BİYOSERAMİK MALZEMELER
Kaza, hastalık vb. gibi bir nedenden ötürü zarar görmüş veya işlevini tamamen yitirmiş olan
vücut doku ve organlarının tamir edilmesi veya yenilenmesi amacıyla faydalanılan
malzemeler ‘Biyomalzeme’ olarak adlandırılmaktadır.
Biyomalzemelerin sahip olması beklenen özellikler ;
-
Yeterli mekanik mukavemet
Uygun ağırlık ve yoğunluk
Aşınmaya dirençli yüzey
Ses emici tasarım
Seri üretime elverişlilik
Estetik görünüm
Kimyasal kararlılık
Yeterli yorulma dayanımı
Biyouyum(güvenilirlik)
Bir biyomalzemenin şüphesiz taşıması gereken en önemli özellik ‘biyouyumluluk’tur. Vücuda
yerleştirilen bir malzemenin temas halinde olduğu dokular ve vücut sıvıları ile etkileşim
göstererek olumsuz yönde herhangi bir tepki vermemesi söz konusu malzemenin
‘biyouyumlu’ olduğunu gösterir.
Biyomalzemelerin Sınıflandırılması
Metalik Biyomalzemeler ; altın , gümüş, vitalyum(Co-Cr-Mo alaşımı, paslanmaz çelik,
Titanyum ve alaşımları
Polimerik Biyomalzemeler ; Polietilen, Polimetil metakrilat, Politetrafloroetilen, Polietilen
tereftalat, Poliamidler
Biyokompozit Malzemeler ; Karbon fiber takviyeli polimer matrisler, Alümina-zirkonyahidroksiapatit biyokompozitleri, Karbon/grafit fiber takviyeli seramik matrisler
Biyoseramik Malzemeler
Biyoseramik Malzemelerin Sınıflandırılması
Oksit Seramikleri: Alümina (Al2 O3) ve zirkonya (ZrO2).
Kalsiyum-fosfat seramikleri: Bunlar Kalsiyum ve fosfat atomlarının çoklu oksitleri şeklindeki
yapılardır. Hidroksiapatit, Ca5(PO4)3OH, Trikalsiyum fosfat, Ca3(PO4)2 ve oktakalsiyum
fosfat CaH(PO4)3.2OH bu yapılara örnek verilebilir.
1
Cam ve cam-seramikler: Silika (SiO2) temelli seramiklerdir. Cam
Lityum/Alüminyum veya Magnezyum/Alüminyum kristalleri içeren camlardır.
seramikler
Biyoseramik malzemeler, temasta bulundukları vücut dokuları ile üç temel tipte reaksiyon
verebilmektedir: biyoinert, biyoaktif ve biyoemilebilir.
Biyoinert seramik malzemelerin çevresinde vücut dokuları ile temasa geçtikleri andan itibaren
ipliksi bir kapsül oluşmaya başlamakta ve bu kapsül, malzemenin etrafını tamamen
sarmaktadır. Biyoinert özellikteki seramiklere örnek olarak alümina (Al2O3), zirkonya (ZrO2)
verilebilir.
Biyoaktif seramiklerin fonksiyon prensibi, çevresini saran vücut dokuları ile direkt olarak sıkı
biyokimyasal bağlar kurmaktır; dolayısıyla biyoinert seramik malzemelerde görülen ipliksi
kapsül oluşumu söz konusu değildir. İsminden de anlaşılacağı üzere biyoaktif seramik
malzemelerin biyolojik aktiviteleri yüksek olduğu için doku hücreleri içerisine doğru büyüme
eğilim ve yetenekleri çok iyidir.
Biyoaktif malzemeler, kemik ve dişler gibi sert dokuların yanısıra deri, kan damarları,
kıkırdak gibi yumuşak dokularla da bağ kurabilmektedir. Biyoaktif malzemelere örnek olarak
hidroksiapatit (HA) ve biyoaktif cam-seramikler verilebilir
Biyoemilebilir seramik malzemeler, Doku ile yer değiştirebilen malzemelerin verdiği tepki
şeklinde ifade edilebilmektedir. Bu tip malzemeler, vücut ortamında zamanla çözünerek
kendisini çevreleyen dokunun yerini almaktadır; ancak çözünme sonrasında herhangi bir
toksik kalıntı olmaması gerekmektedir. Biyoemilebilir bir malzeme ile doku arasındaki
etkileşim en yüksek seviyededir dolayısıyla vücuda yerleştirilen malzeme, zaman geçtikçe
dokudan ayırt edilemez hale gelmektedir.
Biyoemilebilir seramiklerin parçalandıkları zaman vücuda zararlı bileşenler bırakmayan
malzemeler olduğunu; ancak bu parçalanma sürecinin aynı zamanda malzemenin mekanik
açıdan zayıflama süreci olduğunu da belirtmek gerekmektedir.
Biyoseramik Teknoloji Uygulamaları
Diş ve kemik aşılarından enzim ve mikrop hareketsizleştirici yataklara kadar çeşitli
biyoteknoloji uygulamalarında seramiklere gerek duyulur. Biyoseramik malzemeler insan
kalça, diz, omuz, dirsek, parmak ve bileklerinin onarımı ve de kullanılır [6.51]. Kemik aşısı
olarak kullanılan üç seramik çeşidi çözünebilir ve biyoetkendir. Biyoetkisiz seramikler
arasında dokunun büyümesine izin veren ve iyi bir mekanik bağ oluşmasını sağlayan mikro
gözenekli Al2O3 gözenekli metaller üstünde hidroksiapatit (HA) kaplama bulunur.
Etkisizliklerinin sonucu olarak seramik malzeme yakınındaki kemiğin yeniden
şekillenmesinde bağışıklık tepkimelerinin veya biyokimyasal etmenlerin (yükünler ve
çözeltiye geçen diğer maddelerin) etkisi olmaz.
