Kapat

BİYOMALZEMELERİN T/M UYGULAMALARI

BİYOMALZEMELERİN T/M UYGULAMALARI
*Erdemir Demir-Çelik İşletmeleri, Ereğli **Celal Bayar Üniversitesi, Turgutlu MYO, Makina Bölümü, Turgutlu-Manisa
 
Özet

Günümüzde biyomalzeme biliminde, biyolojik sistemlerle etkileştiğinde uyum sağlayabilecek yeni biyomalzemelerin geliştirilmesi için birçok çalışma yapılmaktadır. Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemeler olup, sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut akışkanlarıyla (örneğin kan) temas ederler. Bu biyomalzemeler implant malzeme olarak adlandırılır.

Anahtar Kelimeler: Biyomalzeme, Biyouyumluluk, İmplant T/M Malzeme

1.GİRİŞ

Biyomalzeme kullanımı bilimde yeni bir alan olmasına karşın, uygulama açısından eski zamanlara kadar uzanır. Mısır mumyalarında bulunan yapay göz, burun ve dişler bunun ilk uygulamalarıdır. Altının diş hekimliğinde kullanımı, 2000 yıl öncesine kadar uzanır. Bronz ve bakır kemik implantlarının kullanımı, milattan önceye dayanır. Bakır iyonunun vücudu zehirleyici etkisine karşın 19. yüzyıl ortalarına kadar daha uygun malzeme bulunamadığından bu implantların kullanımı devam etmiştir. 19. yüzyıldan itibaren yabancı malzemelerin vücut içerisinde kullanımına yönelik ilerlemeler kaydedilmiştir. Örneğin 1880’de fildişi protezler vücuda yerleştirilmiştir. İlk metal protez, vitalyum alaşımından 1938’de üretilmiştir. 1960’lara kadar kullanılan bu protezler, metal korozyona uğradığında ciddi tehlikeler oluşturmuştur. 1972’de alümina ve zirkonya isimli iki seramik yapı, herhangi bir biyolojik olumsuzluk oluşturmadan kullanılmaya başlanmış, ancak inert yapıdaki bu seramikler dokuya bağlanamadığından çok çabuk zayıflamıştır. Aynı yıllarda Hench tarafından geliştirilen biyoaktif seramiklerden, biyocam ve hidroksiapatit ile bu problem çözülmüştür. İlk başarılı sentetik implantlar, iskeletteki kırıkların tedavisinde kullanılan kemik plaklarıdır. Bunu 1950’de kan damarlarının değişimi ve yapay kalp kapakçıklarının geliştirilmesi, 1960’ larda kalça protezleri izlemiştir. Kalp ile ilgili cihazlarda esnek yapılı sentetik bir polimer olan poliüretan kullanılırken, kalça protezlerinde paslanmaz çelik öne geçmiştir. Bunun yanında, ilk olarak 1937’de diş hekimliğinde kullanılmaya başlanan poli metilmetakrilat ve yüksek molekül ağırlıklı polietilen de kalça protezi olarak kullanılmıştır. II. Dünya Savaşından sonra, paraşüt bezi damar protezlerinde kullanılmıştır. 1970’lerde ilk sentetik, bozunur yapıdaki ameliyat ipliği, poliglikolik asit’ ten üretilmiştir. Kısacası, son 30 yılda 40’ı aşkın metal, seramik ve polimer, vücudun 40’dan fazla değişik parçasının onarımı ve yenilenmesi için kullanılmıştır [1].

İlk uygulamaları 1660’lı yıllara kadar uzanan implant kullanımı günümüzde çok değişik amaçlara hizmet etmektedir. Diş hekimliği ve tıbbi amaçlı implant uygulamaları modern anlamda 1960’lı yıllarda kullanıma girmiştir [2]. Günümüz ortopedi uygulamalarında farklı maksatlar için çok değişik şekil ve boyutlarda metalik veya metal dışı malzemelerden üretilen implantlar insan vücuduna uygulanmaktadır. Biyolojik olmayan yapay malzemeler kendilerinden beklenen fiziksel, mekanik, kimyasal ve elektriksel özelliklerine bağlı olarak bazı ortopedik uygulamalarda kullanılır [3].

