ORTOPEDİDE BİYOMATERYALLER VE BİYOLOJİK YANIT

Dr.F.Levent UMURGATA HEH Ortopedi ve Travmatoloji Servisi

Takdim Planı

Genel Kavramlar Ortopedide Sık Kullanılan Biyomateryaller

ve Özellikleri Biyomateryallerin Bozunma Mekanizmaları Biyomateryallere Biyolojik Yanıt

Tanım

Vücudun zarar gören veya işlevini yitiren doku veya organının işlevlerini kısmi veya tamamen yerine getirmek üzere tasarlanmış sentetik veya işlenmiş doğal maddelerin tümüne biyomateryal denir.

Ortopedi de implant kullanım amaçları Yük iletimini ve stres dağılımını

sağlamakEklem işlevlerini yerine getirmekBoşluk doldurmakDoku rejenerasyonuna rehberlik

etmek

Biyouyumluluk

Biyomateryaller in-vivo ortamda lokal veya sistemik reaksiyona neden olmamalı

Vücut tarafından da değiştirilerek, ortadan kaldırılmamalı (yüzey uyumu)

Mekanik özellikleri kullanıldığı yerin mekanik özellikleri ile uyum sağlamalıdır. (yapısal uyum)

Biyouyumluluk

Biyoinert : Biyolojik sistemle herhangi bir tepkimeye girmezler. (Alümina (Al2O3) ve Zirkonyum)

Biyoaktif : İmplantla etrafındaki dokular arasında kimyasal bağ oluştururlar.Bağlanma, implantla doku arasındaki haraketliliği engeller, ayrıca implantın vücut tarafından dışlanmasını da engeller. (Hidroksiapatit, Biyocam, Cam-seramik ve Kompozitler)

Biyoçözünür : İmplant malzeme çözünerek kendisini çevreleyen doku tarafından emilir. (Trisodyum fosfat, Kalsiyum fosfat tuzları ve Polilaktik asit / Karbon kompozitleri)

Biyotoleran : Arada fibröz doku vardır. (Çelik, kemik çimentosu )

Biyomateryallerin Dokularla Etkileşimi

Malzeme toksikse, çevresinde doku nekrozu.

Malzeme toksik değil ve biyoinertse, değişik kalınlıklarda fibroz doku oluşur.

Malzeme toksik değil ve biyoaktifse, doku implant ara yüzeyinde bağlanma gerçekleşir.

Malzeme toksik değil fakat çözünürse, çevresindeki

doku impantın yerini alır.

Elastik Modulus (Young)

Bir materyalin yük altındaki uzama miktarıdır.

Plastik davranış Biyomateryalin yapısında geri

dönüşümsüz değişikliklerin oluşmasıdır.

Başka bir deyişle elastik davranışın bittiği noktadır.

Maddenin mekanik özellikleri basınç (stress) – gerinim ( strain ) ile tanımlanır.

Basınç: Birim yüzeye gelen kuvvet

Gerinim: Birim uygulanan kuvvete bağlı maddede deformasyon miktarı

Ductile (eğilebilir)

Bir maddenin kırılmadan plastik davranış gösterebilmesidir. (Paslanmaz Çelik)

Brittle (kırılgan)

Bir maddenin maksimum elastik davranış gösterebileceği yük miktarından fazla yük verildiğinde plastik davranış göstermeden kırılmasıdır. (Seramik)

Ductile & Brittle

Bu iki özellik maddenin ısısı değiştirilerek değiştirlebilir.

Maddenin şekli ile de ilişkilidir. Örnek çelik blok/çelik çubuk

İzotropik & Anizotropik

Bir maddeye uygulanan kuvvetin yönünden bağımsız olarak madde aynı yük/uzama eğrisi gösteriyorsa bu maddeler izotropik madde denir. (Seramik, metal)

Bazı maddelerse kuvvetin şekli ve yönü değiştiğinde farklı yük/uzama eğrileri gösterir, bu maddelere de anizotropik madde adı verilir.

İzotropik & Anizotropik

Birçok biyolojik madde anizotropik davranış gösterir.Tendon, lifleri boyunca gelen bir kuvvete

gösterdiği mukavemet ile liflerine dik gelen bir kuvvete gösterdiği mukavemet aynı değildir.

Viskoelastik davranış

Yük/uzama eğrisinde zaman boyutu: Yüklenme zamanı.

Farklı yüklenme zamanlarında farklı yük/uzama eğrileri gösteren maddelere viskoelastik madde denir.