Çözünebilir malzemeler arasında kalsiyum sülfat (alçı), trikalsiyum fosfat ve kalsiyum fosfat
tuzları bulunur. Bu aşılar yavaş yavaş bozunur ve çevredeki doğal dokular tarafından ele
geçirilir.
2
Biyoetken seramikler kemik veya çevresindeki dokularla etkileşime girer ve
kiyasal bağ oluşturur. Bu tür seramiklere örnek olarak HA, biyoetken camlar ve biyoetken
cam seramikler gösterilebilir. Çeşitli HA kaynak ve biçimi bulunur. Bunların arasında sentetik
HA, mercan kaynaklı HA ve deniz alglerinden elde edilen pikojen HA bulunur. Bunlardan alg
kökenli HA, kemiğin fizikokimyasal özelliklerine en yakın özelliklere sahip olandır [6.53].
Alg kökenli HA’nın iç ve tane yapısı ve hammadde olarak kullanılan çeşitli alg türleri Şekil
6.16’da gösterilmiştir. HA’nın kullanım alanları arasında dişçilik, travmatoloji ve ortopedide
kemikteki boşlukların doldurulması, plastik cerrahide sert doku hatalarının düzeltilmesi ve
travmatoloji ve ortopedide kemiklerarası aralıklarda köprü oluşturulması bulunur [6.54].
Ortognatik cerrahide yüzdeki kemik deformasyonlarının giderilmesi için kalıcı HA aşıları
geniş çapta denenmiştir. HA, ağız cerrahisinde periosteal hatalar ve diş yuvalarının
yükseltilmesinde dolgu maddesi olarak yaygın uygulama alanı bulmuştur. HA ve biyoetken
camlar uzun zamandır orta kulak cerrahisinde başarıyla kullanılmıştır. HA kaplamalar
biyoetkenlikleri nedeniyle iyileşme sürecini hızlandırabilir fakat çoğu uzman bunların 4-6 yıl
arası hizmet- ten sonra çözünebileceği konusunda fikir birliğine varmıştır. Bu nedenle kalıcı
uygulamalarda önerilmemektedirler. Diz ve kalça için kullanılan biyomedikal aşıları Ti ya da
paslanmaz çelik tel veya Ti ve Ag tanecik katkılı Ca Na fosfosilikat cam malzemelerden
yararlanır. Bu camların temel bileşenleri SiO (6O%), Na20, CaO, P205, MgO ve K2O’dur.
Yüksek Na20 ve CaO yüzdesi ve yüksek bir CaO/P205 oranı gereklidir [6.55]. Alümina ve
kararlılaştırılmış zirkonya seramikler ortopedik yük taşıyan uygulamalarda kullanılır. Şekil
6.17 Al2O3, Zr02 ve HA’dan yapılmış olan bazı aşı parçalarını göstermektedir. Uzun süreli
izleme çalışmalarına göre bir TiAIFe alaşımına birleştirilmiş olan alümina soket ve küre
düzeneği yüksek başarı oranı elde etmiştir.
3
Şekil 6.16. Alg kökenli HA içindeki 10 µm enli petek yapılı kanallar a alg iskeletinde
birleştirici gözenekler b ve bu amaçla kullanılan çeşitli algler c (Friatec AG Medical
Technology Division Mannheim Almanya)
Seramiklerin dişçilikteki ilk kullanımı fildişi, kemik, ahşap ve başka insanlardan çıkarılan
dişlerin yerine 1774 yılında porselen dişlerin geçmesidir [6.57]. Seramikler lekeli, çürük ve
kötü kokulu takma diş sorununu çözmüş fakat doğal dişin estetik özellikleri elde
edilememiştir. Dişçilikte kullanılan ilk seramikler üç bileşenli porselen malzemelerdir (bkz.
Altbölüm 7.2). Bu bileşimlerden kil kuvarsın çıkarılması ile estetik özellikler iyileştirilmiştir.
Kullanımdaki estetik porselenler temelde feldspat minerallerinden üretilen ve az oranda
kristal katkılı alkali ile değiştirilmiş alüminosilikat camlarıdır. Lusit (KAISi2 O5) içeren
yüksek genleşmeli porselenler bunun dışındadır. Yüksek oranlarda (ağ.%40—55) lusit
parçacıkları güçlendirme katkısı olarak kullanılır. Lusit yeterli yarısaydamlık özelliği sağlar
ve bu, estetik nedenlerle önemli bir özelliktir. Ayrıca lusit, feldspat camlarınınkine yakın
kırılma göstergesine sahiptir ve karma malzemenin ısıl genleşme katsayısını yükseltir. Lusit
aynı zamanda diş porselenlerinin katkısız cama göre daha yüksek tokluğa ulaşmasında da
kullanılır.
Çoğu estetik seramik düşük dayanımlıdır ve işlevsel beklentilerin yüksek olduğu kaplama
(kron) ve protez gibi uygulamalara uygun değildir.
Daha yüksek dayanımlı seramikler metal yerine göbek malzemesi olarak kullanılır çünkü
yarısaydamlıkları nedeniyle bu seramiklerin optik özellikleri metallere göre daha uygundur.
Başlangıçta Al2O3 ile dayanımı artırılmış camlar göbek malzemesi olarak kullanılmıştır. Daha
yüksek dayanım ve tokluk için geliştirilmiş bir başka göbek malzemesi alüminosilikat
emdirilmiş ağ.%70—85 alüminadır. Bu malzeme iki farklı yolla üretilir. İlk yol alümina
gövdenin çamur dökümü, pişirme ve cam emdirme işlemlerinden oluşur. İkinci yol
önpişirilmiş gözenekli alümina blokların CAD/CAM ile işlemesi ve ardından bu parçalara
cam emdirme işlemlerini içerir.[6.57]
Şekil 6.17. Tıp uygulamalarında kullanılan seramik parçalar: alümina küresel başlıklar ve
ekler
(BIOLOX®forte), kalça artroplasti için karma malzemeler (BIOLOX® delta), hidroksilapatit
seramik (BIOLOX®osprovit), biyoetken kaplama veya granüller ve özel cerrahi
4
uygulamalarda kullanılan döküm malzemeler
Engineering Plochingen Almanya)
(CeramTec AG Innovative Ceramıc
Çene saplamaları alümina, HA ve biyoetken camlardan yapılır. Şekil 6 18 saplama örneklerini
sergilemektedir. Başlangıçta bunlar tek parça alümina gövdeden yapılırdı (Şekil 6.18 ortada).
