ORTOPEDİDE BİYOMATERYALLER VE BİYOLOJİK YANIT Dr.F.Levent UMUR GATA 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 sağlamak Eklem işlevlerini yerine getirmek Boşluk doldurmak Doku 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

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

Maliyet Değerlendirmesi (Milyon dolar) Artrit Kırık tdv. Kanser tdv. Kongenital Toplam 54.589 20.101 5.918 717 Morbidite 41.597 3.003 belirsiz

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 25

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 26

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

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 29

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

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 31

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 33

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 34

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. 35

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 36

Seramikler Alumina Calcium phosphate (apatite) Zirkonya Calcium carbonate 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. 37

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. 38

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. 39

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 40

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

Yıpranma (korozyon) Galvanik yıpranma (elektrokimyasal potansiyel) 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 42

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 43

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

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

Biyomalzemeye bağlı osteolitik veya adaptif dizin Hücresel yanıt İmplant çevresi kemikte rezorpsiyon 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 ?

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 47

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 48

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

Duyarlılık ve İmmun Yanıt 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 50

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 51

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 52

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 Surg 80-A:1447-1458, 1998

Metal parçacıklara bağlı sistemik yan etkiler makrofajlar K.Ciğer Dalak Lenf düğümü granülom Urban ve ark. J Bone Joint Surg 82-A:457-477, 2000 13/38

Ortopedik İmplant Başarısı Hastanın durumu/doğru implant seçimi Cerrahın teknik becerisi İmplantın biyouyumluluğu İmplantın mekanik özellikleri Aşınma/bozunmaya direnç 55

TEŞEKKÜR EDERİM