Biyoaktif metalik implantların üretimi
Production of bioactive metallic implants
Yazar: HASRET TOLGA ŞİRİN
Danışman: PROF. DR. ERHAN BİŞKİN ; PROF. DR. TÜLİN KUTSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı, ortopedide ve plastik cerrahide çok sık kullanılan metalik implantların başında gelen Titanyum ve alaşımlarının model kullanarak yüzey özelliklerini değiştirip, osteointegrasyonu arttırmak ve kemik dokusu ile implant arasındaki bağı kuvvetlendirecek bir yöntem geliştirmektedir. Amaca yönelik yöntemler arasında uygulaması kolay, ucuz ve yüzey özelliklerinin istenilen şekilde ayarlanabildiği anodik oksidasyon yöntemi seçilmiştir. Bu yöntem ile yüzey üzerinde farklı boyutlarda nanotüp yapılar üretilebilmektedir. Son yıllarda yapılan bazı çalışmalarda, bu nanotüp yüzeyler ile yapılan hücre çalışmalarında hücrelerin, konvansiyonel düz yüzeylere göre daha fazla bağlanma, çoğalma, alkalen fosfataz (ALP) aktivitesi ve kemik hücresi üretimi sağladıkları gösterilmiştir. Tez çalışması kapsamında ticari olarak mevcut çeşitli kalınlıkta saf titanyum plaklar ve çiviler kullanılmıştır. Anodizasyon yöntemi ile farklı elektrolit çözeltileri kullanılarak, farklı voltaj ve sürelerde yüzeye nanometre boyutunda yapılar oluşturulmuştur. Yüzeyleri Anodizasyon yöntemi ile modifiye edilmiş saf titanyum plaklar, yüzey özellikleri, yüzeye protein tutunması, sitotoksisiteleri, in-vitro ve in-vivo hücre tutunması özellikleri açısından değerlendirilmiştir.Çalışmanın ilk kısmında ticari olarak kullanılan Titanyum implantların modeli olacak saf titanyum örnekler hazırlanmıştır. Örnekler literatürle paralel biçimde seçilen elektrolitler içerisinde değişik voltaj ve zamanlarda anotlanmış ve yüzeylerinde nano yapıların oluştuğu gözlenmiştir. Elektrolit çözeltisi olarak seçilen hidroflorik asit (HF) çözeltisi (%1 w/w) ile anodizasyon sonucunda titanyum yüzeylerde 40-65 nm çapında nanotüp yapılar oluştuğu gözlenmiştir. Oluşturulan nanotüplerin karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier Transformu İnfrared Spektroskopisi- Atenüe Total Reflektans Spektroskopisi (FTIR-ATR) ve su temas açısı (STA) analizleri ile yapılmıştır.Çalışmanın ikinci kısmında farklı elektroliz çözeltilerinde uygulanan anodizasyon sonucunda yüzeylerin sitotoksisite değerleri L929 fare fibroblast benzeri hücreler kullanılarak ölçülmüştür. Hücre canlılığını en fazla koruyan yüzey HF elektrolit çözeltisi ile yapılan anodizasyon ile sağlanmıştır. Hayvan modeline kullanılan implantlara bu çözelti ile devam edilmeye kara verilmiştir. Belirlenen parametreler, ticari olarak bulunan Küntscher çivisi modeline ve plak modeline uygulanmıştır.Çalışmanın son kısmında implant modelleri, 21 adet Sprague-Dawley erkek ratlara implante edilmiştir. Üç farklı deney grubu oluşturulmuştur. Hazırlanan implantlar, 21 adet SD erkek ratların sol femurlarında oluşturulan kırık modelinde intramedüller ve sağ femurlarında oluşturulan defekt modelinde inlay olarak yerleştirilmiştir. 10 hafta sonunda intramedüller olarak yerleştirilmiş sol femur kemiklerine mekanik testler uygulanmış, kamalara ise histolojik inceleme yapılmıştır. Birinci grup kontrol grubu olarak saf titanyum kullanılmıştır. İkinci grup hayvanda, üzerine nanoyapılar oluşturulmuş titanyum implantlar kullanılmıştır. Üçüncü grup hayvanda ise, üzerine nanoyapılar oluşturulmuş ve bu nanoyapıların üzerine hidroksiapatit yapısındaki kalsiyum fosfat tuzları çöktürülmüş implantlar kullanılmıştır. Deney hayvanlarının sol femur kemiklerine Küntscher çivisi modeli çalışılmış, sağ femurlarına plak (kama) modeli çalışılmıştır. 