Uzun süreli sonuçlar alüminanın tokluğundan kaynaklanan bazı olumsuzlukları ortaya
çıkarmıştır. Bunun sonucunda ikinci kuşak saplamalar geliştirilmiştir. Bu saplamalar HA ile
kaplanmış titanyumdan (Şekil 6.18 solda) veya kaplamasız titanyumdan oluşur ( Şekil 6.18
sağda) [6.58]. Bir başka seçenek basamaklı Ti silindir bir kök ve seramik bir diş gövdesinin
birleşiminden oluşur (Şekil 6.19).
Katkısız alümina aşılar mekanik özelliklerin yaşamsal olmadığı durumlarda uygundur. Bu
uygulamalara örnek olarak kemikçik zincirinin tamamen ya da kısmen değiştirildiği orta
kulak aşıları, ur cerrahisinde nefes borusu destekleyici halka, kornea değişimi (optik parça
olarak korundum tekil kristal ve tutucu halka olarak alümina kullanılır), kemik duvarlarda
(septum) destekleyiciler ve orbital plakalar gösterilebilir [6.56].
Şekil 6.18. İki tür Frialit®-2 Ti saplama (sol ve sağ) ve ilk Frialit®-1 alümina (ortada)
(Friatec AG Medical Technology Division Mannheim Almanya)
Bir başka uygulama kanser tedavisinde yitriya alüminosilikat cam mikrokürelerin
kullanımıdır. Bu mikroküreler bedenin kanserli bölgelerine ışınımın yerel olarak iletilmesinde
kullanılmıştır.
Daha yüksek toklukları nedeniyle MgO-PSZ ve Y2O3-PSZ eklem değişiminde alümina
yerine seçenek olarak düşünülmektedir. Zirkonya tabanlı seramiklerin mekanik yeterlilikleri
biyomedikal alümina ile karşılaştırılmış ve ilki daha üstün bulunmuştur. Y2O3-PSZ deneme
aşıları bir yıllık süre ile fare ve tavşanlara yerleştirilmiş alümina ile karşılaştırılmış ve benzer
biyouyumluluk göstermiştir. Karbon kardiovasküler parçalarda örneğin yapay kalp kapakçığı
(valfi) olarak ve ortopedik parçalarda (ör: kemik ve kalça protezlerinde) kullanılır.
Gözenekli seramikler enzim, antikor, antijen ve mikrop hareketsizleştirme yüzeylerinde
yüksek kimyasal, ısıl ve biyolojik dirençleri sebebiyle kullanılır.
5
Hydroxyapatite Ceramics
Several paradigm shifts have taken place in different areas such as electronics, robotics,
medicine and surgery by the advent of nanomaterials. To some extent, the field of medicine
and surgery is the most important area because it is related to human’s health. In this case,
biomaterials play a very important role. Among different categories of biomaterials, bioactive
ceramics such as hydroxyapatite are attractive candidates for body’s hard tissues replacement.
Hydroxyapatite (HA, Ca10 (PO4)6(OH)2) has been widely used as a bulk implant material in
non-load bearing areas of the body. Although HA has excellent biocompatibility properties, it
is limited in use due to its low strength and brittle nature. The main reason of this loss in
mechanical properties of HA is decomposition of HA into some calcium phosphate phases
such as tricalcium phosphate (TCP) and even tetra-calcium phosphate (TTCP). Calcium
phosphate phases are brittle and have weaker strength. Different techniques have been tried to
improve strength and fracture toughness of HA (toughness of pure HA < 1 MPam1/2), such as
making composites and using different pressing/sintering methods like under water shock
compaction hot press sintering, microwave and spark plasma sintering process.
Beside the advanced processing routes, bioinert polymer or ceramic materials as reinforcing
agents in different forms like whiskers, platelets, fibers and particles have been employed to
improve the mechanical properties of HA. Moreover, another issue could enhance mechanical
properties of apatite is decreasing the grain size, which is well known as Hall–Petch equation.
In fact, nano crystallinity is a key factor for improvement of sinterability and enhancement of
compacted specimen behavior owning to high energy and high interface density which are
stored in the interfaces of ultrafine grained structures. However, the tendency of nano
powders to agglomeration leads to create some problems in shaping of bodies and there are
still challenges in this area. Some effort such as high energy ball milling have been used to
overcome/decrease the agglomeration effects. The large surface area often dominates the
properties of the powders and enhances mechanical, chemical and physical properties,
significantly, of the material resulting in interesting and sometimes unexpected behavior of
nanoparticles. Nanocrystalline powders of apatite composites can be sintered into well-built
osteointegrative ceramic specimens.
It has been reported that alumina and titania particles are the best choices for making
composite with HA due to their good mechanical properties and bioinertness. As an
illustration, Viswanath and Ravishankar have studied the interfacial reactions in
hydroxyapatite/alumina nano composite. Their work showed that alumina completely reacted
with hydroxyapatite and formed alumina-rich calcium aluminates and TCP phases at
relatively low temperatures (1000°C). It has been reported that alumina and titania particles
are the best choices for making composite with HA due to their good mechanical properties
and bioinertness. As an illustration, Viswanath and Ravishankar have studied the interfacial
reactions in hydroxyapatite/alumina nano composite. Their work showed that alumina
completely reacted with hydroxyapatite and formed alumina-rich calcium aluminates and
TCP phases at relatively low temperatures (1000 °C).
