Biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek amacıyla kullanılan doğal ya da sentetik malzemelerdir ve sürekli olarak veya belirli aralıklarla vücut akışkanlarıyla temas ederler.
Vücudun herhangi bir organ, doku veya fonksiyonunu yer değiştirmek, güçlendirmek yada tedavi etmek amacıyla biyolojik sistemlerle arayüzey oluşturan malzemelerdir (Williams,1999).
BİYOUYUMLULUK
Vücut sıvılarının pH değeri farklı dokulara göre 1 ile 9 arasında değişir. Günlük aktiviteler sırasında kemiklerimiz yaklaşık 4MPa, tendonlar ise 40-80 MPa değerinde gerilime maruz kalır. Kalça eklemindeki ortalama yük, vücut ağırlığının 3 katına kadar çıkabilir. Sıçrama gibi faaliyetlerde ise bu değer vücut ağırlığının 10 katı kadar olabilir. Bu gerilimler ayakta durma, koşma, oturma gibi faaliyetler sırasında sürekli tekrarlanır. Biyomalzemelerin tüm bu zor koşullara dayanımlı olması beklenir.
Son 30 yılda biyomalzeme/doku etkileşimlerinin anlaşılması konusunda önemli bilgiler elde edilmiştir. Özellikle canlı ve cansız malzemeler arasında çok büyük farklılıklar olduğu saptanmış durumda.
Biyouyumluluk; uygulama sırasında malzemenin vücut sistemine uyum sağlayabilmesi ve vücut sistemine uygun cevap verilme yeteneği olarak tanımlanmıştır. Biyouyumlu, yani ‘’vücutla uyuşabilir’’ bir biyomalzeme, kendisini çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler meydana getirmeyen malzemelerdir. Wintermantel ve Mayer bu terimi biraz genişletip biyomalzemenin yapısal ve yüzey uyumluluğunu ayrı ayrı tanımlamışlardır. Yapısal uyumluluk, malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur. Yüzey uyumluluğu ise, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Ayrıca belirtmek gerekir ki; hala mükemmel biyouyumluluğa sahip bir malzeme sentezi gerçekleştirilebilmiş değildir.
METALİK BİYOMALZEMELER
Kristal yapıları ve güçlü metalik bağlar nedeniyle üstün özellikler barındıran metal ve metal alaşımları biyomalzeme alanında büyük pay sahibidir. Bir yandan ortopedik uygulamalarda eklem protezi ve kemik yenileme malzemesi olarak kullanılırken, diğer yandan yüz ve çene cerrahisinde yada kalp-damar cerrahisinde yapay kalp parçaları, kateter, vana, kalp kapakçığı olarak da kullanılmaktadır.
Metalik Biyomalzeme Türleri
İnsan vücudunda kullanılmak üzere geliştirilen ilk metal ‘’Sherman – Vanadyum Çeliği.’’ Biyomalzeme üretiminde kullanılan, demir, bakır, krom, kobalt, nikel, titanyum, tantal, molibden ve vanadyum gibi çok sayıda metal, az miktarda kullanılmak koşulu ile canlı vücuda uyum sağlamaktadır.
Metallerin biyolojik ortama uygunluğu vücut içerisinde korozyona uğramaları ile ilgilidir. Korozyon, metallerin çevreleriyle istenmeyen bir kimyasal reaksiyona girerek oksijen, hidroksit ve diğer başka bileşikler oluşturarak bozunmasıdır. İnsan vücudundaki akışkan; su, çözünmüş oksijen, klorür,ve hidroksit gibi çeşitli iyonlar içerir. Bu nedenle insan vücudu biyomalzeme olarak kullanılan metaller için oldukça korozif bir ortamdır. Malzeme korozyon sonucunda zayıflar, daha da önemlisi korozyon ürünleri doku içerisine girerek hücrelere zarar verirler. Soy metallerin korozyona karşı direnci ise oldukça mükemmeldir.
Biyomalzeme olarak kullanılan metallere örnek verecek olursak; Çelik, Kobalt içeren alaşımlar, Titanyum ve titanyum içeren alaşımlar, Dental amalgam, Altın, Nikel- Titanyum alaşımları, Tantal ve Platin gibi metallerden bahsedebiliriz.
