Ortopedide alternatif kemik biyo-greftlerinin üretimi ve in vivo/in vitro biyouyumluluk -biyomekanik analizleri

Mühendisliğin, özellikle de malzeme, makine ve kimya mühendisliklerinin tıp biliminde kullanımı ile başlayan gelişmeler ve uygulamalar, biyomalzemelerde pek çok yeniliği de beraberinde getirmiştir. Yeni nesil biyomalzemeler, vücuttaki fonksiyonel dokuların tamir ve değişimine imkân vermektedir. Özellikle kemiğin ana bileşen malzemesi olarak kalsiyum fosfat esaslı hidroksiapatit, biyouyumluluğu nedeniyle canlı vücutda deforme olmuş sert doku (kemik) onarımında, kemik-implant integrasyonunu iyileştirilmesinde ve kaplama malzemesi olarak kullanılmaktadır. Kemik dokusunun bazı özellikleri hidroksiapatitin mekanik özelliklerine benzer olduğu için hidroksiapatit esaslı kemiğin kimyasal yapısına benzer greftler üretilerek, mukavemet özellikleri iyileştirilmeye çalışılmaktadır. Bir biyomalzemeden beklenen özellikler, biyofonksiyonellik, biyouyumluluk ve mekanik özelliklerin yanı sıra, gözenekli yapıda üretilebilmesi, hafif olması ve hücresel beslenme kabiliyeti olarak sınıflandırılabilir. Yapay greft malzemeler, sahip oldukları bu özelliklerden dolayı ayrı bir önem kazanmaktadır.Bu çalışma 4 ana gruba ayrılmıştır. I. grupta kemiğin esas bileşen malzemesi olan hidroksiapatiti (HA), ticari HA'den daha ekonomik olarak üretmek için Ca(OH)2 ve fosforik asit kullanılmıştır. Hazırlanan greft süspansiyonlarının pH'larının jelleşme, sinterleme ve mekanik özellikler üzerine etkilerini incelemek amacıyla farklı pH'larda jel greftler üretilmiş ve pH'ın üretilen greftler üzerinde mekanik ve morfolojik etkileri incelenmiştir. Bunun için pH değeri 12 olan greft süspansiyonuna NH4OH tampon çözeltisi ilave edilerek pH değeri 5, 7, 9 olarak değiştirilmiş ve pH farkının kemik grefti üzerine etkileri incelenmiştir. II. grupta CaO, KH2PO4, P2O5, Na2CO3 gibi katkı malzemeleri içeren HA'i bileşenlerine ayırmadan, sinterlenebilirliği, biyoaktifliği ve biyouyumluluğu arttıran hidroksiapatit (HA) seramikler üretilmiştir. Sinterlenebilirliği arttırmak için ilave edilen malzemeler, sert doku ve biyoaktif camların (CaO) mineral bileşenlerinden seçilmiştir. Faz diyagramları araştırıldıktan sonra, HA'e ilave edilen malzemeler (CaO-P2O5 gibi), fizikokimyasal özelliklerine göre seçilmiştir.Sol-jel yöntemiyle üretilen greftlerin, hasarlı canlı kemiğin onarımı üzerine etkilerini incelemek için Yeni Zelanda tavşanları kullanılarak in vivo deneyleri yapılmıştır. III. grupta üretilen greftlerde ise farklı oranlarda ve tane boyutlarında öğütülen sübye kemiği (cuttle fish), lületaşı (sepiyolite) ve yumurta kabuğu (eggs shell) tozu ilave edilerek elde edilen doğal greft ürünlerin sinterlenebilirlik, morfolojik ve mekanik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. IV. grupta, üretilen poroz greft malzemelerde porozitenin etkilerini incelemek için; HA, lületaşı, sübye kemiği ve biocam esaslı CaO, KH2PO4, P2O5, Na2CO3 ve jelatin içerikli alternatif biyo-greftler yine sol-jel yöntemiyle üretilmiştir. Böylece poroz olarak üretilen kemik greftlerinin biyouyumluluk, morfolojik ve biyomekanik özellikleri incelenmiş ve II ve III. gruptaki alternatif biyo-greftlerle karşılaştırılmıştır. Daha sonra sinterlenebilirliği arttırmak için HA'e ilave edilen katkı malzemelerinin alternatif biyo-greftlerin kimyasal özellikleri ve faz dönüşümlerine etkilerini incelemek için XRD ve FTIR analizleri ve yapısal morfolojilerindeki değişimi göstermek amacıyla SEM analizleri yapılmıştır. Ca/P oranı 1,67 olacak şekilde ilave edilen sinter malzemelerinin HA'nin densifikasyonuna, faz kompozisyonuna, tane büyümesine ve kırılma davranışına etkileri incelenmiştir. I ve II. grupta üretilen biyo-greftlerin biyouyumluluk ve toksik etkilerini incelemek amacıyla in vivo ve in vitro deneyleri yapılmış ve üretilen biyo-greftler ticari greft ve kontrol grubuyla kıyaslanmıştır.Yapılan incelemeler sonucu, I. grupta Ca(NO3)2.4H2O ve fosforik asit kullanılarak HA üretildiği FTIR ve XRD sonuçlarında görülmektedir. Ayrıca ürettiğimiz HA sentez biyo-greftinin pH değeri 5 ile 12 arasında bir değer olacak şekilde değiştirildiğinde, pH farklılığının greftin morfolojik ve mekanik özelliklerini değiştirdiği gözlenmiştir. pH değeri düştükçe greftin sinterlenebilirliğinin arttığı taneler arasındaki boşlukların azaldığı ve pH değeri 5 olduğunda ise taneler arasında hiçbir boşluğun oluşmadığı gözlenmiştir. Fakat pH değerinin düşmesi sonucu greftin gevrekliğinin arttığı ve mekanik özelliklerin düştüğü belirlenmiştir. II. grupta; HA'e ilave edilen KH2PO4'ün HA in densifikasyonunu arttırmadığı, fakat Na2CO3'ın HA'in densifikasyonunu önemli derecede arttırdığı görülmüştür. Ayrıca HA'e ilave edilen Yttria bileşiğinin HA'in sertliğini ve basma dayanımını arttırdığı tespit edilmiştir. I ve II. grup ile yapılan in vivo ve in vitro deneyleri sonucu, defektleri doldurmak için kullanılan biyo-greftlerin kontrol grubuna göre kemiklerin iyileşmesini hızlandırdığı belirlenmiştir. Sol-jel yöntemiyle ürettiğimiz HA sentez biyo-greftinin in vivo ve in vitro deney sonuçlarının ticari grefte yakın olduğu, fakat HA'e ilave ettiğimiz CaO ve Yttria gibi bileşiklerin kemik defekt onarımını arttırdığı ve ürettiğimiz hiçbir biyo-greftin toksit etki göstermediği tespit edilmiştir. III. grupta HA'e farklı oranlarda sübye kemiği, lületaşı ve yumurta kabuğu gibi doğal ürünlerin ilave edilmesi sonucu üretilen biyo-greftlerin genel olarak jelleşebilirlik, sinterlenebilirlik ve mekanik özelliklerinin arttığı görülmüştür. IV. grupta HA, sübye kemiği ve lületaşı esaslı biyo-greftlere farklı oranlarda jelatin ilave edilerek poroz yapı elde edilmeye çalışılmış ve bu poroz yapının greftin mekanik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Sonuçta, poroz yapının elde edildiği ve genel olarak jelatin miktarı arttıkça por miktarı ve çapının arttığı gözlenmiştir. Ayrıca por miktarı arttıkça basma ve sertlik dayanımlarının düştüğü gözlenmiştir.