ORTOPEDİDE BİYOMATERYALLER VE BİYOLOJİK YANIT

1. ORTOPEDİDE BİYOMATERYALLER VE BİYOLOJİK YANIT Dr.F.Levent UMUR GATA HEH Ortopedi ve Travmatoloji Servisi

2. Takdim Planı • Genel Kavramlar • Ortopedide Sık Kullanılan Biyomateryaller ve Özellikleri • Biyomateryallerin Bozunma Mekanizmaları • Biyomateryallere Biyolojik Yanıt

3. 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.

4. Ortopedi de implant kullanım amaçları • Yük iletimini ve stres dağılımını sağlamak • Eklem işlevlerini yerine getirmek • Boşluk doldurmak • Doku rejenerasyonuna rehberlik etmek

6. 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)

7. 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 )

8. 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.

9. Elastik Modulus (Young) • Bir materyalin yük altındaki uzama miktarıdır.

10. Plastik davranış • Biyomateryalin yapısında geri dönüşümsüz değişikliklerin oluşmasıdır. • Başka bir deyişle elastik davranışın bittiği noktadır.

11. Maddenin mekanik özellikleri basınç (stress) – gerinim ( strain ) ile tanımlanır. • Basınç: Birim yüzeye gelen kuvvet Gerinim: Birim uygulanan kuvvete bağlı maddede deformasyon miktarı

13. Ductile (eğilebilir) • Bir maddenin kırılmadan plastik davranış gösterebilmesidir. (Paslanmaz Çelik)

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

15. Ductile & Brittle • Bu iki özellik maddenin ısısı değiştirilerek değiştirlebilir. • Maddenin şekli ile de ilişkilidir. • Örnek çelik blok/çelik çubuk

16. 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.

17. 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.

18. Viskoelastik davranış • Yük/uzama eğrisinde zaman boyutu: Yüklenme zamanı. • Farklı yüklenme zamanlarında farklı yük/uzama eğrileri gösteren maddelere viskoelastik madde denir.

19. 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.

20. Yorgunluk (fatigue) • Bir maddenin plastik deformite göstereceği yüklenme miktarının altında ancak tekrarlayan yüklenmelere maruz kalması sonrasında kırılmasına yorgunluk denir.

21. Yorgunluk • Öncelikle mikro çatlaklar oluşur. • Bu çatlaklar giderek ilerler. (crack propagation) • Tam kata ulaştığında madde kırılmış olur.

22. 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

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

24. Maliyet Değerlendirmesi(Milyondolar) Artrit Kırık tdv. Kanser tdv. Kongenital Toplam 54.589 20.101 5.918 717 Morbidite41.597 3.003 belirsiz

25. 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

26. Ortopedik Biyomalzemeler • Metaller a. Paslanmaz çelik b. Kobalt-krom alaşımları c. Titanyum alaşımları • Polimerler a. Polimetilmetakrilat b. Polietilenler c. Eriyebilen polimerler • Seramikler a. Alüminyum b. Zirkonyum c. Kalsiyum fosfat seramikler

27. Metalik Biomalzemeler Paslanmaz çelik (316L) Co-Cr alaşımlar Ti6Al4V alaşımlar 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

28. 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.

29. 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

30. Kobalt Alaşımlar Kobalt alaşımları korozyona paslanmaz çelikten daha dirençlidir. Yorgunluk dayanımları ve elastik modülleri paslanmaz çelik ve titanyumdan daha yüksektir. Sert olmaları işlenmelerini zorlaştırır.

31. 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

32. Tantalyum • Son 20 yılda giderek artan kullanım alanı • Poroz yüzey kaplamaları, kemik-protez bileşkeleri (TKA, TDA) • Trabeküler yapı sayesinde protez-kemik tutunma oranı

33. 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

34. 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

35. 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.

36. 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

37. Seramikler AluminaCalcium phosphate (apatite) Zirkonya Calcium carbonate • Slika ve alumina gibi metal ve metal olmayan elementlerden oluşmuştur • İnert ya da biyoaktif malzemelerdir. • Porous yapıda biyoaktif seramik materyallermukavemeti oldukça düşüktür • Biyouyumlulukları, korozyona ve aşınmaya karşı direnci yüksektir. • Kırılgan olmaları, işlenmelerinin zor olması, esnek olmamaları en önemli dezavantajlarıdır.

38. 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.

39. 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.

40. Kalsiyum Fosfat Seramikleri Tetrakalsiyum fosfat, Ca4P2O9, Amorf kalsiyum fosfat Trikalsiyum 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

41. Biyomateryallerin Bozulması Yıpranma (corrosion) Bozunma (degradation) Aşınma (wear ) Mekanik yüklenme Kombine etki

42. Yıpranma (korozyon) Vücut ortamında tuzlu çözeltide çözünme Galvanik yıpranma (elektrokimyasal potansiyel) Sürtünme (fretting ) yıpranması Çatlak-çukur (crevice) yıpranması İmplant yüzeyinde hasar ( implant gücünde azalma) Ortama yıpranma ürünlerinin salınımı

43. Bozunma (degradation) • Malzeme sahip olduğu özellikleri yitirir. • Polietilen oksidatif bozunma: İmplantta yorgunluk tipi aşınma mekanizmalarına duyarlılık artar • Vücuttaki yıpratıcı kimyasal ortama bağlı görülen değişik tip bir korozyon biçimidir.

44. Aşınma (wear) Aşınma maddenin bir yüzeyden ayrılmasıdır Yapışma aşınması Bilenme aşınması Yorgunluk aşınması

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

46. Biyomalzemeye bağlı osteolitik veya adaptif dizin İmplant çevresi kemikte rezorpsiyon Hücresel yanıt Yabancı cisim dev hücreleri, Makrofajlar, Fibroblastlar Endotel hücreleri Osteoklast Makrofaj birikimi Osteoklast öncülü tek çekirdekli hücreler Kemokinler • Partikül hareketi • Kan • Lenf • Dalak • Karaciğer İnflamasyon Ağ metaloproteinazları stromiyelazin ve kollagenaz’ın artışı Batın içi organlar Granülom Sarkom ?

47. Lokal Erken Yanıt 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

48. 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

49. İnflamasyon • İnterlökin-1 (IL-1) • İnterlökin-6 (IL-6) • Tümör nekrosis faktör-a (TNF- a) • Prostaglandin E2 • Bazıkemokinler • MCP-1 (Monosit Kemotaktik Protein) • MIP-1a (Makrofaj İnflamatuvar Protein) • RANTES (regulated upon activation, normal T cell expressed and secreted ) Parçacıkların çevresinde makrofaj birikmesi

50. 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