Kalça eklem protezleri yapımında kullanılacak olan ultra molekül ağırlıklı polietilen  (UMAPE) yüzeylere kayganlık kazandırmak için kontrollü olarak poli(akrilik asit) (PAA) aşılanması
Controlled grafting of poly (Acrylic acid) from ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) surfaces to impart lubrication to hip implants
Yazar: AYŞE BAKAR ATICI
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN ; DR. EBRU ORAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Günümüzde total kalça protezlerinde (TKP) %80 oranında 20 yıllık kullanılabilirlik süresi elde  edilmiştir [1]. Bununla birlikte yaş ortalamasının her geçen gün artması ile birlikte gerçekleşen total eklem artroplastisi sayısının artması ve hasta yaş ortalamasının sürekli olarak azalmasından dolayı implant malzemelerin kullanım sürelerini daha da arttırmaya ihtiyaç duyulmaktadır [2]. Protez uygulamalarında revizyon nedenlerine bakıldığında bunun önemli bir kısmının (%75) aseptik gevşemeden kaynaklandığı görülmektedir [3]. Aseptik gevşemenin nedeni  zamanla  ortaya  çıkan  aşınma  ürünlerinin  oluşturduğu osteolizdir [4]. 
UMAPE implant malzemelerin aşınma problemi iyonlaştırıcı radyasyonla çapraz bağlanarak önemli ölçüde azaltılmıştır. Radyasyonla ışınlanarak çapraz bağlanan ve bu  sayede aşınma direnci arttırılan UMAPE implant malzemeler ilk olarak 1990'lı yılların sonunda klinik olarak kullanılmaya başlanmıştır ve hala klinikte kullanılan malzemeler için uygulanmaktadır. Ancak iyonlaştırıcı radyasyonun avantajlarının yanı sıra malzemenin mekanik özelliklerini (kopmadaki uzama, tokluk (toughness), süneklik (ductility) ve yorulma direnci) azaltması ve oldukça maliyetli olması gibi dezavantajları da vardır. 
Diğer bir taraftan doğal eklem yüzeyleri arasında gözlenen oldukça etkili kayganlığa ve düşük sürtünme kuvvetine şu an kullanılan yapay eklemlerde ulaşılamamıştır. Yaygın bir şekilde kullanılan metalik baş ve UMAPE arasındaki aşınma mekanizması sert temas ve deformasyondan kaynaklanmaktadır ancak daha hidrofilik bir UMAPE yüzey ile doğal eklem yüzeyleri arasındaki gibi kayganlık sağlanabilir. Bu nedenle yapay eklemlerin kullanım süresini arttırmak için uygulanabilecek bir yaklaşım yapay eklem yüzeyini doğal eklemin karakteristik yüzey özelliklerine benzetmektir [5, 6]. Yapay eklem malzemelerin yüzeylerinde yapılacak modifikasyonlarla kazandırılacak özellikler ile protez malzemelerin aşınmasına bağlı kemik erimesi problemlerinin en aza indirilebileceği düşünülmektedir. Ayrıca, yüzey kayganlığının arttırılması ile protezler üzerinde etkili olan dönme momentinin azalması sağlanabilir ve bu şekilde de aseptik gevşeme riski azaltabilir. Polimerik malzemelerin yüzey özellikleri farklı yaklaşımlar (fiziksel, kimyasal kaplama) kullanılarak modifiye edilebilir [5]. Bu yöntemler arasından yüzeyden başlatılan aşı polimerizasyon yöntemi ile yüzeye polimerlerin homojen, yüksek yoğunlukta ve kimyasal olarak bağlanması avantajlıdır. Polimerik malzemelerin yüzeyine aşılanan polimerlerin kalınlığını kontrol edebilmek için kontrollü aşı kopolimerizasyon yöntemleri kullanılmaktadır [7].
Bu tez çalışmasında amaçlanan bu yaklaşımdan yola çıkarak total kalça protezlerinin bileşenlerinden biri olan yuvaların yapımında kullanılacak olan UMAPE'e UV ile başlatılan polimerizasyonla akrilik asit aşılamaktır. Aşılanan poli(akrilik asit) ile yüzeyde tutulabilecek sinoviyal sıvı tabakası sayesinde yüzeye kayganlık kazandırılabileceği ve sürtünme kuvvetinin en aza indirilebileceği öngörülmektedir. UMAPE yüzeylere geleneksel radikal polimerizasyonu ve kontrollü radikal polimerizasyon yöntemlerinden biri olan tersinir katılma-ayrılma zincir transfer polimerizasyonu (RAFT) ile PAA aşılanmıştır. UMAPE örneklerin yüzeyinde farklı kalınlıkta aşılamalar elde edebilmek için farklı monomer derişimi, ışınlama süresi, lamba uzaklıkları ve monomer/ RAFT ajani oranı ile aşılamalar optimize edilmiştir. Aşılamalar hem toz hem de konsolide haldeki UMAPE örneklere yapılmıştır. 