Doğal ve yapay yollardan elde edilebilen farklı türlerdeki biyomalzemelerin, özellikle son 40 yıldır insan vücudunda eksilen, bozulan veya yıpranan organların yerine, insan yaşamının daha sağlıklı ve konforlu sürdürülebilmesi için, fonksiyonel ya da, sadece görünüm amaçlı yaygın kullanımı söz konusudur. 2000 yılının istatistiki verilerinde, sadece ABD de 20~25 milyon (nüfusun % 8~10 u) kişinin tıbbi amaçlı değişik protezler kullandıkları anlaşılır. Batı Almanya’da ise sırf ortopedik amaçlı 200 bin protezin kullanıldığı anlaşılır. Bu ihtiyaçlar, her yıl yalnızca ABD de, 40-50 milyar $ lık ve Batı Almanya’da 200 milyon DM lık bir tıbbi cihaz endüstrisinin oluşumunu da destekler. Ayrıca bu rakamların her yıl % 7~10 luk bir artış hızı da gösterdiği düşünülürse, konunun giderek artan önemi anlaşılır. 20. yy. Elektronik ve Bilgisayar çağı olarak kabul edilirken, 21. yy. ın ise Biyoteknoloji ve Biyomedikal Mühendislik çağı olacak şekilde yön aldığı görülür. İnsan performansında kritik önem taşıyan "yaşam-sistemlerindeki" yenilik ve gelişmeler, gelecek yüzyılın hedef çalışmaları arasındadır. Sürdürülen çalışmalar içerisinde, pek çok uzvun yanı sıra, yapay kalp, böbrek ve akciğer uygulamaları dahi mevcuttur. Bu yöndeki gelişmelerin gereği; Biyomühendisliğin alt dalları olan Tıbbın yanı sıra, Biyoloji, Biyomekanik, Biyomalzeme gibi değişik mühendislik dallarında çalışanlar da, birbirleri ile iş birliği yaparak disiplinler arası çalışmak durumundadır [4].

2. BİYOMALZEMELER

Metalik implant olarak biyomalzeme uygulamasının, 16. yüzyıl ortalarında çatlak damak tedavisi için, altın plaka kullanımı ile başladığı sanılmaktadır. Demir, altın, gümüş, kurşun, bronz, karbon, çelik ve platin gibi metaller 19. yüzyılın başlarında çatlak kemiklerin tedavisi için, çivi ve tel halinde kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde kullanılan biyomalzemeleri metalik, polimer, seramik ve kompozit malzeme olarak gruplandırılabilir [5].

Biyomalzemeler, yalnızca implant olarak değil, ekstrakorporeal cihazlarda (vücut dışına yerleştirilen ama vücutla etkileşim halindeki cihazlar), çeşitli eczacılık ürünlerinde ve teşhis kitlerinde de yaygın olarak kullanılır. Günümüzde, yüzlerce firma tarafından çok sayıda biyomalzeme üretilir. 2700’ü aşkın çeşitte tıbbi cihaz, 2500 kadar farklı teşhis ürünü ve yaklaşık 39.000 civarında değişik eczacılık ürünü, bu teknolojinin en büyük pazarı oluşturur. Ancak, halen biyomalzemeden kaynaklanan aşılamamış sorunlar da vardır. Bunların çözümünde, doku mühendisliği ve gen tedavisi, alternatif yaklaşımlar sunmaktadır. Özellikle nanoteknoloji, bilişim teknolojileri ve fabrikasyon yöntemlerindeki gelişmelere paralel olarak daha mükemmel biyomalzemelerin geliştirilmesi hedeflenir [5].

Biyomalzemeler temel olarak tıbbi uygulamalarda kullanılmalarına karşın, biyoteknolojik alandaki kullanımları da göz ardı edilmemelidir. Bunlar arasında hücre teknolojisinde hücre ve hücresel ürün üretiminde destek malzeme olarak, atık su arıtımında adsorban (yakalayıcı tutucu) malzeme olarak, biyosensörlerde, biyoayırma işlemlerinde, enzim, doku, hücre gibi biyoaktif maddelerin immobilizasyonunda (tutuklanmasında) ve biyoçiplerdeki kullanımları sayılabilir [1].