BİYOSERAMİKLER
Ateşin keşfi ile birlikte, kilin seramik çanak çömleğe dönüştürülmesi, insan topluluklarının göçebe avcılıktan yerleşik tarımsal yaşama geçişinde en büyük etken olmuştur. Seramiklerin insan yaşamında yarattığı bir diğer devrim ise, geride bıraktığımız 40 yıl içerisinde vücudun zarar gören veya işlevini yitiren parçalarının onarımı, yeniden yapılandırılması ya da yerini alması için özel tasarlanmış seramiklerin geliştirilmesi ve kullanımıyla gerçekleşmiştir. Bu amaç için kullanılan seramikler, “biyoseramikler” olarak adlandırılmaktadır. Biyoseramikler; polikristalin yapılı seramik, biyoaktif cam, biyoaktif cam seramikler veya biyoaktif kompozitler şeklinde hazırlanabilmektedir. İnorganik malzemelerin önemli bir kısmını oluşturan seramikler, sağlık sektöründe çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. En basitinden, gözlük camları, teşhis cihazları, termometreler, doku kültür kapları, endoskopide kullanılan fiber optikler bu malzemeler arasında sayılabilir. Çözünmez gözenekli camlar, enzim, antikor ve antijen taşıyıcı olarak da kullanılmaktadır. Ayrıca mikroorganizmalara, sıcaklığa, çözücülere, pH değişimlerine ve yüksek basınçlara olan dirençleri bu uygulamalar açısından büyük avantaj sağlamaktadır.
Seramikler, dental dolgu malzemesi, altın-porselen dental kaplama ve protez parçaları olarak yaygın bir biçimde kullanılmakta ve bunlar özellikle“diş seramikleri” olarak isimlendirilmektedir.
Biyoseramikler, diş tedavisi dışında sert doku implantı olarak da kullanılıyorlar. Biyoseramikleri, “biyoinert” ve “biyoaktif” olmak üzere iki grupta inceleyebiliriz. Biyoaktif seramik, doku ve implant arasında kimyasal bağ oluşumuna izin veren seramik demektir.
Biyomalzeme olarak kullanılan seramiklere örnek verecek olursak; Oksit Seramikleri, Alümina, Zirkonya, Kalsiyum-Fosfat Seramikleri, Cam ve Cam-Seramikler.
POLİMERİK BİYOMALZEMELER
Küçük ve tekrarlanabilir birimlerin oluşturduğu uzun-zincirli moleküller “polimer” olarak adlandırılmaktadır. Tekrarlanan birimler, “mer” olarak adlandırılır. Senteze başlarken kullanılan küçük molekül ağırlıklı birimlere ise “monomer” adı verilir. Polimerizasyon sırasında, monomerler doygun hale gelerek ya da küçük moleküllerin yapıdan ayrılması ile değişir ve “mer” halinde zincire katılırlar. Polimerlerin özellikleri, yapı taşları olan monomerlerden büyük farklılık göstermektedir. Bu nedenle, uygulama alanına yönelik olarak uygun biyomalzeme seçimi, biyotıp mühendisi tarafından dikkatlice yapılmalıdır. Nişasta, selüloz, doğal kauçuk ve DNA doğal polimerler grubunda incelenir. Günümüzde doğal polimerlerin haricinde çok sayıda sentetik polimer bulunmaktadır. Genellikle monomerler, karbon ve hidrojen atomlarından oluşmaktadır ve bu durumda polimer yapısı uzun hidrokarbon zincirine sahiptir. Bu tür monomerlerin en basiti “etilen” dir ve oluşturduğu polimer de “polietilen” olarak adlandırılmaktadır. Çok sayıda etilen molekülü kovalent bağlarla bağlanarak polietilen zincirini oluşturur.
Genellikle “polimer” denildiğinde akla gelen, hidrokarbon zincirine sahip “organik polimerler” dir. Ancak, hidrojen ve karbon atomlarından başka atomlardan meydana gelen polimerlerin varlığından da söz edebiliriz. 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 olabilmektedir. Bu yapılar, polimer ana zincirine diğer zincirlerin yan dal olarak bağlanmasıyla oluşur. Bu yan dallar başka bir ana zincirle bağlandığındaysa, “çapraz-bağlı” polimerler oluşur. Dallanma, polimerlerin uygun çözücülerdeki çözünürlüğünü zorlaştırır, çapraz-bağlı yapılarsa çözünmeyip, sadece yapılarına çözücüyü alarak şişerler.