6
Incontrast, Xihua etal. Reported that by introducing diapsoid/ alümina and hot pressing the
composites under 20 MPa in N2 atmosphere at 1320 °C, the decomposition of HA was not
observed. Queet al. Reported that the addition of titania into HA has a major effect on the HA
structure and enhanced HA properties. Moreover, because of the introduction of secondary
phases, the phase changes in the composites at higher sintering temperatures could take place.
Application of the expensive materials processing techniques (e.g.spark plasma sintering)
could improve the mechanical properties and bioactivity, but the decomposition of HA at1200
°C results in drastic decreasing the strength of composites. Some attempts have been done to
prevent the decomposition. Nathetal, for instance, have tried to inhibit the decomposition
reaction of HA into calcium phosphate phases by making HA- Mullite system. Nevertheless,
in their study decomposition of HA composites at 1350 °C results in deterioration of the
mechanical strength.
TRİKALSİYUM FOSFAT (TCP)
Biyoemilebilir seramik malzemelerin en bilinen üyesi olan trikalsiyum fosfat (TCP), 1920’li
yıllarda kemik boşluklarını doldurmak amacı ile kullanılmaktaydı. Biyomedikal uygulamalar
için biyoemilebilirlik özelliğinin avantaj sağladığına inanılan trikalsiyum fosfat, (Ca 3(PO4)2)
genel kimyasal formülüne ve 1,5 (Ca/P) molar oranına sahiptir.
Tri kalsiyum fosfat (TCP), Ca3(PO4)2, doğada ve canlı sistemlerde çok bulundukları gibi, belli
bileşikleri laboratuar ortamında sentezlenebilmektedir.
Trikalsiyum fosfatın 4 adet polimorfu bulunmaktadır. Söz konusu polimorflar aşağıda kısaca
açıklanmıştır :
β-TCP: Trikalsiyum fosfatın düşük sıcaklık formu (< 1300 ºC) olan bu faz, β-Ca3(PO4)2
kimyasal formülü ile tanımlanmaktadır. βI-TCP: βI-Ca3(PO4)2 kimyasal formülü ile
tanımlanan ve yüksek basınç altında kararlı olan bir fazdır. α-TCP: Trikalsiyum fosfatın
yüksek sıcaklık formu (> 1300 ºC) olan bu faz, α-Ca3(PO4)2 kimyasal formülü ile
tanımlanmakta olup ortorombik kristal yapısına sahiptir. αI-TCP: αI-Ca3(PO4)2 kimyasal
formülü ile tanımlanmakta olup 1470 ºC’nin üzerinde kararlı olan bir fazdır ve monoklinik
kristal yapısına sahiptir. Biyoseramikler içinde en çok görünen TCP yapıları, α ve β-TCP’dir.
β-TCP, katı hal reaksiyonuyla veya çözeltilerden elde edilmiş, uygun durumdaki eksik
kalsiyumlu apatitin sinterlenmesiyle elde edilmektedir.
Ca/P oranı düştükçe, çözünme hızı artmaktadır. TCP’nin Ca/P oranı 1.5’tir. Dolayısıyla
HA’dan daha hızlı çözünmektedir Trikalsiyum fosfat, hidroksiapatite göre daha düşük bir
mukavemete sahiptir ve bu durumun temelinde yine azalan (Ca/P) molar oranı yer almaktadır.
Biyoaktif hidroksiapatit ile biyoemilebilir α veya β-trikalsiyum fosfat seramik malzemelerinin
birlikteliğinden meydana gelen ‘biphasic’ yani ‘çift fazlı’ kalsiyum fosfat yapıları,
biyobozunmanın daha yavaş olarak gerçekleşmesinin hedeflendiği kimi biyomalzeme
uygulamaları için fonksiyonel bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Bahsedilen
kalsiyum fosfat karışımlarının kararlılığı, yapıya katılan α veya β-TCP fazının miktarına
bağlıdır. Zira trikalsiyum fosfat miktarının hidroksiapatitten daha fazla olduğu durumlarda
biyoçözünürlük hızı daha yüksek olmaktadır. Ancak α-TCP ile β-TCP fazları kıyaslandığında
α-TCP’nin β-TCP’ye göre yeni kemik oluşumunda biyolojik açıdan çok daha etkin olduğu
tespit edilmiştir. Çift fazlı kalsiyum fosfat malzemelerinde, trikalsiyum fosfat fazının
biyoemilebilirliği hidroksiapatitin biyoaktifliği ile dengelenmektedir .
7
TCP’nin Kullanımı
Kırılganlığı ve zayıf kopma dirençlerinden dolayı bu biyoseramiklerin kullanımı kısıtlıdır.
Biyomedikal uygulamalar için uygun trikalsiyum fosfatın mekaniksel özelliklerinin
iyileştirilmesi gerekmektedir.
TCP, seramik blok, granül veya kalsiyum fosfat çimento halinde kemik tedavilerinde
kullanılmaktadır. Kemik boşluklarını doldurmak amacıyla, dokusu, fosfat malzemesinin
gözenekli yapısı içinde büyümekte ve malzeme sonradan yavaşça çözünmektedir. Aynı
zamanda mineral kemik oluşmaktadır. Diş hekimliğinde kullanılan kök kanalı yapıştırmaları
biyouyumlu hale getirmek ve kemik oluşumunu desteklemek için de α-TCP katılmaktadır. αTCP katılımıyla, doku uyumluluğunda ve yara iyileşme özelliklerinde gelişmeler
gözlenmiştir.