2. 1. Biyouyumluluk

Biyomalzemeler, insan vücudunun çok değişken koşullara sahip olan ortamında kullanılırlar. Örneğin vücut sıvılarının PH değeri farklı dokulara göre 1 ila 9 arasında değişir. Günlük aktivitelerimiz sırasında kemiklerimiz yaklaşık 4 MPa, tendonlar ise 40-80 MPa değerinde gerilmeye maruz kalırlar. Bir kalça eklemindeki ortalama yük, vücut ağırlığının 3 katına kadar çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler sırasında ise bu değer vücut ağırlığının 10 katı kadar olabilir. Vücudumuzdaki bu gerilmeler ayakta durma, oturma ve koşma gibi faaliyetler sırasında sürekli tekrarlanır. Biyomalzemelerin tüm bu zor koşullara dayanıklı olması gerekir. Geçmişte gerek tahta, kauçuk gibi doğal malzemelerin, gerekse altın, cam gibi yapay malzemelerin biyomalzeme olarak kullanımı deneme yanılma yoluyla yapılırdı. Vücudun bu malzemelere verdiği cevaplar farklıydı. Belirli koşullar altında, bazı malzemeler vücut tarafından kabul görürken, aynı malzemeler, koşullar değiştiğinde vücut tarafından reddedilebilir. Son 30 yıl içinde biyomalzeme/doku etkileşimlerinin anlaşılması konusunda önemli bilgiler elde edilmiştir. Özellikle canlı ve cansız malzemeler arasında çok büyük farklılıklar olduğu belirlenmiştir. Araştırmacılar, "biyomalzeme" ve "biyouyumluluk" terimlerini, malzemelerin biyolojik performanslarını belirtmek için kullanmışlardır. Biyouyumlu olan malzemeler, biyomalzeme olarak adlandırılmış ve biyouyumluluk; uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uygun cevap verebilme yeteneği olarak tanımlanmıştır. Biyouyumluluk, bir biyomalzemenin en önemli özelliğidir. Biyouyumlu, yani ‘vücutla uyuşabilir’ bir biyomalzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu, vb) meydana getirmeyen malzemedir. Biyouyumluluk terimi biraz daha genişletilerek, biyomalzemenin yapısal ve yüzey uyumluluğu olarak ayrı ayrı tanımlanmıştır. Yüzey uyumluluğu, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal uyumluluk ise, malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur. Biyouyumluluğu yüksek olan malzemeler metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler olarak gruplandırılmaktadır. Alüminyum oksit, biyoaktif cam, karbon ve hidroksiapatit (HA) biyouyumlu seramik malzemelere örnek olarak verilebilir. Biyomalzeme olarak kullanılan metaller ve alaşımlar ise, altın, tantal, paslanmaz çelik ve titanyum alaşımlarıdır [1].

Cerrahi implant malzemelerinin seçiminde en önemli faktör, malzemenin insan vücudu ile biyolojik uyumluluğudur. İdeal olarak metalik implantların vücut içerisinde tamamen inert olması yani, kimyasal olarak tepkimelere girmemesi gerekir. Bununla birlikte nadiren de olsa bu durumlar söz konusu olabilir. Vücut ortamı, etrafındaki yabancı malzemelere son derece saldırgan ve düşmanca davranır. Bu nedenle çevrenin implant üzerindeki etkisi ve implantin kendi etrafındaki dokulara etkisi en önemli bir durum olarak incelenmelidir [6].

Bir malzemenin biyouyumluluğunu belirlemek için malzeme ve doku arasındaki etkileşimi araştırmak amacıyla bir seri testler ve çalışmalar yapılır. Bu testler genellikle in vitro testleri ve hayvanlar üzerinde yapılan testlerdir. İn vitro testleri hücreler, kan ve kan bileşenleri üzerinde yapılır ve doku-malzeme

etkileşiminin özel yönleri hakkında bilgi toplamak amacıyla tasarlanır. Bu testten sonra malzeme fonksiyonel olarak ya da hayvanlar üzerinde denenir. Hayvanlar üzerindeki denemenin başarılı olması sonrasında klinik olarak insanlarda da denenir. Malzemenin biyouyumluluğunu belirlerken malzemenin kullanım zamanını da göz önüne almak önemli bir ayrıntıdır. Kısa bir süre kullanılacak malzeme, uzun süre kullanılacak malzeme ile aynı biyouyumluluk karakteristiklerine sahip olması gerekmez [7].

2. 2. Toz Metal Teknolojisinin

Biyomalzemelere Sağladığı Katkılar

T/M nin halen çok farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmasına rağmen tıbbi amaçlı kullanımı, teknolojinin Uzay ve Havacılık Biliminden, Tıp Bilimine transferi ile başlamıştır. Özellikle döküm ve işlenebilirliğinde zorluklar bulunan çok sert bazı malzemelerin keşif ve kullanımı, bu alandaki pek çok yeniliği de ardından getirmiştir. Yüksek kaliteli ve karmaşık şekildeki protezlerin üretilmesinde, geleneksel yöntemlerin yetersiz kaldığı durumlarda T/M teknolojisinin kullanımı, problemleri büyük ölçüde çözebilmektedir. T/M yöntemi ile üretilen protezlerde; biyomalzemelerden beklenen fonksiyonellik, biyolojik uyumluluk, aşınma ve korozyon direnci gibi özelliklerin iyileştirilmesi de mümkün olur. Yine, sadece bu yöntemin kazandırdığı bir diğer avantaj da, istenilen biyomalzemelerin gözenekli yapıda üretilebilmesi imkanıdır. Gözenekli yapıdaki protezler, titreşimleri absorbe edilebilme özelliklerinin yanı sıra, protezle temas yüzeyi oluşturan kemik doku için güçlü bir tutunma yüzeyi ve kolay kaynaşma imkanı sağlar. T/M nin biyomalzemelere sağladığı bir diğer avantaj da son boyut ve tolerans ölçülerinde, ek bir talaş kaldırmaya ihtiyaç duyulmaksızın, ekonomik olarak üretilebilmesidir. Yalnızca, T/M teknolojisinin uygulama tekniklerinden olan kontrollü gözenek yapısında üretilip şekil verilebilen tozlar için; özel toz üretim teknikleri, sıcak/soğuk izostatik şekillendirme, yoğunluk artırma işlemleri, iyon aşılama ve plazma teknolojisi gibi farklı uygulamalar sayesinde de, istenilen boyut ve şekildeki toz çeşitleri kullanılarak, yüksek korozyon dayanımına sahip, yüksek mukavemetli, pürüzsüz yüzeyde sürtünme artıklarının oluşmadığı, biyomalzelerin ekonomik olarak üretimi mümkün olur [4, 5].

