T.C.

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ

METALURJİ MALZEME MÜHENDİSLİĞİ

YÜZEY İŞLEMLERİ ÖDEVİ

HİDROKSİAPATİT KAPLAMALAR

SAKARYA 2009

HİDROKSİAPATİT KAPLAMALAR

Biyoseramiklerden biri olan ve klinikte en çok kullanılan; Hidroksiapatit [HA:Ca5

(PO4)3 (OH)], kemik, diş ve diş minesi dokusunun inorganik yapısını oluşturan kalsiyum

fosfat esaslı bir seramik olup, biyouyumluluğu nedeniyle yapay kemik olarak çeşitli

protezlerin yapımında, çatlak ve kırık kemiklerin onarımında ve metalik biyomalzemelerin

kaplanmasında kulanılmaktadır.

Hidroksiapatit kaplamaların yaygınlaşması, kaplama teknikleri açısından önem arz

ettiği gibi Biyomimetik uygulamaların günlük hayata entegre olması açısından da önemlidir.

Biyomime-tik (Doğadan ilham alan teknoloji) sözkonusu olduğunda biyomalzemeler de ilk

sıralarda anılması gereken kavramlardan birisidir. Biyomalzemeler, insan vücudundaki organ

ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler

olup,  metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler olmak üzere 4 ana gruba  ayrılırlar.

Biyomal-zemelerde en önemli özellik biyouyumluluk (vücuta uyuşabilirlik) olup, kendisini

çevreleyen dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler

(iltihaplanma, pıhtı vb.) oluşturmayan malzemelerdir.

                            Tablo 1. HA’nın Mekanik Özellikleri

              

   

                 a) mik                                                            b) HA

Hidroksiapatitin Biyouyumluluğu

HA’nın en önemli özellikleri

arasında mükemmel biyolojik

uyumluluğu önde gelir. HA, sert

dokularla direk kimyasal bağ

kurar. HA partiküllerinin yada

gözenekli blokların kemiğe

yerleştirilmesinde; yeni doku, 4–8

haftada şekillenir (Bajpai, 1985).

HA gözenekli yapısı; hücrelerin,

gözeneklerin içine doğru

büyümesinden dolayı, dokuların implante nüfuz etmesini sağlar. Ayrıca HA'nın yapısındaki

gözenekler, bir kanallar sistemi gibi davranıp, kemik yapıya kanın ve diğer önemli vücut

sıvılarının ulaşmasını sağlar. HA’nın emilimi yılda % 5-10 hızıyla gerçekleşir. Yapılan

deneylerde HA implantların, öncelikle fibrovasküler doku  ile kaplandığı ve zamanla bu

dokudaki olgun lamellerin, kemiğe dönüştüğü tespit edilmiştir (Yetkin, 2001). HA’nın

osteokonduktif özellikleri de implantların kemiğe sıkı yapışmasına ortam ve olanak sağlar.

Ayrıca HA’nın lokal büyüme faktörlerine,özellikle kemik proteinleri-ne karşı kuvvetli

kimyasal bağlanma eğilimi olduğu saptanmıştır (Bajpai, 1990). HA non-toksik (zehir etkisi

olmayan) (Capello, 1997) özelliklere sahip olması sayesinde meydana gelebilecek vücut

reaksiyonları da minimumdur.

Hidroksiapatitin Üretim Yöntemleri

HA ilk kez (Hayek, 1963) tarafından kimyasal çöktürme yöntemi kullanılarak sentezlenmiş

olup, daha sonra, su-bazlı kalsiyum ve fosfat tuzları içeren çözeltilerden kimyasal çöktürme

veya asit-baz titrasyonu gibi yöntemlerle elde edilebilmektedir (Taş, 2000). Üretim yöntemi,

biyoseramiğin sert doku değişimi ya da doku ve protezlerin birleştirilmesinde kullanılacak

olmasına göre farklılık gösterir. Sert doku yer değişimlerinde, çevre dokuların protezlere

nüfuzu ve tutturulması için belirli oranda gözenekli olması istense de, gerekli olan en önemli

özellik mukavemettir. Fakat protezin mukavemetinin, çevre kemik dokusunun mukavemetin-

den çok fazla olması, gerilme yığılması (stress shielding) denilen probleme neden olur.

Biyoseramik malzemelerin mukavemeti, tamamen yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Eğer bir

biyoseramiğin mukavemetinin artması isteniyorsa, yoğunluk arttırıcı işlemlerden

geçirilmelidir. Doku ve implant birleşimlerinde; gözeneklilik, dokunun gelişimi

ve biyoseramiğin implant ile birleşmesi açısından önemlidir. Gözenekli malzemeler, yüksek

alan/hacim oranına sahiptirler. Bu da biouygunluğu sağlar. (Taş, 1998) ve (Oktar, 2002)

gözenekli kalsiyum fosfat seramiklerin üretilmesi üzerine çeşitli çalışmalar yapmıştır.