SİLİSYUM NİTRÜR
Silisyum nitrür (Si3N4) doğada nadir olarak görülmektedir olmayan bir oksit seramik, ancak
göktaşı kaya parçacıklarında bulunmuştur, çünkü doğal olarak ortaya çıkar. Sentetik Si3N4 ilk
kez 1859 yılında Deville ve Wöhler geliştirdiği oldu, ama neredeyse bir yüzyıldır bir
meraktan biraz daha fazla ileriye gidemedi. Çeşitli refrakter uygulamalar için geliştirildiği
zaman malzemenin ticari ilgisi, 1950'li yıllarda artmıştır. İlerleyen yıllarda dünya çapında bir
çaba ile, içten yanmalı motorlar ve yüksek sıcaklıklı gaz türbinlerinde kullanmak için Si3 N4
geliştirmeye başlatılmıştır. Sonuç olarak, şimdi tarihinin en fazla çalışılan seramiklerinden
biridir. Bu malzeme özellikleri iyi anlaşılmış ve onun ticari kullanımı büyük ölçüde
genişlemiştir.
Ortopedik cerrahide Si3N4 kullanımına ilişkin klinik veriler, gelecekte kullanılabilir hale gelir
gibi görünüyor. Biyomedikal uygulamalarda bu malzemenin kullanımına yönelik gerekçesine
genel bir bakış yararlı olacaktır.Si3N4 kompozit yapılmıştır. Boyun tutucular ve omurga
füzyon cihazları başarılı kısa vadeli klinik sonuçlarla halen kullanılmaktadır. Kaynak
malzeme, hem de omurga disk cerrahisi, protez kalça ve diz eklemleri için yatak olarak Si3N4
yapılmıştır. Cerrahi plak ve vidalarda geliştirilmiş ve test edilmiştir.
Silisyum Nitrür’ ün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Toz halinde üretilen Si3N4 malzemeler α ve β Si3 N4 olmak üzere iki farklı poliformik yapıda
kristallenmekte ve her iki yapıda da hegzagonal kristal kafes yapısına sahiptir. Uzun yıllar αSi3N4 , β- Si3N4 ‘ ün bir silisyum oksinitrürü olarak kabul edildi. Ancak daha sonra α- Si3N4
‘ün gerçek bir poliform olduğu ve β- Si3N4 arasında 30 kj/mol kadar bir entalpi farkı tespit
edildi. α- Si3N4 Yapısal olarak β- Si3N4 ‘e çok benzemektedir.
α- Si3N4 ‘ün kimyasal formülünde β- Si3N4 ‘den farklı olarak 30 azot atomundan birinin
yerini bir oksijen atomu almaktadır. β yapısı α’nın eriyik veya buharlaşmasıyla meydana gelir.
8
Silisyum nitrür, silisyum ile azotun 1200 °C üzerinde doğrudan reaksiyonu ile üretilir.
Nitrürleşme reaksiyonu şiddetli ekzotermik olup prosesin sıcaklığını kontrol etmede güçlük
çıkarmaktadır.
3Si(k) + 2N2 → α-Si3N4 (1400°C)
Silisyum nitrür normal basınç altında ergimez. Fakat azot ile sıvı silisyuma parçalanır.
Ayrışma hızı 1800 °C’ nin üzerinde oldukça şiddetlidir. Bu nedenle saf silisyum % 100
yoğunlaşması mümkün değildir. Bu konudaki gelişme ancak sinterleme katkı maddelerinin
ilavesi ile sağlanır.
Silisyum Nitrür Malzeme Özellikleri
Si3N4 yapmak için kullanılan farklı işleme yöntemleri arasında, sırasıyla reaksiyon bağlar,
sinterleme ve basınç destekli sinterleme olarak bilinen üç tipik stratejiler vardır. Reaksiyon ile
bağlanmış Si3N4'ün işlenmesi silisyum(Si)'u meydana getirilen bir toz gözenekli şeklinde bir
maddenin nitrürleme ile seramik malzemenin üretilmesi için bir yöntemdir. Reaksiyon
yapıştırma işleminde, şekil almış malzeme de, tipik olarak bir aradaki Si3N4 ve Si bağları
partiküller oluşturmak için N2 ile reaksiyona girerek 1200-1400 santigrat derece arasında bir
sıcaklıkta N2 içinde ısıtılır.
Elde edilen madde, nispeten düşük bir yoğunluğa ve yüksek bir gözenekliliğe (genellikle%
15-20) ve düşük esnekliğe (örneğin, 200-300 MPa esneme esnekliğe) sahiptir. Si3N4 içinde
çatlak meydana gelmesi durumunda, yapı içinde uzamış çubuk benzeri taneler daha
geleneksel bir Si3N4 de sınırlı veya mevcut olan sertleşme mekanizmalarını sağlamak için
sertleştirilmiştir. Yerinde sertleşmiş malzeme boyunca bir çatlağın sonucu olarak, yayılması
da daha zor hale gelir. Sağlam çubuk şeklinde taneler, yayılan bir çatlak veya uzatılmış
tanelerinin sınırları boyunca çatlağın sapma ucunun arkasında çubuğa benzer tanelerin
çekilmesi ile yayılan bir çatlağın köprü oluşturmasını azaltabilir. Geleneksel olarak üretilen
kompozit bir malzeme içinde takviye edici lifli bir faz kadar aynı şekilde hızlı bir çatlak
büyümesi için bir eğilim göstermiştir.
Ortopedik Cerrahide Seramik Malzemeler
Titanyum (Ti) alaşımları, kobalt-krom cilalı (CoCr) ve yüksek yoğunluklu polietilen (PE) gibi
modern biyomalzemeler, klinik sonuçları artık öngörülebilir ve dayanıklıdır. Öyle ki,
1970'lerden beri hastalıklı kalça ve diz eklemlerinin protez değiştirilmesi devrim yarattı.
Ancak, insan vücudunda protez yatakları ile ilgili bir uzun vadeli endişe protez çevresindeki
eklem alanı, özellikle PE aşınma parçalarının biriken, mikroskobik aşınma kalıntısı için
olumsuz biyolojik yanıttır.