Kobalt ve krom gibi sert metallerin ve titanyumun, metal alaşım veya fiber katkılı kompozitleri, zirkonya ve Hidroksiapatit gibi sert seramikler ve bunların metal veya polimer katkılı kompozitleri, daldırmalı ya da püskürtmeli yöntemle yapılmış kaplamaya sahip malzemeler, çok farklı tür ve çeşitlilikteki kontrollü gözenek yapısına sahip kompozitlerden oluşan protez malzemeleri mevcuttur. Bunlar ihtiyaca göre üstün dayanım, ayarlanabilir elastisite modülü, talaşsız imalat tekniğinin sağladığı çentiksiz şekillendirilebilme ve yorulma dayanımındaki gelişmelerin de katkısı ile, kemik yada kıkırdak dokunun birleştirilmesinde ve rekonstrüksiyonunda yaygın olarak kullanılır. Alaşımlı tozlardan T/M teknolojisinin sağladığı imkanlarla, "Sıcak İzostatik Presleme" yöntemi ile üretilebilen çoğu protezler, mükemmel bir mekanik yapıya sahip olurken, titanyum, grafit ve benzeri biyomalzeme tozlarından kontrollü olarak sinterlenmiş yapıda üretilen protezlerle yapılan deneysel çalışmalardaki sonuçlarda da kendi kendini yağlayabilme mekanizması sayesinde bu malzemelerin kırılma ve aşınma direncindeki olumlu gelişmeler bilinmektedir. T/M yöntemi ile üretilecek protez parçalar, geleneksel yöntemlerle üretilecek ürünlerle karşılaştırıldığında aşağıda da sıralanan pek çok potansiyel avantajlara da sahip olurlar [4].

· T/M kullanılan ürünlerde seri haldeki kütle üretimleri için büyük imkanlar mevcuttur.

·Diğer üretim metotlarında mümkün olmayan, metal ve metal dışı malzemelerin bir arada kullanılabilirliği, zengin ürün çeşitliliği ve esnekliğe sahip olma imkanları söz konusudur.

·T/M yöntemi, protezler için gereken en son boyut ve tolerans ölçülerinde üretilebilme imkanını da ekonomik olarak sağlayabilmektedir.

·Ham maddenin nispeten daha kolay ve ucuz elde edilebilme imkanı söz konusudur.

·Diğer yöntemlerle üretilen parçalara oranla, bir ikinci işlem ihtiyacının gerekliliği nispeten daha azdır.

·Farklı erime sıcaklıklarına sahip ayrı ayrı malzemelerden elde edilen farklı boyutlardaki tozların, değişik oranlardaki karışımı ile üretilen kontrollü gözenek yapısına sahip protez parçaların üretilebilmesi mümkündür.

·İşlemlerin yapısı gereği çok az sayıda ıskarta parçaya sebep olurlar.

·Özellikle talaşlı imalat yöntemine oranla büyük üretim kapasitesine sahiptirler.

·Parçalar, mükemmel aşınma direnci ve sürtünme katsayısına sahip özellikte üretilebilirler.

·Parçalar titreşim ve gürültüyü emici özelliğe sahiptir.

·Diğer işleme ve imalat yöntemlerinde mümkün olmayan geometrik yapıyı bu yöntemle çok kolay sağlama imkanı vardır.

·Protezlerin kullanım yerlerine göre, parçaların her biri kimyasal olarak homojen olan yada olmayan bir yapıda üretilebilmesi imkanına sahiptir.

·T/M ile üretilmiş parçaların; dövme işlemi ile üretilmiş parçalara göre 75 % daha fazla çekme dayanımına sahip olması, özellikle ortopedik amaçlı protezlerde önem kazanmaktadır [4].

Toz metalurjisi (T/M) teknolojisi kullanılarak metalik malzemeden implant üretimi ile ilgili ilk çalışmalar 1960’lı yıllara dayanmaktadır. İlk çalışmalar Co-Cr-Mo alaşımından porozlu kalça protezi üretimi üzerine yapılmıştır. Bu araştırmalarda üretilen T/M implantların ve mekanik ve bazı fiziksel özelliklerini geliştirmek amaçlanmıştır [8].

