Titanyum alaşım biyomalzemelerde plazma polimerizasyon tekniği kullanılarak kemik morfogenetik protein tutuklamasının incelenmesi
Study of plasma polymeri̇zati̇on techni̇que on ti̇tani̇um alloys bi̇omateri̇al for i̇mmobi̇li̇zati̇on wi̇th bone morhogeneti̇k protei̇n
Yazar: GÜLŞAH DİCLE
Danışman: DOÇ. DR. DİLEK ÇÖKELİLER
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Ortopedi, omurga cerrahisi, ve diş hekimliği uygulamalarında vida, plak vb benzer malzemelerin üretiminde titanyum alaşım içerikli metaller tercih edilirken( mükemmel mekanik özellik, kimyasal kararlılık, biyouyumluluk vs.) bu malzemelerin, kemik hücreleri ve dokusu ile bağlanmasındaki zayıflık bir süre sonra implantın çıkmasına, kaynamamasına, kırılmasına ve buna bağlı ciddi klinik bulguların ve/ya tekrarlayan revizyon cerrahilerine neden olmaktadır. Çok sık karşılaşılan eksik kaynama  problemlerinin önüne geçilmesi, maddi olarak sarfiyat azaltma, hasta konforu vs. açısından son derece önemlidir. Bu nedenle, bel ve omurga cerrahi uygulamalarda sıklıkla kullanılan  yöntem, kemik dokusu ile olan etkileşiminin (osteointegrasyon) en üst seviyeye çıkartılması için, kemik dokusu gelişimini indukte eden proteinlerin kemik morfogenetik proteinin (rhBMP-2) kemiğe sürülmesi ve sonrasında titanyum alaşım implant malzemesinin (transpediküler vida) fikse edilmesidir. Ancak, tümüyle doğal (bu nedenle biyouyumlu) bu proteinin, toz halinde omurilik bölgesine dökülmesi, hem maliyeti artırmakta hem de kemikteki doz fazlalığından dolayı hala komplikasyonlar (heterotropik ossifikasyon, osteoliz, enflamatuar kist formasyonları vs.) oluşturmaktadır. Günümüz teknolojisinde ayrıca dinamik stabilizasyon ve perkütan enstrumantasyon teknikleri giderek yaygınlaşmaktadır. Dinamik stabilizasyonda omurgalar arası füzyon (füzyon: kemiksel birleşme ile iki omur arasındaki anormal hareketin önlenmesi) uygulanmamakta, minimal invaziv perkütan cerrahi de ise füzyon interbody füzyon şeklinde uygulanabilmektedir. Her iki cerrahide de sistemin stabilitesi açısından vida kemik integrasyonu çok önem kazanmaktadır. Ülkemizde benzer amaçla, açık cerrahide kullanılabilen hidroksiapatit kaplı vidalar mevcuttur. HA kaplamasının pahalı olması, ülkemizde yapılamaması bu tekniğin dezavantajlarıdır. Ayrıca HA ile yapılan kaplamalarda metal ve HA 'in yoğunluk farkından kaynaklı kırılma problemleminden kaynaklı implantın çıkma problemleri sıklıkla görülmektedir. Araştırmada bu problemi çözmek amacıyla, plazma polimerizasyon tekniği ile malzeme yüzeyinde uygun kimyasal gruplar olusturulması ve devamında (rhBMP-2) implant üzerine direkt tutuklanması yaklaşımı kullanılmıştır. Plazma polimerizasyon tekniğinde,  özgün monomer (sisteamin) ve yük boşalım tipi (radyo frekansI), kullanılmıştır. Ayrıca yöntemdeki işlem parametreleri (güç (W), süre (dak), monomer akış hızı (ml/dak) değiştirilerek yüzeyde meydana gelen fiziksel ve kimyasal farklılıklar, çeşitli karakterizasyon teknikleri ile tanımlanmıştır. Bu sonuçlar degerlendirilerek, nanomertebe film oluşturulmasında, akış dinamik ortaminda en kararli olan plazma polimerizasyon parametresi  seçilmiştir. Kararlılığa göre en uygun parametre güç: 30W süre: 9 dak akış hızı : 10 ml/dak' dır. Seçilen işlem koşullarında plazma polimerizasyon tekniği ile modifikasyon ve sonrasında % 2.5 v/v 'lik glutaraldehit ile aktivasyon aşamaları devamında   % 1.5 mg/ml rhBMP-2,  2 saat süreyle tutuklanmıştır. İmplant yüzeyde   (rhBMP-2) tutuklanması ile kemik dokusu gelişimini arttırdığı histolojik testlerle kanıtlanmıştır. Sonuç olarak, spinal implantların plazma polimerizasyon tekniğiyle kemik yapımını arttırıcı rhBMP-2 ile kaplanması yaklaşımı, canlı dışı (in vitro) / ve canlı içi (in vivo) ortamlarda test edilmiş ve değerlendirilmiştir.

Abstract:
Titanium is the material of choice in the production of implants used in orthopedics, spine surgery and dentistry due to its excellent mechanical properties, chemical stability and biocompatibility. The loose interaction between the implants and bone result in implant loosening, pull-out and screw breakage. Serious symptoms and probable revision surgeries can develop because of implant related problems. The acceleration of new bone development, production of new implant types and use in health area are strategically important steps. Therefore, waist and spine surgery in commonly used method, the bone tissue and the interaction (osteointegration) to maximize the level of bone tissue formation bone proteins which induce morphogenetic protein (rhBMP-2) is placed on the bone and then the titanium alloy implant material (transpedicular screws) is not fixed. However, completely natural (and therefore biocompatible) this protein spine pouring powdered, both increases the costs and due to dose excess of bone still complications (heterotopic ossification, osteolysis, inflammatory cyst formation, etc.).In the millenium, dynamic stabilisation and percutaneous instrumentation techniques have been started to be widely used. Interbody fusion is used in minimally invasive percutaneous spine surgery while no bony fusion was performed in dynamic stabilisation. New bone formation around the screw minimizes the risks of screw loosening, pull-out and screw breakage. In our country, only hydroxyapatite (HA) coated screws are available for increasing the screw bone integration. HA coating is expensive and cannot be performed in our country. Since HA coating is dependent on European countries, we planned to coat the spinal implants with recombinant bone morphogenetic protein (rhBMP) by plasma polymerisation technique.  

In order to solve this problem in the research of material surface by plasma polymerization techniques in the creation of appropriate chemical groups and continue the bone morphogenetic protein (rhBMP-2) approach is used directly on the implant immobilization. In the plasma polymerization technique, the original monomer (cysteamine) and load discharge type (radio frequency) is used. Furthermore, the method of processing parameters (power (W) time (min), monomer flow rate (ml / min) by changing the surface physical and chemical differences occurred were identified by various characterization techniques. The results are evaluated in forming nanoscale film flow at the dynamic environment stable plasma polymerization parameters were selected. Optimal parameter power by resolution: 30 W Time: 9 min flow rate: 10 ml / min . The modification by plasma polymerization technique to the selected processing conditions and after the activation (2.5% v / v, glutaraldehyde) step continued in is 2.5% mg/ml rhBMP-2 arrested for 2 hours. It is proven by histological testing the implant surface rhBMP-2 enhances bone tissue formation with the immobiliziton. As a result, spinal implants plasma polymerization coating technique with bone formation by increasing the bone morphogenetic protein (rhBMP-2) approach , outside the body (in vitro) / and  animal (in vivo) has been tested and evaluated.