test cihazı kullanılarak yapılmıştır. Deneyde kullanılan kaplanmamış numuneler, aparatlar ve HA Kaplanmış numunelere ait makro görüntüler de dijital fotoğraf makinesi kullanılarak çekilmiştir.Anahtar sözcükler Biyomalzemeler, Hidroksiapatit, Biyouyumluluk, Yapay Beden Sıvısı, Tİ6AI4V, Kaplama, Mekanik özellikler. vu

Biomaterials have been used to replace or support the human organs or tissues in many years. They are classified into four groups as metals, ceramics, polymers and composites. Biocompatibility is considered as the most important feature in biomaterials, allowing the surrounding tissue to differentiate normally and preventing undesired reactions (such as infection and blood clot). Titanium and its alloys are metallic biomaterials which bond strongly with bone and are highly compatible with the surrounding tissue. Hydroxyapatite (HA:Caio(P04)6(OH)2) is a calcium phosphate based bioceramic and mostly used in clinics for making artificial bone due to its biocompatibility (to be used in various prosthesis), treating cracks and fractures in the bone and coating of metallic biomaterials. Different methods such as plasma spray, high velocity oxy fuel spray, lazer ablation, sol-gel, electrophoresis, electrochemical etc. are used to coat implants with hydroxyapatite. However, there have been some problems in the application. The major problem is the gradual weakening of the bond between coating and metal surface. This happens due to the low bonding strength of the coating material. This situation sometimes necessitates a second operation on patients with implant, which is not desired because of health and financial concerns. Strengthening and stabilizing the bond between metal surface and HA coating could prevent this from occurring. In addition to the one above, there are some inherent problems associated with these methods:. Complex preparation procedures,. Application of high temperatures which cause structural damages either on host (Tİ6AI4V) or coating (HA) material,. Getting unwanted phases in coatings,. Employing complex equipment,. High cost,. Bonding strength that depends upon coating thickness. Because of the difficulties listed above, in-situ coating method is chosen. In this method, HA coating is realized in a simple biocompatible environment (under the conditions of human body temperature of 37°C and pH=7.4) with chemical in-situ sedimentation method, where no high temperatures is applied. In this study, Synthetic/Simulated Body Fluids (SBF) were prepared in various concentrations. Then, common implant material Tİ6AI4V was submersed to coat with hydroxyapatite and the mechanical properties of the coatings were investigated. Chemical analysis of the coating material was performed by using XRD and SEM. Thicknesses of the coatings were measured with an optical microscope. Micro hardness values of coated surface interface and substrates were obtained. Surface roughness was determined. Bonding and shear strengths of hydroxyapatite layer connected to the Tİ6AI4V implant were determined according to the standards ASTM F1501-95 and ASTM F 1658-95, respectively. Scratch test equipment was used on hydroxyapatite coated test sample to measure the bonding resistance of coating to surface. Uncoated samples, testing equipment and HA coated samples were pictured by a digital camera.Key words: Biomaterials, Hydroxyapatite, Biocompatible, Synthetic Body Fluids (SBF), Tİ6AI4V, Coating, Mechanical Properties.