Toz metalurjisi işlem metotları son 20-30 yıldır, cerrahi implantların etkili olarak gelişmesine önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. Özellikle ortopedi ve dişçilik alanında, yük taşıma kabiliyetinin önemli olduğu ve sağlam ve güvenilir implant-kemik bağlantılarının gerekli olduğu durumlarda çok önemli yer tutmuştur [9].

Toz metalürjisi teknikleri ortopedik implantların üretiminde etkili olarak kullanılmaktadır. Ön alaşımlı tozların sıcak izostatik preslenmesiyle elde edilen tam yoğun implantlar, mükemmel mekanik özelliklere sahiptirler. Ayrıca toz metal teknolojilerinin kullanımı; ince tane boyutunu sağlar, malzeme homojenliğini geliştirir ve son ölçü formunda üretim ile yüksek kaliteli, etkin maliyetli implantların üretimine öncülük etmektedir [10-12].

2. 3. Biyomalzemelerin Toz Metalurjisi ile Şekillendirilmesi

Biyomalzemelerin üretimi için kullanılacak metal ve seramik tozlarının yanı sıra, yapıştırıcı rol oynaması bakımından bazı polimer çeşitlerinin de kullanımı söz konusudur. Tozların sıkıştırılıp şekillendirilmesi; tek eksenli presleme, haddeleme, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve sıcak veya soğuk izostatik presleme gibi pek çok farklı metotlardan biri olabilir. Bunların içinden, protez parçasının fonksiyonuna, geometrik karmaşıklığına ve üretim miktarına bağlı olarak uygun metot seçilir. Genelde karışım halindeki ana metal tozları ile yapıştırıcı rolündeki tozların birlikte kullanıldığı Enjeksiyon Kalıplama yöntemi tıbbi amaçlı protezlerde özellikle tercih edilen bir yöntemdir. Bu yöntemde, bir kalıba enjekte edilmiş ham haldeki parçanın kalıptan çıkarılıp kontrollü atmosfere sahip bir fırında tutulması sırasında, yapıştırıcı olarak etkin bir rol oynayan tozun da etkisi ile parça katı hal difüzyonu ile sinterlenmiş olur. Plastik enjeksiyonla kalıplama veya yüksek basınçlı döküm işlemlerine de çok benzeyen bu yöntem sayesinde; çok küçük, karmaşık ve tamamen birbirinin eş değeri olan parçaların seri haldeki üretimleri de mümkün olur. Bu yöntem sonunda, diğer metal işleme, şekil verme ve bitirme işlemlerine nadiren ihtiyaç duyulur. Kontrollü tolerans ve boyutlarda üretilebilme imkanını karmaşık parçalar için de sağlayabilen Enjeksiyon Kalıplama yöntemi ile üretilmiş parçaların ilk uygulamalarına ateşli silahlar ve otomotiv endüstrisinde karşılaşılırken, daha sonraları elektronik parçaların yanı sıra tıp ve dişçilik gibi alanlarda da karşılaşılmaya başlanılmıştır. Protezlerin üretimi için tercih edilen bir diğer metot da, soğuk izostatik presleme metodudur. Bu yöntemde, genelde taşıyıcı bir kap içindeki tozlar basınç altında, oda sıcaklığında veya soğuk bir ortamda iken sıkıştırılır. Bu metot için; sızdırmaz metal veya plastik bir kap ve basınç altındaki ortamı oluşturmak için de değişik gazlar kullanılır. Bu sıvı yada gazlı ortamın basınç kontrolü, homojen dağılım ve yoğunluktaki parçaların üretilmesi imkanını da sağlar. Soğuk izostatik presleme metodu ile üretilen parçanın, kalıptan çıkarıldıktan sonra sinterlenmesi gerekirken, sıcak izostatik preslemede tekrar bu ilave işleme ihtiyaç duyulmaz. Bu metot, diğer T/M yöntemleri ile üretilen protez parçalarına göre, daha büyük boyutta olanlar için de uygundur. Aynı zamanda, Titanyum ve diğer zor işlenebilen süper alaşımlar türünden malzemeler için de ideal bir yöntemdir ve hemen hemen son bitirilme boyut ve toleranslarında üretilme imkanını da sağlarlar. Soğuk izostatik presleme ile üretilmiş parçalar, kaliteli döküm ya da dövme parçalara göre daha üstün yada eşit mekanik davranış gösterirler. Diğer T/M yöntemlerinden daha ekonomik olma gibi bir diğer avantajı da bulunan yöntem, daha önceleri; otomobil silindirlerinde, kesme takımlarında, uçak ve gemi gaz türbinlerinde, korozyon direnci gerektiren petrokimya tesisinde yaygın kullanım alanı bulurken, daha sonraları tıbbi protezler için de kullanılır olmuştur. Kalsiyum fosfat türündeki Hidroksiapatit (HA) seramik biyomalzemelerde uygulanan Ayırımlı Lazer Sinterleme metodu ile üretilen karmaşık gözenekli biyoseramiklerde korozyon ve aşınmaya karşı direncin artırılmasının yanı sıra bu özelliğin sürekliliğinin korunması sayesinde mükemmel bir biyouyumluluk ve kemik doku ile oldukça kolay kaynaşma gözlenir [4].

