Hidroksiapatit esaslı biyoseramik malzemelerin karakterizasyonu
Characteriziation of hydroxyapatite based bioceramic materials
Yazar: CEVRİYE KALKANDELEN
Danışman: PROF. DR. AYDIN AKAN ; PROF. DR. FAİK NÜZHET OKTAR
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada hidroksiapatitin sahip olduğu biyouyumluluk ve biyoaktivite özelliklerini kaybetmeden mekanik ve biyouyum özellikleri yüksek, biyoseramik kompozit sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma iki etaptan oluşmaktadır. 
1. Etap: Klinoptilolit (Cp), alümina (Al2O3) katkılı bovine hidroksiapatit (BHA) kompozitleri üretmek. Bu kompozitlerin fiziksel, mekanik ve mikroyapısal özellikleri incelenerek en yüksek mekanik özelliği olan kompoziti belirlemektir.
2. Etap: En yüksek mekanik özelliği tespit edilen kompozitin biyouyum ve elektriksel özelliklerinin incelenmesidir. 
İlk etapta dana kemiğinden elde edilen hidroksiapatite (BHA) ağ. % (5–15) arasında değişen oranlarda Cp ve Al2O3 katılarak elde edilen karışımlardan BS 7253 standardına uygun peletler üretilmiştir. Bu peletler 1000oC, 1100oC, 1200oC ve 1300oC olmak üzere dört farklı sıcaklıkta 4 saat süre ile sinterlenerek biyoseramik kompozitler elde edilmiştir. Üretilen kompozitlerin fiziksel, mekanik, mikroyapısal özelliklerin incelenmesinden 1300oC sıcaklıkta sinterlenen, ağ. % 15 Cp ve ağ. %15 Al2O3 bulunan kompozitin (yoğunluk 2.337 g/cm3, basma dayanımı 105.6 MPa, sertlik 305 HV) en yüksek mekanik dayanıma sahip olduğu tespit edilmiştir. İkinci etap çalışmaya bu kompozit ve karşılaştırmanın yapılabilmesi için katkı oranı olarak en az olan ağ. % 5 Cp ve ağ. %5 Al2O3 kompoziti de dahil edilmiştir. Ayrıca sonuçların literatür ile karşılaştırılabilmesi için ikinci etap çalışmaya saf BHA, saf ticari hidroksiapatit (CSHA) ve saf Al2O3 da dahil edilmiştir. Seçilen bu beş saf ve karışım tozlardan peletler üretilerek 1300oC sıcaklıkta 4 saat süre ile sinterlenmiştir. Peletlerden birer adedi elektriksel ölçüm için ayrılırken geri kalan peletler biyouyum incelemesinde kullanılmıştır. Bu kapsamda çalışmada gerçek hücreler (osteosarcoma, SAOS-2) kullanılarak sitotoksisite testi (MTT) ve peletlerin üzerine hücre ekimi yapılarak SEM görüntüleri alınmıştır. 
Sitotoksisite sonuçları kontrol grubu ile karşılaştırıldığında saf Al2O3'nın hücre çoğalmasını desteklemediği görülmüştür. Diğer tüm numuneler, kontrol gurubu ile karşılaştırıldığında daha yüksek hücre çoğalması sağlamıştır. En yüksek oran ağ. % 15 Cp ve ağ. %15 Al2O3 bulunan kompozitte elde edilmiştir. Bu kompozitte %15 Al2O3 bulunmasına rağmen BHA ve CSHA numunelerinden daha yüksek hücre çoğalmasının gerçekleşmiş olması Cp'nin kemik hücrelerine desteğini göstermektedir. Bu durum literatür ile de desteklenmektedir.
SEM görüntülerinde CSHA numunesinde hücre yayılımı görülmektedir. Ağ. % 15 Cp ve ağ. %15 Al2O3 bulunan kompozit numunesinde ise hücrelerin yayılımı CSHA numunesindeki kadar açık görülmemesi, kompozitin poroz yapısı nedeni ile kompozitin içine doğru yayılımı düşündürmektedir. 
Numunelerin elektriksel özellikleri 0.1Hz -10MHz aralığında incelenmiştir. Ölçüm sonuçlarına göre BHA, CSHA ve Al2O3'nın kapasite değerleri, kayıp faktörü ve dielektrik katsayısı küçük frekans değerlerinde yüksek iken, frekans arttıkça logaritmik olarak azalmaktadır. Kompozitlerde 0.1Hz'de saf malzemelere göre daha düşük değerden başlayıp benzer bir logaritmik azalma gözlenmektedir. Numuneler arasında bu özelliklerde en düşük değer, ağ. % 5 Cp ve ağ. %5 Al2O3 olan kompozitte elde edilmiştir. Numunelerin 1MHz'e kadar iletkenlik değeri 10-11 S/m'nin üzerinde iken 5MHz sonrası hızlı bir artış görülmüştür. Kompozitler, saf malzemelere göre daha yalıtkan bir özellik göstermişlerdir. Literatürde HA'nın Cp ve Al2O3 ile ikili veya üçlü kompozitinin elektriksel özelliklerine dair çalışma bulunamadığı için bu yönde bir karşılaştırma yapılamamıştır. 