10 hafta sonunda hayvanlardan çıkarılan Küntscher çivilerine tork ölçümü ve çekme olmak üzere iki farklı mekanik test uygulanmış, plaklara (kamalara) ise histolojik inceleme yapılmıştır. Tork testi sonucunda, yüzeylerinde nanotüplerin bulunduğu implantlar ve hidroksiapatit kaplı nanotüplerin bulunduğu implantlar için aynı değerde elde edilmiş olup, bu değerler kontrol grubu için elde edilen tork değerlerinden istatistiksel olarak farklıdır. Çekme testi sonucunda, implantın kemikten ayrılması için gereken güç miktarı yüzeylerinde nanotüplerin bulunduğu implantlar için en yüksek değerlerinde elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of this study, is the developement of the surface properties of titanium and its alloys that are widely used in orthopedics in order to increase osteointegration and strengthen the link between bone tissue and the implant. Among the modification techniques, anodic oxidation has been chosen since this method is easy, cheap and can be adjusted to obtain the desired surface. Nanotube structures on surfaces of different sizes can be produced with anodic oxidation method. In recent years, cell studies showed that, cells attachment, proliferation, alkaline phosphatase activity (ALP) and bone formation was improved for these surfaces compared to conventional flat surfaces. Within the scope of this thesis study, commercially available pure titanium plates and pins in various thicknesses were used. Via anodization method using different electrolyte solutions, different voltage and process times, nanometer-sized structures were formed on the surfaces. Surface modified pure titanium sheets via anodization method, were evaluated in terms of their surface properties, surface protein adhesion, cytotoxicity, in-vitro and in-vivo cell adhesion properties.In the first part of the study pure titanium samples were used as the model of commerical titanium implants. Samples were anodised in electrolytes at different voltages and times according previous studies in the literature, and nano-structures have been observed on the surfaces. After anodisation using hydrofluoric acid (HF) solution (1% w / w) as the electrolyte, 40-65 nm diameter nanotube structures have been observed on titanium surfaces. The characterization of nanotubes created on the surfaces were performed using Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy-Attenuated Total Reflectance Spectroscopy (FTIR-ATR) and water contact angle (STA) techiques.In the second part of the study, the cytotoxicity of surfaces afters anodisation process in different of electrolysis solutions was investigated using L929 mouse fibroblast-like cells. The less cytotoxic surface was found to be the surface obtained by anodisation using HF electrolyte solution. As a concequence, imlants to be used in the animal model were modified using this solution. The specified parameters were applied to commercially available Küntscher wire model and plate model.In the last part of the study, implant models were implanted to 21 male Sprague-Dawley rats. Three different experimental groups were created. In the first group pure titanium was used as the control group. The second group consisted of implants on which nanostructures were formed. The third group consisted of implants on which nanostructures were formed and hydroxyapatite was precipitated on these nanostructures. Küntscher wire model was applied on the left femurs of animals while plate (wedge) model was applied on the right femurs. After 10 weeks, torque and pull-out tests were applied to Küntscher wires as mechanical test procedure. Plates (wedge) were subjected to histological examination. Torque test values of nanostructured and hydroxyapatite precipitated implants groups were the same but both were statistically different from the control group. Pull-out test values showed that the force needed to remove the implants from bone was highest for wires with nanostructured surfaces.