Ortopedide alternatif kemik biyo-greftlerinin üretimi ve in vivo/in vitro biyouyumluluk -biyomekanik analizleri
The production of bone bio-grafts and in vivo/in vitro biocompatibility-bio mechanical analysis
Yazar: MEHTAP DEMİREL
Danışman: PROF. DR. BÜNYAMİN AKSAKAL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Hidroksiapatit seramik = Hydroxyapatite ceramic ; Hidroksiapatitler = Hydroxyapatites ; Kalsiyum hidroksiapatit = Calcium hydroxyapatite

Özet:
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.

Abstract:
The latest advances and applications involving adaption of medical science with materials and Bioengineering has brought about many innovations. The new generation of biomaterials now make it possible to repair and change the functional tissues of the human body. Because of the biocompatibility of Hydroxyapatite which is based on calcium phosphate, it can be used to repair cracks, deformed and broken bones. It can improve the integration of bone-implants and can be used as a coating material. Because of the similarity between the properties of bone tissue and the mechanical properties of hydroxyapatite (HA), it?s strength properties which are similar to the chemical structure of hydroxyapatite-based bone, can be used to improve the sucess of grafts. The expected properties of a biomaterial are: biocompatibility, specific mechanical properties, porisity, and to be light enough to have the ability of allowing cellular nutrition. In this respect, artificial graft materials have a major significance because of what they offer for a success in terms of biocompatibility as well as low cost.This study is divided into four main groups. In Group I: Ca(NO3)2.4H2O, phosphoric acid was used to produce more econonomical HA which is the main component of bone material derived from commercial HA. In order to examine the effects of pH on gelation, sintering and mechanical properties, gel grafts were produced at different temperatures. The mechanical and morphological effects of pH produced grafts were then studied. When the compound HA was in a gel form the pH value was changed from 12 to 5, 7, 9 by adding a NH4OH buffer solution. In Group II; HA based ceramics was fabricated by using the biocompatible inorganic chemicals e.g CaO, KH2PO4, P2O5, Na2CO3.The effects of the differences of the pH was investigated on HA. Hydroxyapatite ceramics enhances sinterability, bioactivity and biocompatibility were produced without separating the components of the HA. This included adding Na2CO3, CaO, KH2PO4, P2O5. Material additives were selected from the mineral components of hard tissue and bioactive glass (CaO) to increase sinterability. After phase diagrams were studied, the materials added to HA (such as CaO-P2O5), were chosen according to their physicochemical properties.In vivo experiments concerning grafts produced by the sol-gel method were performed using New Zealand rabbits to examine the effects on repaired or damaged bone tissue. The grafts produced in Group III were obtained by the addition of cuttle fish, sepiyolit, and egg shell powder and were granulated at different rates. The particle sizes were studied in regards to the effects on sinterability, morphological and mechanical properties. In Group IV; the alternative bio-grafts which contained HA, sepiyolit, cuttle fish and bioglass based CaO, KH2PO4, P2O5, Na2CO3 and gelatin were produced by using the sol-gel method to examine the effects of the porosity in the porous graft materials. Alternative bio-grafts were produced in Group IV and compared with bio-grafts in Groups II and III. All study produced bio-grafts were compared with commercially available graft material as well as the control group. XRD and FTIR analysis was performed in regards to the effects on chemical properties and phase transformations of the bio-grafts which was obtained by the introduction of additives to HA to increase the sinterability. SEM analyzes were used to show the changes of the structural morfological. Sintered materials were added (Ca / P ratio to be 1. 67) to study the effects of densification, phase composition, grain growth and fracture behavior of HA.As a result of the study, the results presented in Group I, FTIR, and XRD show that HA was produced by using Ca (NO3) 2.4H2O, and phosphoric acid. When the pH value was changed in the 5 to 12 range, it was noted that the pH differences changed the morphological and mechanical properties of the graft. Along with lowering the value of the acid concentration, it should be noted that the gaps between the grains decreased and showed an increase in graft sinterability. When the pH value was 5 no gaps between the grains were observed. As a result of the decrease in the pH value, it was shown that the brittleness of the graft increased and the mechanical properties decreased. KH2PO4 which was added in HA did not increase the densification of HA but Na2CO3 caused an increase in densification of HA. It was determined that the Yttria compound be added to HA to increase the hardness and compressive strength of HA. This is the result of in vivo and in vitro experiments found in Groups I and II. It was shown that the bio-grafts that were used to fill defects acceleraterated the healing of bones more than that of the control group. The results of in vivo and in vitro experiments of the bio-grafts produced with the sol-gel methods were found to be close to the commercial graft. However, by adding CaO and Yttria in HA increased the bone defect repair, and it was demonstrated from in vitro and in vivo experiment that the produced bio-grafts did not show any toxic effects. In Group III, the first time, biografts was produced by the addition of natural products into HA. Different rates of cuttle fish back bone, eggs shell and sepiolite generally increased the sinterability and so mechanical properties. In Group IV, this study attempted to obtain a porous structure by adding different amounts of gelatin into HA, cuttle fish bone and sepiyolit-based bio-gelatin. The porous structure have been obtained and was examined in regards to the effects on the mechanical properties of the graft. From SEM analysis, It was demonstrated that the amount and diameter of pores increased with the increased amount of gelatin.