Gözenekli seramik implantların en büyük avantajı; kemik, seramik malzemenin gözenekleri

içerisinde büyüdüğünde, oluşan ara yüzeyin mekanik açıdan yüksek kararlılığa sahip

olmasıdır. Gözenekli implantlar, kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak da kullanılırlar.

Mercanların mikro yapısı, kontrollü gözenek büyüklüğüne sahip seramiklerin oluşturulması

açısından en ideal malzeme olmaktadır. Gözenekli malzemeler, her zaman için yığın

formlarında daha zayıftır ve artan gözenekliliğe bağlı olarak, malzemenin dayanımı

daha da azalmaktadır. Gözenekler dokuların iç büyümesine de izin verirler. Dolayısıyla

protezin desteklenme ve korunması sağlanır. Ayrıca, gözenekler bir kanal sistemi gibi

davranarak, kemik içerisine kan ve diğer vücut sıvılarının ulaşımını sağlarlar. Fakat

gözenekliliğin fazla olması mukavemeti düşürdüğünden optimum bir oran kullanılmalıdır.

Gözenekli biyoseramik üretiminde yaygın olarak, katılaştırıcılı birleştirme ve damlatmalı

 döküm olmak üzere iki yöntem kullanılmaktadır. Doku birleştirmelerinde sık kullanılan bu

yöntemlerin dışında, polimerik sünger metodu, köpük metodu, organik katık ekleme, jel ve

kayma döküm, direkt konsolidasyon ve hidroliz yardımlı katılaştırma gibi yöntemlerde

kullanılmaktadır. (Taş, 1998–2000), Kalsiyum HA'yı, nano-boyutlarda yüksek kimyasal

homojenlik ve saflıkta seramik tozlar olarak, kalsiyum nitrat ve di-amonyum hidrojen fosfat

tuzlarının, özgün bir kompozisyona sahip “Sentetik Vücut Sıvısı (SVS)” çözeltilerinde uygun

oranlarda çözülmesi ile başlanarak, insan vücudu sıcaklığı olan 37°C’de ve yine insan vücudu

pH değeri olan 7.4’te, biyomimetik koşullarda  yürütülen özgün bir kimyasal sentez yöntemi

ile elde etmiştir. (Weng, 1997) HA üretmek için bir ethylene glycol çözeltisi

(Ca(OAC)2.xH2O) ve bir butanol çözeltisi (P205) kullanmıştır. İşlem sırasında kullanılan,

asetik asit (HOAC) ve amonyum nitrat (NH4N03), dengeleyici ve oksitleyici olarak görev

yapmıştır. Bu yöntem ile elde edilen HA'yı, kaplamaların hazırlanması uygulamasında

potansiyel olarak tanımlamaktadır. (Taş, 2001) HA seramiklerinin elyaflar ile güçlendirilmesi

sonucunda kırılma tokluklarının artırılması için; HA elyaflarını, ergitilmiş tuz sentezi

(ETS) yöntemini kullanarak ilk kez üretmiştir. (1)

  Şekil . Hidroksiapatit oküler implant uygulanması (Jordan, 2000)

Hidroksiapatitin Metalik Biyomalzemeler

Üzerine Kaplama Olarak Kullanılması

Kalça eklem protezlerindeki gibi metal

implantlar üzerine kaplama, HA'nın en önemli

uygulamalarından biridir. PMMA’nın

kullanımında oluşan komplikasyondan

kaçınmak için bir fiksasyon (sabitleme) aracı

olarak femur (büyük bacak kemiği)

protezlerinde ve kapsüllerinde geniş bir şekilde kullanılmaktadır (Willert, 1990). Bir

araştırmada; 8 yıllık takip sonucunda 324 implantta %3’lük bir femoral gözden geçirme rapor

edilmiştir (Capello, 1998). Benzer sonuçlar (Geesink, 1997) tarafından rapor edilmiştir (118

kalça protezi 8 yıl takip edilmiş ve %98’lik bir başarı elde edilmiştir). Bu çalışmalarda,

implant üzerinde kemik iç büyümesinin arttığı sonucuna varılmıştır. Kaplamadan iyi bir sonuç

almak için, kaplama  kalınlığı, malzemenin kimyasal kompozisyonu ve metalin yüzey