Viskoelastik davranış

Örnek: Düşük yüklenme zamanında tendon kemiğe göre daha güçlü iken, hızlı yüklenme zamanında kemik tendondan daha güçlüdür.

Avülsiyon kırıklarını veya tendon rüptürlerini açıklayan biyomekanik yaklaşım.

Yorgunluk (fatigue)

Bir maddenin plastik deformite göstereceği yüklenme miktarının altında ancak tekrarlayan yüklenmelere maruz kalması sonrasında kırılmasına yorgunluk denir.

Yorgunluk

Öncelikle mikro çatlaklar oluşur.

Bu çatlaklar giderek ilerler. (crack propagation)

Tam kata ulaştığında madde kırılmış olur.

Stres Kalkanı Etkisi

İmplanta gelen mekanik kuvvetler ve çevredeki değişikliklere yanıt olarak kemik kütlesi ve geometrisinde değişiklikler

İmplant uygulandığı zaman kemiğin mekanik özellikleri ve sonuçta kemiğe gelen yükler değişir.

Sonuçta Adaptif kemik kaybı

ABD’de bir yılda yaklaşık 11 milyon kişiye en az bir medikal implant uygulandığı bildirilmektedir.

Biyomateryaller

Artrit Kırık tdv. Kanser tdv. Kongenital

Toplam 54.589 20.101 5.918 717

Morbidite 41.597 3.003 belirsiz

Maliyet Değerlendirmesi(Milyon dolar)

İdeal Ortopedik İmplant

Biyouyumlu Yıpranmaya dirençli Bozunmaya dirençli Toksik, allerjik, mutajenik ya da

karsinojenik etkisi olmamalı Sterilizasyon işlemlerinden

etkilenmemeli Yapısı homojen olmalı ve yeterli

dayanıklılığa sahip olmalı Kabul edilebilir fiyat/yarar oranı

Ortopedik Biyomalzemeler

Metallera. Paslanmaz çelikb. Kobalt-krom alaşımlarıc. Titanyum alaşımları

Polimerlera. Polimetilmetakrilatb. Polietilenlerc. Eriyebilen polimerler

Seramiklera. Alüminyumb. Zirkonyumc. Kalsiyum fosfat seramikler

Metalik Biomalzemeler

Sıkıca birleşmiş kristal yapıda sık kullanılan rijit implantlardır.

Saf metal kullanılmamaktadır, alaşımdır.

Kolay şekillendirilebilir, yüksek mukavemet ve aşınma direncine sahiptir.

Tensil ve kompresyon modülü yüksek, elastisite ve plastik deformasyonu kabul edilebilir oranda Ti6Al4V alaşımlar

Paslanmaz çelik (316L)

Co-Cr alaşımlar

Sterilizasyon ve implantasyon gibi çevresel faktörlere çok iyi direnç gösterir.

Biyouyumluluklarının ve korozyon dirençlerinin düşük olması, yoğunluklarının yüksek olması, dokulara göre çok sert olmaları, alerjik doku reaksiyonlarının oluşması dezavantajdır.

Paslanmaz Çelik

Metal implantlar arasında ilk kullanıma giren paslanmaz çeliktir

316L “L” , karbon içeriği düşük

Geçici implantasyonda tercih edilir

Korozyon, biyouyumluluk ve yorgunluk ömrü gibi açılardan diğer alaşımların gerisindedir.

Plak ve vidalar, çukurlaşma yarık korozyonuna yüksek oranda maruz kalır

Kobalt Alaşımlar

Kobalt alaşımları korozyona paslanmaz çelikten daha dirençlidir.

Yorgunluk dayanımları ve elastik modülleri paslanmaz çelik ve titanyumdan daha yüksektir.

Sert olmaları işlenmelerini zorlaştırır.

Titanyum Alaşımlar

Ti-6Al-4V Korozyona dirençleri mükemmeldir Elastik modülleri diğer metallerden

daha düşüktür

(kemiğinkinin 5-7 katı)

Stres Kalkanı Titanyum alaşımları , dayanıklı ve hafif

oluşları nedeniyle eklem protezleri yapımında kullanılırken, yüksek sürtünme katsayıları nedeniyle eklem yüzeyleri için ideal değildirler

Tantalyum

Son 20 yılda giderek artan kullanım alanı

Poroz yüzey kaplamaları, kemik-protez bileşkeleri (TKA, TDA)

Trabeküler yapı sayesinde protez-kemik tutunma oranı

Polimerler

Monomer adı verilen binlerce küçük yapısal üniteden oluşmuş makromoleküllerdir. (karbon, hidrojen,

oksijen, nitrojen ) Polimerlerin, sert, yumuşak, hidrofilik,

hidrofobik, esnek, gözenekli,gözeneksiz gibi çeşitli yapılarda olması değişik organlar ile uyum sağlayabilmesini kolaylaştırır.