Sonuç olarak hidroksiapatit esaslı biyoseramik malzemelerin karakterizasyonu kapsamında yaptığımız çalışmada en yüksek mekanik özellikler ağ. % 15 Cp ve ağ. %15 Al2O3 bulunan kompozitte elde edilmiş olup biyouyum çalışmaları bu kompozitin kemik hücresi olan osteosarcoma (SAOS-2) ile yüksek uyum gösterdiği için medikal uygulamalarda uygun biyoseramik malzeme olarak önerilebilir.

Abstract:
The aim of the study is to synthesize specific bovine hydroxyapatite (BHA) based composites with improved mechanical and biocompatibe properties. This procedure consists of two stages:
Stage 1 is such a way that one can produce Cp and Al2O3 addition for BHA composites. The physical, mechanical and microstructural properties of these composites are investigated, and the composite with the highest mechanical properties is determined.
Stage 2 is such a way that one can also investigate the biocompatibility and the electrical properties of the bioceramic composites, which are found the highest mechanical properties according to results of Stage 1.
The investigation with these two legs can be summarized as follows: The BHA was obtained from calf bone and pellets were produced according to BS 7253 standard by adding at a ratio of 5 - 15% by weight Cp and Al2O3. These pellets were sintered at four different temperatures, 1000oC, 1100oC, 1200oC and 1300oC obtained bioceramic composites. The physical, mechanical and microstructural properties of composites were investigated. It has been determined that the composite has the highest mechanical properties (density 2.337 g / cm3, compression strength 105.6 MPa, hardness 305 HV) with adding 15% by weight of Cp and 15% by weight Al2O3 sintered at 1300 °C. In order to be able to make this composite and the comparison to the second stage work, 5% by wt. Cp and 5% by wt. Al2O3 composites, were also included, which The aim of the study is to synthesize specific bovine hydroxyapatite (BHA) based composites with improved mechanical and biocompatibe properties. This procedure consists of two stages:
Stage 1 is such a way that one can produce Cp and Al2O3 addition for BHA composites. The physical, mechanical and microstructural properties of these composites are investigated, and the composite with the highest mechanical properties is determined.
Stage 2 is such a way that one can also investigate the biocompatibility and the electrical properties of the bioceramic composites, which are found the highest mechanical properties according to results of Stage 1.
The investigation with these two legs can be summarized as follows: The BHA was obtained from calf bone and pellets were produced according to BS 7253 standard by adding at a ratio of 5 - 15% by weight Cp and Al2O3. These pellets were sintered at four different temperatures, 1000oC, 1100oC, 1200oC and 1300oC obtained bioceramic composites. The physical, mechanical and microstructural properties of composites were investigated. It has been determined that the composite has the highest mechanical properties (density 2.337 g / cm3, compression strength 105.6 MPa, hardness 305 HV) with adding 15% by weight of Cp and 15% by weight Al2O3 sintered at 1300 °C. In order to be able to make this composite and the comparison to the second stage work, 5% by wt. Cp and 5% by wt. Al2O3 composites, were also included, which are the minimum addition ratio. In order to compare these results with the literature, pure BHA, pure CSHA, pure Al2O3 was also included in the second stage study. From each group pellets were produced from these five selected pure and mixed powders and sintered at 1300° C for 4 hours. The one sample in each group was separated for electrical measurement and the remaining samples were used for the biocompatibility study. The cytotoxicity test (MTT) was performed using real cells (osteosarcoma, SAOS-2) and cell proliferation was performed on pellets and SEM images were obtained.
Compared with the control group it is seen that cytotoxicity results did not support cell proliferation of pure Al2O3. The results of all other samples were higher than the control group, allowing for cell proliferation.  The highest ratio was obtained for 15 wt.% Cp and 15 wt.% Al2O3 containing composite. The fact that higher cell proliferation than BHA and CSHA samples was achieved the presence of 15 wt.% Al2O3' in the body indicates that Cp supports cell bone cells. This situation is also supported by previous studies. According to SEM images, cell proliferation is clearly visible for the CSHA specimens. In the case of composite with 15 wt.% by. Cp and 15 wt.% Al2O3, the spread of cells is not as high as seen in the case of CSHA. This situation clearly suggest that the spreading of cell may move to porosity area in the samples. Therefore, it is not clearly seen the cells on the surface of samples.