pürüzlülüğü anahtar faktördür (Hamadouche, 2000). Metal yüzeyine HA kaplama

uygulaması; kimyasal bağlanma yolu ile kemik/implant sabitlemesi elde etmek için metalik

malzemelerin mekanik özellikleri ile HA’nın yüksek biyouygunluğu ve biyoaktifliğini

birleştirmektir (Ward, 1996). Metalik biyomalzemelerin HA ile kaplanmasında, ince bir HA

tabakası biyoaktivite sağlar. Metallerin biyoaktivitesini artırmak için yapılan bir çok çalışma,

kimyasal ve ısıl işlemle oluşmuş amorf sodyum titanat tabaka kalınlığının yaklaşık 1 µm

olduğunu göstermiştir (Li, 1994), (Kitsugi, 1996), (Kim, 1996-97) ve (Yan, 1997). HA

kaplamalı metaller iyi sabitleme sağlasa da, HA ile metal arasındaki yapışma dayanımının

düşüklüğü, HA tabakasının metal yüzeyinden kaybına neden olabilmektedir. Ayrıca, kaplama

sırasında oluşacak yüksek sıcaklık da, gerek kaplama gerekse de kaplanacak malzemede

yapısal değişikliklere neden olmaktadır (Weng, 1999). Kaplamanın in-vivo stabilitesi, direkt

olarak kristalinite ile ilgilidir. Kristalinite, kaplamadaki kristal HA yüzdesidir (Tong, 1995).

Başarılı bir kaplama için malzeme ve kaplama yönteminin iyi seçilmesi gereklidir.

Şekil . HA Kaplanmış Ti6Al4V İmplant Malzemeye Ait XRD Grafiği (Pasinli, 2004) (1)

Şekil . Ti6Al4V İmplant Malzeme Yüzeyine Kaplanmış HA’ya Ait SEM (Pasinli, 2004)(1)

Dokuz Eylül Üniversitesi’nden Prof. Ahmet Çakır’ın yaptığı bir çalışmada Ortopedik kalça

protezleri klinik uygulamalarda kemiğe 316 paslanmaz çeliğine hidroksiapatiti Sol-Gel

tekniği ile kaplamaya yönelik. Ortopedik kalça protezleri klinik uygulamalarda kemiğe

hareketsiz, kararlı, uzun süre kullanıma dayanıklı ve güvenli bir bağlama ile bağlanır. Kemik

çimentosuz olarak uygulanan kalça protezleri, kemik ile implant ara yüzeyini daha kararlı

konuma getirmek için gözenekli (PO ) (OH) ) kaplama ile hidroksiapatit (HAP, Ca10 4 6

2kaplama yapılır. Bu çalışmada 316L tipi paslanmaz çelik yüzeyine sol-jel metodu ile HAP

kaplanarak doku ve faz yapısı üzerine pH etkisi incelenmiştir. (2)

  

Şekil.

HA ile kaplanmış bağlantı vidaları (pedicle

screws) (Sanden, 2002)

Şekil. Orta kulak implantına

ait bir uygulama (www.azom.com)

Hidroksiapatit Kaplama Teknikleri

Farklı HA kaplama teknikleri vardır:

1- Daldırarak kaplama-sinterleme

2- Elektroforetik deposizyon

3- Daldırma-kaplama

4- Sıcak izostatik baskılama

5- İyon-ışın demeti püskürtme ile kaplama

6- Plasma-sprey

7- Elektro-mıknatıs püskürtme (3)

Bu metodlar ile birkaç mikron ile milimetre arasında değişen kalınlıklarda kaplama satıhları

elde edilebilir. Tüm metodlarda kaplamanın metale tutunması, kaplama yapısının

bütünlüğünün korunması gibi temel sorunlar vardır. Plasma-sprey ve püskürtme-kaplamanın

en yaygın yöntemler olduğu görülmektedir (52,54). Kullanılan bütün tekniklerde

HAkaplamanın değişik oranlarda sahip olduğu kristalin ve amorf yapılar bulunmaktadır.