2. 4. Biyomalzemelerin Geleceği

Geçmişte, bir doku hasar gördüğü veya işlevini yitirdiğinde çözüm, bu dokunun uzaklaştırılmasıydı. Ancak geçtiğimiz yüzyılda yeni antiseptiklerin, penisilin ve diğer antibiyotiklerin keşfi, hijyenin sağlanması ve aşılamalara bağlı olarak, gelişmiş ülkelerde insan yaşam süresi 80’in üzerine çıkmıştır. Bu durumda, özellikle geçtiğimiz 40 yılda, yaşam kalitesinin de azalmaması için hasarlı dokunun yerine sağlamının yerleştirilmesi önem kazanmıştır. Bu da iki şekilde mümkün olmuştur. Transplantasyon (nakil) ve implantasyon (yerleştirme). Transplantasyonda, hastanın kendi dokusu, başka bir insandan ya da hayvandan alınan dokuların kullanımı söz konusudur. İmplantasyonda ise, biyomalzemeler kullanılır. Ancak tüm implantların ömürleri sınırlıdır. Son gelişmelerle ortopedik, kalp-damar ve diş implantlarının kullanım ömrü 15 yılın üzerine çıkmıştır. Özellikle implantların dokulara biyoaktif olarak sabitlenmesi, ortopedik protezlerin ömrünün uzamasında çok etkili olmuştur. Gelecek için ise şöyle bir mesaj vardır: Biyomalzeme konusundaki araştırmalar, vücudun kendini yenileme kapasitesini kullanacak veya artıracak yöne kaymalıdır. Böylelikle doğal dokuların yeniden yapılanmasını sağlayacak biyomalzemelerin kullanılabilecek protezlerin kullanım süresi artırılabilecektir. Doku yenilenmesi, son derece kapsamlı bir olaydır. Doku yapısının yeniden inşasını, doku işlevinin, metabolik ve biyokimyasal davranışların ve biyomekanik performansın yeniden kazanılmasını içermektedir. Bu nedenle, doku yenilenmesi, biyoloji, genetik mühendisliği, hücre ve doku mühendisliği, görüntüleme teknikleri ve teşhis, mikro-optik ve mikro-mekanik cerrahideki ilerlemelerin ışığında gerçekleşecektir. Gözenekli, inorganik-organik hibrid malzemelerden, kontrol edilebilir hızlarda bozunabilen, kontrol edilebilir yüzey özelliklerine sahip doku iskeleleri hazırlanarak doku yenilenmesi sağlanabilir. İnorganik ve organik bölümlerin miktarı değiştirilerek, malzeme üzerindeki hücre üremesi ve farklılaşması kontrol edilebilir. Biyoaktif cam jeller, kalsiyum oksitfosfor pentaoksit-silisyum dioksit bileşimine sahip inorganik malzemelerdir. Hayvan deneyleri, bu malzemenin kemik dokusunun yenilenmesinde başarılı olduğunu göstermiştir. Bileşiminde yapılacak değişimler, istenilen üç-boyutlu mimariye ulaşacak şekilde işlenmesini sağlayacak fabrikasyon tekniklerindeki gelişmelerle, bu malzemenin, yumuşak bağ dokusu ve kalp-damar dokularının yenilenmesinde de kullanımı amaçlanır. Biyomalzemelerin doku yenilenmesinden farklı yöndeki geleceği ise nanoteknolojiye dayalı uygulamalardır. Bu teknolojinin ürünü olarak geliştirilecek nanorobotların bakteri ve virüs enfeksiyonlarını tedavi etmesi, kanser hücrelerini saptayıp yok etmesi, dolaşım sistemindeki zararlı maddeleri temizlemesi, hasarlı dokulara oksijen sağlaması ve çeşitli hastalıkların izlenmesi ve teşhisinde kullanımı amaçlanır [1].

   

                                  

2.5. Toz Metal Paslanmaz Çelikler

Toz metal paslanmaz çelikler, toz metal teknolojisinin kullanımı ile düşük üretim maliyetinden ve geleneksel üretim metotlarına göre parça işleme ihtiyacının daha az olması nedeni ile makine endüstrisi alanında büyük ve önemli bir role sahiptirler [5].