9
Protez çevresindeki kemik kaybı ve zamanından önce implantın gevşemesine neden olur,
çünkü daha az yatak aşınması arzu edilir. 1970'li yıllarda PE yüzeye karşısında son derece
parlak bir yüzey CoCr eklemlenme taşıyan bir çift modern kalça ve diz protezi ameliyatı
başarıyla sonuçlandı. PE çapraz bağlanması aşınmayı azaltmak için tasarlanmış bir imalat
stratejisidir. Başka bir aşınma-azaltma stratejisi tamamen kalça protezleri den PE‘yi ortadan
kaldırmak ve yerine sabit rulman kombinasyonu ile sert kullanılmasıdır.
Böyle bir örnek total kalça protezi operasyonlarında CoCr-üzerinde-CoCr eklemlenmeleri
sorunudur. Bugün ortopedik cerrahide kullanılan mevcut seramik sınırlılıkları göz önüne
alındığında, klinik altı aşınma oranları ile bir hastanın, yaşam süresini, ömrünü kısaltması
daha zor ve daha güvenilir seramik malzemelere ihtiyaç vardır.
Eklem protezi ameliyatı küçük ölçekli rulmanlar boyut ve konfigürasyonlarda geniş bir
cerrahi esneklik sağlayan güçlü, sert seramik malzeme isteyen, daha yaygın kullanılan yeni
başarılı Asya piyasalarında da büyümektedir. Gelişmiş ülkelerde de, büyük eklem değiştirme
ameliyatı daha genç ve aktif hastalarda gerçekleştiriliyor. Bu bireylerin periyodik yüklemenin
birkaç on yıl dayanacak implantlar ve rulmanlar için bir talep yaratarak, her zamankinden
uzun yaşam süresinin keyfini beklenir.
Silisyum Nitrür’ün Biouyumluluğu
In vivo uygulamalar için kullanılan herhangi bir malzeme (yani, malzemenin bir kez vücut
implante, dökme ya da parçacık biçiminde ya da toksisite reaktivitesini göstermek gerekir)
bioinert olması gerekir. Bu tür stabilize ZrO2 ve AI2O3 olarak oksit seramikler ortopedik
uygulamalarda seramik malzemeler olarak kullanılmıştır.
Sitotoksisite deneyleri ile son kanıtlar, aşağıda özetlenen, Si3N4 de seramiklere benzer
birolumlu biyolojik uygunluk profiline sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, Si3N4 olumsuz
etkileri olmadan 3 yıldır omurga cerrahisinde implante edilmiş ve ISO 10993 biyouyumluluk
testlerinin tam spektrum sonuçları onun biyouyumluluk geçerliliğini göstermektedir.
Sitotoksisite testleri, hücre canlılığı ve morfolojisi değerlendirmesi doğrudan temas tahlilinde
L929-farenin fibroblast hücre kültürü modeli uygulayarak yapılmıştır. Bu araştırmacılar, test
edilen tüm Si3N4 malzemeler ile olumlu sonuçlarını bildirilmiştir. Hücre büyümesi, canlılığı
ve morfolojisi Ti ile karşılaştırılabilir ve cilalı yüzeyler Si3N4 de hücre büyümesini teşvik
etmek için ortaya çıkmıştır. Araştırmacılar Si3N4 de seramik biyomedikal uygulamalar için
uygun olduğu sonucuna varılmıştır.
10
Ortopedik Cerrahide Silisyum Nitrür
Seramik malzemeler ortopedik cerrahide kullanılmaktadır birkaç on yıl boyunca, düşük
sürtünme ve geliştirilmiş aşınma nitelikleri açısından CoCr alaşımları içinde kendi avantajları
vardır. Dünya çapında ortopedik cerrahide Si3N4 esaslı seramiklerin halen kullanılan mevcut
Al2O3 esaslı seramiklere göre önemli farklılıkları olduğu doğrulandı ve kapsamlı olarak
gözden geçirilmiştir. Si3N4 seramiklerin çekici bir özelliği, gözenekli bir alt tabaka ve sert bir
dayanma yüzeyine şeklinde formüle edilmesi yeteneği ile ilgilidir. Gözenekli formda, Si3N4
iskelete dayanıklı biyolojik tespit için gereklidir. Doğrudan apozisyonel kemik büyümesini
destekleyebilir. Si3N4, bu nedenle, aynı implant içinde, bir düzlem, ile başka bir düzlemde
büyümesi gözenekli yüzey üzerinde düzgün bir eklem yüzeyiyle ortopedik implantlar için
kullanılabilir.
Sonuç olarak; yerinde sertleşme yöntemi ile hazırlanmış yoğun Si3N4 de seramiklere şu anda
toplam kalça ve diz eklem yenilenmesi için yatak olarak kullanılan Al2 O3 esaslı seramik ve
kompozit için üstün mekanik özelliklere sahiptir. Metallerin aksine Si3N4, X-ışınlarına karşı
yarı saydam ile manyetik olmayan bir varlığa sahip olduğundan, Si3N4 implantlar yakın
yumuşak dokuların MR görüntülemesi için olanak sağlar.
