Bor, çinko, magnezyum ve kalsiyum içeren biyoaktif seramik tozların akrilik kemik çimentosunun ısıl ve mekanik özelliklerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of bioactive ceramic powders including boron, zinc, magnesium and calsium on the thermal and mechanical properties of acrylic bone cement
Yazar: FERYAL SUNAR
Danışman: DOÇ. DR. SELİS ÖNEL KAYRAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Akrilik kemik çimentoları toz ve sıvı fazdan oluşan iki bileşenli bir sistemdir. Ortopedik
cerrahide protez fiksasyonunu sağlamak amacıyla sıklıkla kullanılmaktadır. Kemik
çimentosunun toz ve sıvı bileşenleri karıştırıldıktan sonra oluşan hamurumsu karışım kendi
kendine kürlenebilen bir yapıya sahiptir. Toz bileşendeki benzoil peroksit ile sıvı bileşendeki
n,n-dimetilpara-toluidinin tepkimesi sonucu meydana gelen benzoil radikalleri, metil
metakrilatın polimerleşme sürecini başlatır. Polimerizasyon tepkimesi ekzotermiktir ve yüksek
miktarda ısı açığa çıkmaktadır. Oluşan bu ısı çevredeki sağlıklı kemik dokuya zarar verir.
Protezlerdeki aseptik gevşemenin en büyük nedenlerinden biri kemik dokunun ısıl nekroza
uğramasıdır. Bir diğer neden kemik çimentolarının düşük mekanik dayanımıdır.
Bu çalışmada standart viskoziteye sahip bir akrilik kemik çimentosuna bor, magnezyum,
kalsiyum gibi kemik oluşumu ve onarımında etkili olduğu bilinen minerallerden oluşan seramik
tozlar eklenerek kompozit bir malzeme oluşturulması ve bu yolla polimerizasyon sıcaklığının
düşürülmesi ve mekanik dayanımın arttırılması hedeflenmiştir. Yerli erişimi kolay ve düşük
maliyetli olması sebebi ile borik asit (H3BO3), çinko borat (2ZnO.3B2O3.3,5H2O), magnezyum
oksit (MgO) ve trikalsiyum fosfat (Ca3(PO4)2) tozları tercih edilmiştir.
Seramik tozlar akrilik kemik çimentosunun toz bileşenine farklı miktar ve partikül boyutlarında
tekli (unimodal) ve ikili (bimodal) olarak eklenmiştir. Oluşturulan kompozit kemik
çimentolarına sıcaklık ölçümü, basma testi ve eğilme testi uygulanmıştır. Kemik çimentosunun
polimerizasyon sıcaklığını düşürmede trikalsiyum fosfatın ve mekanik dayanımı arttırmada
çinko boratın en etkili olduğu tespit edilmiştir. Bu iki malzemenin kemik çimentosuna farklı
oranlarda birlikte eklenerek ısıl ve mekanik açıdan sinerjik etkisi araştırılmıştır. Kemik
çimentosuna ağırlıkça %5 oranında ve partikül boyutu 30 mikrondan küçük çinko borat ve
ağırlıkça %5 oranında ve partikül boyutu 88 mikrondan büyük trikalsiyum fosfat karıştırılması
ile en düşük polimerizasyon sıcaklığı 63°C±3 elde edilmiştir ve kontrol grubu kemik
çimentosunun polimerizasyon sonucu ulaştığı sıcaklıktan yaklaşık 31,9 °C daha düşüktür. En
yüksek mekanik dayanıma, ağırlıkça %1 oranında ve partikül boyutu 30 mikrondan küçük
çinko borat ve ağırlıkça %5 oranında ve partikül boyutu 88 mikrondan büyük trikalsiyum fosfat
karıştırılan kemik çimentosu ulaşmıştır. Eğilme modülü 3370,5±331,5 MPa, eğilme dayanımı
61,03±10,4 MPa ve basma dayanımı 116,3±16,45 MPa olarak kaydedilmiştir ve kontrol grubu
kemik çimentosundan daha dayanıklıdır. Sonuç olarak bu çalışmada trikalsiyum fosfat ve çinko
borat eklenen kemik çimentosunun polimerizasyon sıcaklığının düştüğü ve mekanik
dayanımının önemli ölçüde arttığı raporlanmıştır.

Abstract:
Acrylic bone cements are a two-component system consisting of powder and liquid phase. It is
frequently used in orthopedic surgery to provide prosthesis fixation. The paste-like mixture
formed after mixing the powder and liquid components of bone cement has a self-curing
structure. Benzoyl radicals formed as a result of the reaction of benzoyl peroxide in the powder
component and n,n dimethyl para-toluidine in the liquid component initiate the polymerization
reaction of methyl methacrylate. The polymerization reaction is exothermic and a large amount
of heat is released. This resulting heat damages the surrounding healthy bone tissue. One of the
biggest causes of aseptic loosening in prostheses is thermal necrosis of bone tissue. Another
reason is the low mechanical strength of bone cements.
In this study, it was aimed to create a composite material by adding ceramic powders consisting
of minerals known to be effective in bone formation and repair, such as boron, magnesium and
calcium, to an acrylic bone cement with standard viscosity, thus reducing the polymerization
temperature and increasing mechanical strength. Boric acid (H3BO3), zinc borate
(2ZnO.3B2O3.3,5H2O), magnesium oxide (MgO) and tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2)
powders were preferred due to their easy local access and low cost.
Ceramic powders were added to the powder component of acrylic bone cement in different
amounts and particle sizes in single (unimodal) and binary (bimodal) forms. Temperature
measurement, compression test and bending test were applied to the created composite bone
cements. It has been determined that tricalcium phosphate is most effective in reducing the
polymerization temperature of bone cement and zinc borate in increasing mechanical strength.
The thermal and mechanical synergistic effects of these two materials were investigated by
adding them to bone cement at different rates. By mixing 5% by weight of zinc borate with a
particle size of less than 30 microns and 5% by weight of tricalcium phosphate with a particle
size of more than 88 microns into the bone cement, the lowest polymerization temperature was
63°C±3 and the temperature reached by the control group bone cement as a result of
polymerization was 31.9°C lower. The highest mechanical strength was achieved by bone
cement mixed with 1% by weight of zinc borate with a particle size of less than 30 microns and
5% by weight of tricalcium phosphate with a particle size of more than 88 microns. The flexural
modulus was recorded as 3370.5±331,5 MPa, the flexural strength as 61.03±10,4 MPa and the
compressive strength as 116.3±16,45 MPa, making it more durable than the control group bone
cement. As a result, it was reported in this study that the polymerization temperature of bone
cement added with tricalcium phosphate and zinc borate decreased and its mechanical strength
increased significantly.