Komplike malzemeleri üretmek kolaydır.

Biyoçözünürlük özelliği vardır

Polimetilmetakrilat (PMMA) Kemik Çimentosu

Protez kompenentlerini kemiğe fikse etmek için kullanılır.

Kemiğe yakın elastik modülü ile, kemik ve bu kompenentler arasındaki kısmı doldurur ve proteze ulaşan kuvvetlerin protez yüzeylerinden kemik yüzeylerine aktarılmasını sağlar.

Kemik çimentosu kompresyona karşı oldukça dayanıklı iken gerilime ve makaslama kuvvetlerine karşı dayanıksızdır

Çok Yüksek Molekül Ağırlıklı (UHMW) Polietilen

Yük binen yüzeylerde metal veya seramikler ile eklemleşmek üzere kullanılır.

Metal veya seramiklerle karşı karşıya kullanılması durumunda metal-metal eklemleşmesine göre çok daha düşük bir sürtünme katsayısı sağlanmaktadır

Kemik ve kıkırdağınkine yakın olan elastik modülü nedeniyle şok yüklenmeler esnasında bu şoku azaltıcı bir rol oynar.

Biyoçözünür Polimerler

Polilaktik asid polimerleri (PLA)

Poliglikolik asid polimerleri (PGA)

• Kırık fiksasyonunda

• Kemik defekt doldurulmasında

Yük taşıma özelliği yok

• Antibiyotik ve büyüme faktörü taşıtılabilir

• Rezorpsiyon ikinci cerrahi girişim gerekliliğini ortadan kaldırır

Seramikler

•Slika ve alumina gibi metal ve metal olmayan elementlerden oluşmuştur•İnert ya da biyoaktif malzemelerdir.•Porous yapıda biyoaktif seramik materyaller mukavemeti oldukça düşüktür•Biyouyumlulukları, korozyona ve aşınmaya karşı direnci yüksektir. •Kırılgan olmaları, işlenmelerinin zor olması, esnek olmamaları en önemli dezavantajlarıdır.

Alumina Calcium phosphate (apatite)Zirkonya Calcium carbonate

Alümina (Al2O3)

Biyoinert olduğu için biyouyumluluğu mükemmeldir. Yüksek aşınma direncine ve düşük sürtünme katsayısı Mukavemet, yorulma ve tokluk gibi özellikleri tane

büyüklüğüne ve sinterlenme derecesine bağlı. Elastik modülünün kemiğin elastik modülünden daha

yüksek olması problemler yaratmaktadır. Özellikle kalça protezlerinde kullanılmaktadır.

Zirkonya (ZrO2)

Biyoinerttir, düşük sürtünme katsayısına ve yüksek aşınma direncine sahiptir.

Gerilme dayanımının zamanla azalması, potansiyel radyoaktif elementler içermesi ve kaplama özelliklerinin düşük olması dezavantajlarıdır.

Elastik modülü alüminanınkinden daha düşük, mukavemeti ve tokluğu daha yüksektir.

Özellikle femur başlarında kullanılmaktadır.

Kalsiyum Fosfat Seramikleri

Tetrakalsiyum fosfat, Ca4P2O9, Amorf kalsiyum fosfatTrikalsiyum fosfat, (TCP), Ca3(PO4)2, Hidroksiapatit, (HA), Ca5(PO4)3OH

Gözenekli yapıdadır Kemik oluşumu için yapı iskelesi olarak

kullanılmaktadır.( Yapay kemik) Metalik implantlar üzerinde kaplama

olarak kullanılmaktadır. Değişen hızlarda biyolojik olarak

bozunurlar. Kararlılıkları sıcaklığa ve bulunduğu

ortama bağlıdır.

Çözünebilirlik

Biyomateryallerin Bozulması

Yıpranma (corrosion) Bozunma (degradation) Aşınma (wear ) Mekanik yüklenme Kombine etki

Yıpranma (korozyon)

İmplant yüzeyinde hasar ( implant gücünde azalma) Ortama yıpranma ürünlerinin salınımı

Vücut ortamında tuzlu çözeltide çözünme

1. Galvanik yıpranma (elektrokimyasal potansiyel)

1. Sürtünme (fretting ) yıpranması

2. Çatlak-çukur (crevice) yıpranması

Bozunma (degradation)

Vücuttaki yıpratıcı kimyasal ortama bağlı görülen değişik tip bir korozyon biçimidir.