BİYOSERAMİKLERİN VÜCUDA UYUMLULUK TESTLERİ
Biyoseramiklerin sahip olması gereken özellikler
- Toksik olmamalı
- Alerjik olmamalı
- Kanserojen içermemeli
- Alev alabilen bir yapıda olmamalı
- Biyouyumlu olmalı
- Vücuttan uzun ömürlü olmalı ve biyofonksiyonel olmalı
Vücudun bioseramik malzemeye tepkisi
 Thrombosis - Pıhtılaşma
 Hemolysis – Alyuvar parçalanması
 Inflammation – İltihap oluşumu
 Infection and Sterilization – Enfeksiyon oluşumu –sterilizasyon
 Carcinogenesis – Kanser oluşum
 Hypersensitivity – Aşırı duyarlılık
 Systemic Effects – Vücudun tamamına etki eden sistemik etkiler
Koagülasyon Testleri
• Pıhtı oluşum hızını ölçen fonksiyonel testler
• Trombin oluşumu, fibrinojen proteolizi
• Pıhtı oluşumu (Çözülebilir proteinlerin presipitasyonu)
Fibrinojen: pıhtılaşmayı sağlayan protein
Antijen: Canlı vücuduna dışarıdan giren ve antikor oluşmasını sağlayan yabancı madde
Cihazların ölçüm metotlarına göre;
– Empedans artışı
– Türbidite artışı
– Optik berraklıkta azalma
11
Pıhtı oluşumunu sağlayan yol boyunca var olan herhangi bir eksiklik anormal bir sonuç
verecektir.
Protrombin Zamanı (PT)
Fosfolipid ve kalsiyum varlığında faktör VII’nin tromboplastin tarafından aktivasyonu
Pıhtı oluşumu Faktör VII, X, V, II ve fibrinojene bağlıdır. Faktör VII düşüklüğüne en hassas
testtir. Ayrıca Warfarin (Kumadin) tedavisinin takibi için kullanılır.
• Laboratuvarlar arasında International Normalized Ratio (INR) şeklinde standardize
edilmiştir.
Parsiyel Tromboplastin Zamanı (PTT)
• İntrinsik Yol aracılığı ile oluşan pıhtı oluşumunu değerlendirmede kullanılır.
• Faktör VII hariç bütün faktörler gereklidir.
• PT testine göre daha az fosfolipid eklenir.
• Heparin varlığına hassastır. (Heparin is an anti coagulation protein)
Intrinsik Sistem Koagülasyon Faktörlerini Ölçen Testler
• Faktör XII
• Prekallikrein
• Yüksek moleküler ağırlıklı kininojen
• Faktör XI
• Faktör IX
• Faktör VIII
PTT’yi platform olarak kullanırlar.
BİYOUYUMLULUK (BIO-COMPATIBILITY)
10993-1… Bir materyalin biyo-uyumluluğunun test edilmesi için gerekli testlerin tümünü
içerir. (Toksisite, Hemoliz, sitotoksisite, sistemik toksisite,....vs.) Hammaddelerin biyo
uyumluluk testleri tek başına yeterli değildir, bu testlerin bazılarının (özellikle toksisite, EO
kalıntı testi..vs.) bitmiş ürünlerde de tekrarlanması gerekir. Bu testlerin mutlaka AB
organlarınca akredite edilmiş kuruluşlarda yapılması gerekir.
Diş hekimliğinde uygulamalarında farklı içerik ve özelliklere sahip çok çeşitli materyaller
üretilmiş ve klinik uygulamalara sunulmuştur. Bu materyallerin çoğu sert doku yumuşak doku
diş dokusu sıvılarla (tükürük diş eti oluğu sıvısı) temas halindedir. Böylece diş hekimliği
uygulamaların fiziksel ve mekanik özelliklerle beraber biyolojik özelliklerde ön plana
çıkmaktadır. Bu sebepten ötürü biyouyumluluk önemlidir. Testler genelde in vitro
yöntemlerle başlar hayvansal testler ve doğru sonuçlarla in vivo testlerle devam eder.
12
IN VİTRO
Biyolojik uyumluluğun değerlendirilmesi için uygulanan in vitro testleri bir test tüpü içinde,
hücre kültürünün bulunduğu bir kap içinde ya da canlı organizmanın dışında yapılır. Bu
testler materyalin bir bileşeninin bir hücre, enzim ya da diğer izole edilmiş biyolojik
sistemlerle temas ettirilerek uygulanmasını gerektirir. Dental materyallerin in vitro olarak
sitotoksisitesini belirlemede en yaygın kullanılan biyolojik sistemler hücre kültürleridir.
Test
Avantaj
Dezavantaj
İn Vitro
Hızlı uygulama
Ucuz
Standardize edilebilir
Deney ortamı kontrolü kolaydır
Geniş bir skalada değerlendirme yapılır
İn vivo ortamla ilişkisi tartışmalıdır
Hayvan
testleri
Karmaşık sistemik etkileşimler tespit
edilebilir
In vitro testlere göre daha geniş kapsamlı
ve daha gerçekçidir.
Kullanılan
materyalle
ilişkisi
tartışmalıdır
Pahalı
Etik açıdan tartışmalıdır
Kontrolü zor
Sonuçların değerlendirilmesi zordur
Kullanım
testleri
Kullanılan materyalin dokularla ilişkisi
belirlenir
Çok pahalıdır
Daha fazla zaman
Etik açıdan daha fazla tartışmalıdır
Kontorlü zor olabilir
Sonuçların değerlendirilmesi zordur.
Hücre Kültürü
Hücre kültürü yönteminin temel ilkesi, canlı dokulardan alınan parçaların in vitro koşullarda
yaşama ve üremelerini sağlamaktır. Tüp, şişe gibi laboratuvar gereçlerinde uygun besleyici
sıvıların içinde üretilerek kullanılan canlı dokulardır. İki tip hücre kullanılır primer ve devamlı
hücre hatlarıdır. Primer hücre kültürleri doku ce organlardan ayrılan hücrelerin 24 saatten
daha uzun süre kültür edilmesiyle elde edilir. Devamlı hücre hatları süresiz çoğalabilme
özelliğine sahip transformasyona uğramış primer hücrelerdir ve daha stabil fenotipleri vardır.
13
SİTOTOKSİSİTE
Materyalin hücre yaşamına olan etkisi. Moleküler olaylar sonucu çeşitli makromoleküllerin
sentezlenmesinin engellenmesi be buna bağlı olarak hücre fonksiyonlarında ve yapısında
belirgin hasar oluşmasıdır.