Toz metal paslanmaz çeliklerin hammadde kullanım derecesi yüksek (% 95 den daha fazla) ve çok farklı demir tozları alaşımlar kadar iyi derecede kullanılabilir. Ancak bununla beraber, günümüzde işlenmiş parçalara göre, mekanik özelliklerinin ve korozyon direncinin daha düşük olması toz metal paslanmaz çeliklerin kullanımını sınırlamıştır. Bu durum toz metal paslanmaz çeliklerin yapısındaki gözenek mevcudiyetinden kaynaklanmakta olup ve bunu nedeni de büyük ölçüde düşük yoğunluktan kaynaklanmaktadır. Bu çeliklerin düşük yoğunluk özelliği diğer tüm özelliklerinin de azalmasına katkıda bulunmaktadır. Günümüzde paslanmaz çeliklerin teorik olarak yoğunluğu 7,9 g/cm3 iken, toz metal paslanmaz çeliklerin yoğunluğu, geçerli endüstriyel proseslerle maksimum 7,0-7.1 g/cm3 arasındadır. Bu yüzden toz metal paslanmaz çeliklerin karakteristik özelliklerini geliştirmek için, günümüzde etkin çalışmalar yapılmaktadır [13].

T/M paslanmaz çelikler diğer yöntemlerle üretilmiş paslanmaz çeliklerle karşılaştırıldığında düşük maliyet, iyi boyut kontrolü, iyi aşınma ve korozyon direnci gibi kalitenin önemli göstergeleri açısından yarışabilecek durumdadır. Ancak burada dikkat edilecek en önemli nokta işlem parametrelerindeki değişiklikleri üretilen malzemenin kalitesinde sapmalara neden olacaktır. Son yıllarda T/M paslanmaz çelik parçaların aşınma direnci ve korozyon dayanımını artırmak üzere işlem parametreleri değiştirilerek çalışmalar yapılmaktadır. Ayrıca yoğunluğu artırmak ve poroz yapı üzerinde oynayarak yorulma özelliklerini iyileştirmek üzere yoğun çalışmalar yapılmaktadır [14].

Paslanmaz çelik T/M parçaları, toz metalurjisi endüstrisinin önemli bir bölümünü oluşturur. Dünya çapında tüm çelik üretiminin yaklaşık % 3’ü paslanmaz çeliktir ve östenitik kalitedekiler en üst düzeydedir. Optimum fiziksel ve mekanik özelliklerin elde edilmesi için düşük alaşımlı ve sade karbonlu çeliklerden daha fazla teknolojik bilgiye ve sinterlemenin kontrolüne ihtiyaç vardır. Pahalı olmalarına rağmen demir veya düşük alaşımlı çeliklerin özelliklerinin yetersiz kaldığı özel durumlarda toz metalurjisi yöntemiyle üretilen paslanmaz çelikler kullanılır. Toz metalurjisi endüstrisindeki teknolojik" gelişmeler arttıkça, paslanmaz çelik kullanımının da artacağı düşünülmektedir [5].

Paslanmaz çeliğin toz metalurjisi yöntemine uygulanmasının başarılı olması şu özelliklerin uygun seçimi ve kontrolü ile sağlanır: Bunlar; parça uygulanması, tasarımı ve üretilecek parça sayısı, kullanılacak tozun seçimi ve hazırlanması, tozların sıkıştırılması ve kalıplama, sinterleme çevrimi ve atmosferi ve ikincil ve son işlemlerdir. Tasarım mühendisleri ve parça imalatçıları, toz metalurjisi ürünü paslanmaz çelik alaşımlarında yoğunluk ve işlem koşullarının optimum kombinasyonuna ulaşmak için her uygulamanın gerektirdiği spesifik özellikleri belirtmelidirler. Bütün ticari preslenebilir kalitedeki paslanmaz çelik tozları atomizasyon yöntemiyle üretilirler. Geleneksel olarak preslenen ve sinterlenen birçok toz su atomizasyon yöntemiyle elde edilir. Bu proses sonucunda düzensiz şekilli, tamamen alaşımlı tozlar üretilebilir. Gaz atomizasyon yöntemi ile küresel tozlar üretmek mümkündür [15].

Şekil 1’ de gözenekli hidroksiapatit protezler gösterilmiştir. Şekil 2’ de T/M malzemelerden üretilen implant kalça protezi gösterilmiştir. Şekil 3’ de bu implant kalça protezinin yorulma deneyi gösterilmiştir. Şekil 4’ de bazı T/M biyomalzemelerin uygulamaları gösterilmiştir. Şekil 5’ de T/M yöntemiyle üretilmiş alümina ve bazı cerrahi biyomalzeme aletler ve Şekil 6’ da ise biyomalzemelerin insan vücudundaki bazı bölgelerdeki uygulamaları gösterilmiştir.