Malzeme sahip olduğu özellikleri yitirir.

Polietilen oksidatif bozunma:İmplantta yorgunluk tipi aşınma mekanizmalarına duyarlılık artar

Aşınma (wear)

Aşınma maddenin bir

yüzeyden ayrılmasıdır

Yapışma aşınması Bilenme aşınması Yorgunluk aşınması

Biyomateryale Biyolojik Yanıt Hasarlanma Akut inflamasyon Granulasyon dokusu Yabancı cisim reaksiyonu Fibrozis

Biyomalzemeye bağlı osteolitik veya adaptif dizin

Hücresel yanıt

Yabancı cisimdev hücreleri,Makrofajlar,FibroblastlarEndotel hücreleri Makrofaj

birikimi

Kemokinler

Ağ metaloproteinazlarıstromiyelazin ve kollagenaz’ın artışı

İnflamasyon

Osteoklast

Osteoklastöncülütek çekirdeklihücreler

Partikül hareketi -Kan-Lenf-Dalak-Karaciğer

Batın içi organlar

Sarkom ?

Granülom

İmplant çevresi kemikterezorpsiyon

PNL aktivasyonu sonrası spesifik inflamatuar yanıt

Biyomateryalin yüzey kimyası ve

Absorbe ettiği proteinin reaksiyon

özelliği yanıtı spesifikleştirir

Yanıtın şiddetini nötrofil ve diğer

lökositlerin protein tabakaya adhezyonu belirler

Adhezyon sonrası; fagositoz, oksidatif parçalama, proteaz

salınımı ile süreç devam eder

Lokal Erken Yanıt

Lokal erken yanıt

Biyomateryal kan ile temas ettiğinde;

Ekstrasellüler proteinler biyomateryal yüzeyine yapışır. Trombositler birkaç saniye içinde proteinli yüzeye gelir ve mediatörlerini salgılar

Polimorf nüveli lökositler (PNL)

10 dk içinde toplanır

PNL aktivasyonu 30 dk da başlar

İnterlökin-1 (IL-1) İnterlökin-6 (IL-6) Tümör nekrosis faktör- (TNF- ) Prostaglandin E2 Bazı kemokinler

MCP-1 (Monosit Kemotaktik Protein) MIP-1Makrofaj İnflamatuvar Protein) RANTES (regulated upon activation, normal T

cell expressed and secreted )

Parçacıkların çevresindemakrofaj birikmesi

İnflamasyon

Toplumda metale dermal duyarlılık % 10-15

Tip 1 Tip 2 Tip 3 Tip 4 ( hücresel, günler içerisinde )

Ortopedik implantlara karşı en sık olandır

Antijen T lenfosit makrofaj Sentizizasyonu aktivasyonu

Duyarlılık ve İmmun Yanıt

Osteolitik Süreç

İmplant çevresi kemik rezorpsiyonu

Aşınma partiküllerinin oluşumu Lokalize antienflamatuar yanıt Fibröz doku oluşumu Granulasyon dokusu

Makrofaj Fibroblast lenfosit

İmplant çevresi osteoliz İmplant yetmezliği

İmplant Debrisine Yanıt

Mikropartiküllerin çoğu 5 µm’den küçüktür.

Bu partikülün büyüklüğüne Şekline İçeriğine Elektrik yüküne Sayısına

göre hücresel yanıt farklı olur.

0,2-10 µm partiküller makrofajlar tarafında fagosite edilir sonuçta enflamatuar sitokinler artar (TNF, IL, PGE, Metalloproteinazlar) bu süreçte osteoklastlar aktive olur

Metal Salınımı

Titanyum partiküllerine bağlı visseral granülomatoz

Titanyum ve krom’un serum ve idrardaki yoğunlukları normal işlev gören protezli hastalarda bile topluma göre daha yüksek bulunmuştur.

Jacobs ve ark. J Bone Joint Surg80-A:1447-1458, 1998

K.Ciğer Dalak Lenf düğümü

Urban ve ark. J Bone Joint Surg82-A:457-477, 2000

makrofajlar

granülom

13/38

Metal parçacıklara bağlı sistemik yan etkiler

Ortopedik İmplant Başarısı

Hastanın durumu/doğru implant seçimi

Cerrahın teknik becerisi

İmplantın biyouyumluluğu

İmplantın mekanik özellikleri

Aşınma/bozunmaya direnç

TEŞEKKÜR EDERİM