Hücre canlılığı
Hücre membranı
Hücre organelleri
Protein veya DNA sentezi
Hücre bölünmesi ile ilgili bilgiler verir.
Testler için belirli standartlara uygun olması için ISO bazı kriterler belirlemiştir. ISO 7405 diş
hekimliğinde kullanılan medikal materyallerin klinik öncesi test protokollerinden biridir. Tabi
bunlarla beraber önerilen şu test metotları da vardır.
1) a- Direkt hücre kültürü
i. Direk temas testi
ii. Ekstrakt testi
b- Bariyer test metodu
Agar difüzyon testi
Filtre difüzyon testi
Dentin bariyer testi
Sitotoksisite Değerlendirme Yöntemleri
1. Canlılık (Viability) değerlendiren testler
14
2. Yaşam (survival) değerlendiren testler
3. Hücre proliferasyonunu (büyümesi, çoğalması) değerlendiren testler
4. Metabolik sitotoksisite değerlendirme testleri
Bu testlerle beraber ayrıca
- Glutatyon tespiti
- Mutajenite testleri
- Östrojenite testleri
15
HAYVAN TESTLERİ
Genellikle memeli hayvanlar üstünde yapılan biyouyumluluk testleridir fare, kedi, köpek,
koyun, maymun bu testler değişkenleri kontrol etmek zordur etik açıdan tartışmalı, uzun
süreli ve pahalıdır. Malzeme deneğin dokularına enjekte edilir 1 hafta veya birkaç ay
periyotlar boyunca kontrol altındadır sonra dokular makroskobik ve mikroskobik incelenir
müköz membran irritasyon testine tutulan materyal dokudaki iltihap incelenir.
KULLANIM TESTLERİ
Hayvanlar veya gönüllü insanlar üstünde test edilir. Hayvanlar köpek maymun gibi büyük
hayvanlar tercih edilir. İnsanlarda yapılması materyalin biyouyumluluk değerlendirilmesinin
klinik aşamasıdır. Pulpa irritasyon testleri ortodontik amaçla çekilecek insan dişlerinde
maymun veya diğer hayvanların sağlam dişlerinde class V materyali uygulanır ve malzeme 1
hafta ve birkaç ay arası bekletilir. Diş çekimi yapılır ve histolojik inceleme için hazırlanır
pulpadaki akut ve kronik iltihap incelenir.
16
BAĞLANMA DAYANIM TESTİ
Adheziv testlerin etkinliğini değerlendirmek için çeşitli bağlanma dayanımı test yöntemleri
kullanılmaktadır. Bu testlerden elde edilen sonuçlara göre adheziv sistemlerin ağız
ortamındaki performansları hakkında çeşitli yorumlar yapılır. Rezin esaslı adheziv
sistemlerdeki seramik bağlantı değerlendirmeleri için mikro-gerilme (micro-tensile), kesme
(shear), mikro-kesme (micro-shear) bu yöntemlerde bağlantı bölgesine başarısız olunca ya
kadar sürekli kuvvet uygulanır.
Her malzeme canlı dokuya yerleştirilirken tepki alır Al2O3 yüksek sıcaklıklarda korozyon
direnci yüksek sertliği iyi biyouyumluluk karakterli bir malzeme olması dolayısıyla çok geniş
kullanım alanına sahiptir. Kimyasal kararlılık ve düşük ekonomik maliyet ile mühendislik
seramikleri için tercih sebebidir. Yalnız kırılganlık dezavantajı vardır bunuda ikincil faz
olarak yumuşak bir metal olan nikelle desteklenip giderilebilmektedir. Ama
biyouyumluluğunda sağlanabilmesi önemli bir şarttır ve birkaç test ile bunlar öğrenilebilir.
Yüzey Enerjisi ve Temas Açısı
Plazma Proteinlerin Adezyonu
İmplantlara karşı dokuların oluşturduğu tepkimelerden biri implant yüzeyinde protein
adhezyonunun gerçekleşmesidir. Adezyon, implantla doku arasındaki hareketliliği engeller ve
uygulanabilirliği azaltır. Aşağıdaki tabloda Plazma protein adezyonu gösterilmekte.
Anti-baktiriyel aktivite
Toz yapıdaki Al2O3 kompozisyonlarının difüzyona difüzyona uğramayan özelliğinden
dolayı inhibisyon alanının ölçümüne dayalı test metotlarının kullanımı zorlaşmıştır. Şekilde
Nikel destekli Al2O3 kompozisyonlarının antibakteriyel etkinliği
Temas açısı ölçümleri; Kuru ve preslenmiş kompozitlerin su ile temas açısı değerleri 25C’de
durgun damla yöntemiyle, digital optik temas açısı ölçer cihazıyla belirlenir.
L

SV
SL
17
Plazma proteinleri adhezyonu; Plazma proteinlerinin (albumin, globulin, fibrinojen)
nanopartiküllere adsorpsiyonu 37C’de kesikli sistemde çalışılmıştır. Partiküllere absorplanan
protein miktarı spektrofotometre kullanılarak belirlenmiştir.
Antibakteriyel etkinlik; Kompozitlerin potansiyel
oluşumundaki azalmalar dikkate alınarak belirlenmiştir.
içeren Muller Hilton Broth içerisinde 37C’de bir
besiyerinden alınan bakteri örnekler Muller Hilton Agar
sayılıp antibakteriyel özellik değerlendirildi.
18
antibakteriyal aktiviteleri koloni
Tüm bakteri suşları 1.0gr kompozit
gece büyütülmüştür. Daha sonra
besiyerinde 37C’de 24 saat sonunda
Karakterizasyon Çalışmaları Kompozitlere ait şişme oranları ve suya karşı elde edilen temas
açısı ölçümleri yüzey polaritesini ve ıslanabilirliğini değerlendirmek için kullanılır.
19