3. SONUÇLAR

Günümüzde biyomalzeme bilimindeki gelişmelere bağlı olarak, biyolojik ortamla etkileşiminde uyum sağlayabilen yeni malzemelerin geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar devam etmektedir. İmplant malzeme olarak adlandırılan biyomalzemeler, insan vücut ortamındaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir. Bu malzemeler sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut ortamında temas halinde olup, vücudun maruz kaldığı kuvvet etkisi altındadır. Biyomalzemelerin hem biyouyumlu hem de aşınma ve mekanik yönden dayanımlı olması gerekir. Bu çalışmada, biyomalzemelerin özellikleri, biyouyumluluğu, T/M ile şekillendirilmesi, T/M yöntemine sağladığı katkılar ve geleceği incelenen bu biyomalzemelerin tıp endüstrisinde uygun bir şekilde kullanılabilmesi ve uygulamaları belirtilmiştir.


 

     

 

 

4. KAYNAKLAR

1. Gümüşderelioğlu, M., "Biyomalzemeler", Bilim ve Teknik Dergisi, Temmuz 2002 Sayısı, s. 2-4, 23, TÜBİTAK

2. Zeren, A., ve diğ., "Total Kalça Artroplastisinde Kullanılan İmplantların Mekanik Özellikleri", Metal Dünyası, Sayı 98, s.12-18, 2001

3. Long, M., Rack, H. J., "Titanium Alloys in Total Joint Replacement", A Material Science Perspective, Biomaterial 19, pp. 1621-1639, 1998

4. Akdoğan, G., Sarıtaş, S., "Toz Metalurjisinin Biyomalzemelerin Gelişimindeki Katkısı", 3rd International Powder Metallurgy Conference, September 4-8, 2002, Turkish Powder Metallurgy Association, Gazi University, Ankara, pp. 1244-1262, TURKEY

5. Kurgan, N., "T/M Paslanmaz Çelik İmplantların Üretimi Ve Teknolojik Özellikleri Üzerine Bir Araştırma", Doktora Tezi, C. B. Ü. Fen Bil. Enst., Manisa, 2005

6. Peckner, D., Bardos, D. I., "Stainless Steels in Medical Devices", Handbook of Stainless Steels, McGraw Hill, N. York, Chapter 42, pp. 1-10, 1977

7. Fındık, F., Coşar, M., "Biyomedikal Uygulamalarda Metalik Malzeme Seçimi", Makine ve Metal Teknolojisi Dergisi, Sayı 129, s. 32-40, Eylül 2002

8. Dabrowski, J. R., Oksiuta Z., "Poros Implantation Material from Vitalium Alloy Powder", Material Engineering, No:4, pp.174-178, 2000

9. Pilliar, R. M., "P/M Processing Of Surgical Implants: Sintered Porous Surfaces For Tissue-To-Implant Fixation", The International Journal Of Powder Metallurgy, Volume 34, No.8, pp. 33-45, APMI International, 1998.

10. Andersen, P. J., "Medical and Dental Applications", Journal of Powder System and Applications, pp. 657-663, 1982

11. Hill, D., "Design Engineering of Biomaterials for Medical Devices", John Willey and Sons Ltd, 1998, pp. 24-32, New York.

12. Anonymous, "Bio Implant Materials", Copyright © www.directessays.com. 2002-2004.

13. Rosso, M., Grande, M. A., "Production and Characterisation of P/M Duplex Stainless Steels" , 3rd International Powder Metallurgy Conference, September 4–8, 2002, pp. 120-128, Turkish Powder Metallurgy Association, Gazi University, Ankara, Turkey.

14. Lindstedt, U., Karlsson, B., "Dynamic Behaviour of a 316L Stainless Porous PM Steel", 1996 World Cong. On PM & Part Materials, Vol. 5, pp. 17-35, 1996.

15. Bakkaloğlu, A., "Paslanmaz Çelik Tozların Sinterlenmesi", 3rd International Powder Metallurgy Conference September 4-8, Turkish Powder Metallurgy Association, pp.1154-1167, Gazi University, Ankara, 2002

16. Kundu, B., Sinha, M. K., Mitra, M. K.,Basu, D., "Fabrication and characterization of porous hydroxyapatite ocular implant followed by an in vivo study in dogs", Bull. Mater. Sci., Vol. 27, No. 2, pp. 133–140, 2004

17. www. ortopedikbilgi.com

18. www. machine.hut.fi/Project/hip/2001

19. www. dizayndental.com

20. www. s-b-m.fiFrancuisproduitsotis.htm

21. www. azom.com

22. www. morganadvanceramics.com

Döküman Arama

Başlık :