Kaplama sırasında titanyum yüzey ile ilk temasa geçen Ca/P partikülleri, metalin ısısından

etkilenip hızla soğuyarak düzensiz kristal yapı olan amorf tabakayı oluştururlar (37). Kaplama

sırasında C’ye yükseltmek ve amorf yapının üzerine gelen diğerısıyı 500 ile 700 partiküllerin

daha yavaş soğuması kristalin tabakanın oluşmasını sağlar (38). Kristalin yapıda hidroksilapa-

tit ve Ca/P kristalleri düzenli şekilde sıralanmışlardır. Kristalin tabakanın kalınlığının üretici

firmaların kullandıkları tekniklere göre değiştiği, ancak genelde amorf tabakanın metal

yüzeye yakın bulunduğu, dışa doğru gidildiğinde, kaplama sırasında daha çok ısınan yivlerin

tepe noktaları ve apikal kısımlarda kristalleşme oranının arttığı gösterilmiştir(39). Amorf

tabakanın metal bağlantısının daha gevşek olduğu (26) ve buna bağlı olarak rezorpsiyona

daha elverişli olduğu düşünülmektedir (18). Bu görüşe karşı olarak, de Groot ve ark.(28), HA-

kaplamadaki yüksek kristalin yapının dokudostu özelliğini arttırmayacağını, amorf kaplama-

larla kıyaslandığında biyoaktifliği azaltacağını ileri sürerek, kemik iyileşmesi için amorf bir

dış katman ve çözülmeyi önlemek için kristalin yapıda bir iç katmandan oluşacak bir ideal

kaplamayı önermişlerdir. Hulshoff ve Jansen (43), çift katman Ca-P kaplama (florapatit-

hidroksiapatit)(FA-HA) ve elektro-mıknatıs püskürtme amorf Ca-P ile kaplı implantları,

kontrol grubu olarak 4-5µm pürüzlülüğe sahip kumlanmış titanyum implantlar ile kıyasla-

yarak, keçilerin femurlarında, denekleri implantasyondan sonraki 3, 12 ve 24. günlerde

kurban ederek, histolojik- ve morfometrik olarak incelemişlerdir. FA-HA kaplama, titanyum

implantların kumlanarak 4-5µm pürüzlülüğe getirilmesinden sonra, propanolde ultrasonik

temizlik ve 100C’de kurutulmasını takiben plasma-sprey ile 30µm kalınlıkta FA ve üzerine

30µm HA biriktirilmesi ile imal edilmiştir. Amorf Ca-P kaplama için argon asitlemeyi takiben

eletro-mıknatıslı püskürtme uygulanarak, 2-4µm kalınlıkta tabaka elde edilmiştir (45). Bu

çalışmada iki Ca-P kaplama yönteminin birbirlerine olan üstünlükleri tam olarak ortaya

konamamıştır. FA-HA kaplamada dış HA katmanın kemik cevabını arttırıcı görevini yaptığı,

fakat rezorbe olmayan iç FA katmanın uzun dönemde kopmalara uğraması halinde kemikte

irritasyona yol açabileceği üzerinde durulmuştur. Ancak Ca-P kaplı implantlardaki kemik

temas yüzdesinin titanyum implantlardan daha fazla olduğu saptanmıştır.

Sonuç:

İnsan vücudundaki organ ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek

amacıyla kullanılan metal, seramik, polimer ve bunların kompozitlerinden oluşan

biyomalzemeler, tıp ve diş hekimliğinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu

malzemelerde en önemli özellik biyouyumluluk olup, kendisini çevreleyen dokularda

istenmeyen tepkiler oluşturmadan işlevlerini yerine getirmeleridir.

Biyolojik sistemlerle uyumlu çalışabilecek yeni malzemelerin geliştirilmesi için araştırmalar

devam etmekte ve gün geçtikçe önemi ve uygulama alanı artan biyouyumlu malzemeler,

vücudun kendini yenileme kapasitesini kullanacak veya artıracak yönde gelişmektir. Doğal

dokuların yeniden yapılanmasını sağlayacak biyomalzemeler, protezlerin kullanım süresini

artırılabilecektir. Sonuç olarak; biyomimetik metot ile metal yüzeyinin HA kaplanması,

plazma ve diğer metotlarla karşılaştırıldığında fiyat ve kolay üretiminden dolayı, ince ve

dirençli biyoaktif tabakanın, gözenekli yapılar ve vidalarda dahil olmak üzere implantın yüzey

morfolojisini değiştirmemesinden dolayı, bütün implantlara uygulanabileceğini söyleyebiliriz.

KAYNAKÇA:

1. Ti6Al4V Tip Malzeme Yüzeyine Biyouyumlu Hidroksiapatit Kaplanması ve Özelliklerinin İncelenmesi,A. Pasinli, Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, Makine Programı, Bornova.

2. Araş. Gör. - Res. Asst. Funda Ak Azem, Prof. Dr. Ahmet Çakır,Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İzmir, 316L paslanmaz çelik altlıkların üzerine sol-jel tekniği ile amonyak takviyeli çözelti kullanarak hidroksiapatit (HAP) kaplanması.

3. http://www.makineihtisas.com/Teknik-Yazi_.aspx.