Polimerik biyomalzemeler; PMMA (polimetil metakrilat), Yüksek yoğunluklu PE (polietilen), PP ( polipropilen), PTFE (politetrafloroetilen), PVC (polivinilklorür), PDMS (polidimetilsiloksan), Naylon ve poliüretanlar.
BİYOKOMPOZİTLER
“Kompozit”, farklı kimyasal yapıdaki iki ya da daha fazla sayıda malzemenin, sınırlarını ve özelliklerini koruyarak oluşturduğu çok fazlı malzeme olarak tanımlanır. Dolayısıyla kompozit malzeme, kendisini oluşturan bileşenlerden birinin tek başına sahip olamadığı özelliklere sahiptir. Kompozit malzeme, “matris” olarak adlandırılan bir malzeme içerisine çeşitli güçlendirici malzemelerin katılmasıyla hazırlanır. Matris olarak çeşitli polimerler, güçlendirici olaraksa çoğunlukla cam, karbon ya da polimer lifler, bazen de mika ve çeşitli toz seramikler kullanılır.
Kompozitler, yüksek dayanıma ve düşük elastik modülüne sahip olduklarından, özellikle ortopedik uygulamalar için öngörülmektedir. Ayrıca, kompozit malzemenin bileşimini değiştirerek, implantın vücuttaki kullanım alanlarına göre mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlaması kolaylaştırılabilmektedir. Bu nedenle, kompozit malzemeler; homojen malzemelere oranla, yapısal uyumluluğun sağlanması açısından daha avantajlılar.
Dokular genel olarak sert ve yumuşak dokular olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Sert dokulara örnek olarak kemik ve diş; yumuşak dokulara ise örnek olarak kan damarları, deri ve bağlar verilebilir. Yapısal uyumluluk düşünüldüğünde, metaller ya da seramikler sert doku uygulamaları için, polimerlerse yumuşak doku uygulamaları için seçilmektedir. Metaller ve seramiklerin “elastik modül” ile tanımlanan sertlik dereceleri, insan vücudundaki sert dokulara oranla 10-20 kat daha fazladır. Bu nedenle ortopedik cerrahide karşılaşılan en önemli problemlerden biri, kemikle metal ya da seramik implantın sertlik derecesinin birbirini tutmamasıdır. Kemik ve implanta binen yükün paylaşılması doğrudan bu malzemelerin sertliğiyle ilgilidir. İmplantın sertlik derecesinin, temasta olduğu dokularla aynı olacak şekilde ayarlanması, kemikte oluşacak deformasyonları engellemelidir. Kullanımdaki tüm bu olumsuzlukları ortadan kaldırmak amacıyla, liflerle güçlendirilmiş polimerik malzemeler, yani ‘’polimer kompozitler’’ alternatif olarak sunulmaktadır.
Polimer kompozitlerin sağlayabileceği diğer üstünlükler, korozyon direnci metal yorgunluğunun ve metal iyonlarının salımının görülmemesi ve kırılganlığın azalmasıdır. Metal iyonları örneğin nikel ve krom salımı implantı zayıflatmak dışında alerjik reaksiyonlara da neden olabilir. Kompozitler, ortopedi ve diş hekimliği uygulamaları haricinde yumuşak doku implantı olarak da kullanılabilirler. Polimer kompozitler manyetik özellik taşımadıklarından dolayı, manyetik rezonans (MRI) ve tomografi (CT) gibi modern tanı sistemleriyle uyumludurlar. Metal alaşımları ve seramikler radyo-opak olduklarından X-ışınları radyografisinde problem yaratırlar. Oysa ki kompozit malzemelerde radyo-şeffaflık ayarlanabilir. Hafif oluşları ve üstün mekanik özellikleri göz önüne alındığında, kompozitler bu tür görüntüleme cihazlarının yapısal bileşenleri olarak son derece uygundurlar.
Mühendislik kategorisindeki diğer içerikleri de okumanızı tavsiye ederiz!