UMAPE yüzeylere PAA aşılandıktan sonra FT-IR/ATR, elementel analiz, X-ışınları fotoelektron spektropisi (XPS), temas açısı ile yüzey karakterizasyonları yapılarak aşılama sonrası yüzeyde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Aşılama sonrası malzemelerin mekanik özelliklerinde meydana gelen değişimler  gerilme ve darbe dayanım testleri ile yapılmıştır. Malzemelerin aşınma testleri ise sığır serumu içerisinde iki eksenli ve yörüngesel hareket uygulanarak incelenmiştir.
PAA aşılanan toz örneklerden hazırlanan konsolide örneklerde meydana gelen aşınmanın konsolide edilmiş örneklerin yüzeyine PAA aşılanarak elde edilen örneklerde meydana gelen aşınmaya kıyasla daha az olduğu görülmüştür. PAA aşılanmış toz örneklerden hazırlanan konsolide örneklerin yüzeylerinde ve yığınında PAA aşılanmış örneklerin bulunması diğer bir deyişle aşılanmış hidrofilik polimer yoğunluğunun daha fazla olmasından dolayı yüzeyde daha fazla sıvının tutulması aşınmanın daha az olmasına neden olmaktadır.  Hem geleneksel hem de kontrollü radikal polimerizasyonları ile PAA aşılanmış toz örneklerden hazırlanan konsolide örneklerin aşınma hızlarında işlem görmemiş UMAPE toz örneklerden hazırlanan konsolide örneklerinkine kıyasla yaklaşık %55 azalma sağlanmıştır. Yaklaşık olarak aynı aşılama yüzdesine sahip UMAPE-g-PAA örnekler için aşılanan zincirlerin uzunlukları RAFT yöntemi ile kontrol edildiğinde örneklerin aşınma hızları ve sürtünme katsayılarında pek bir farklılık gözlemlenmemiştir. 


Anahtar Kelimeler: UMAPE, UV aşılama, kalça protezi, RAFT, kayganlık, kontrollü radikal polimerizasyonu

Abstract:
At present, 80% of total hip prosthesis (THP) has achieved 20 years of usability [1]. In the meantime, due to the increase in the number of total joint artroplasty and continuous decrease in the average age of patients with the increase in the average age, there is a need to increase the lifetime of implant materials [2]. The most  common reason of revision surgeries is aseptic loosening [3]. The reason for aseptic loosening is osteolysis caused by the released of UHMWPE wear particles over time [4].
The wear problem of ultra high molecular weight (UHMWPE) based implant materials is significantly reduced with crosslinking by using ionizing radiation. Radiation crosslinked and wear resistant UHMWPE implants has been clinically used since the 1990s and still in use for clinical applications. However, high energy radiation has critical disadvantages such as its adverse effects on mechanical properties and its high cost. On the other hand, the highly effective lubrication and low friction coefficient as natural articular joint surfaces has not been achieved so far. However, the mechanism of wear between metallic head and UHMWPE is due to the hard contact and deformation. More hydrophilic UHMWPE surface may provide lubricity as the one in between natural articular surfaces. Therefore, one of the approach that can be applied to extend the lifetime of artificial joint is mimicking their surface properties to the characteristic surface properties of natural articular joint [3]. It is thought that bone resorption problems due to the wear of implant materials can be minimized by modification of artificial joint surfaces. In addition, increasing the surface lubrication can reduce the rotational torque acting on the prostheses, thereby reducing the risk of aseptic loosening. Surface properties of polymeric materials can be modified using different methods (physical, chemical coating) [5]. Among these methods, surface initiated grafting method is adventegeous in terms of homogenous, high density and chemical bonding of polymers to the surface. Controlled graft polymerization methods are used to control the thickness of grafted polymers to the surface of polymeric materials [7].
The aim of this thesis is grafting acrylic acid (AA) by UV initiated polymerization to UHMWPE liner surface which is one of the component of total hip prosthesis. It is predicted that the synovial fluid layer which can be held on the surface by the grafted poly(acrylic acid) (PAA) can provide lubricious surface and reduce the friction force. PAA was grafted to UHMWPE by using conventional radical polymerization and reversible addition fragmentation chain transfer polymerization (RAFT) which is one of the controlled radical polymerization methods. In order to obtain grafted layers with different thickness on the surface of UHMWPE samples, grafting conditions were optimized by using various monomer concentrations, irradiation time, UV lamp distances and monomer/RAFT agent ratios. Grafting applied for both powder and consolidated forms of UHMWPE. Alterations in the surface properties after grafting PAA to UHMWPE surfaces have been investigated by using surface characterization methods, FT-IR/ATR, elemental analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), contact angle. Changes in the mechanical properties after grafting PAA onto UHMWPE surfaces have been investigated by using tensile and impact strength tests. The wear test of samples were investigated by applying biaxial and rotational motion in bovine serum.
We observed that consolidated samples prepared from PAA grafted UHMWPE powder samples have lower wear rates than samples prepared by grafting PAA to the surface of consolidated UHMWPE. Consolidated samples prepared from PAA grafted UHMWPE powder samples have higher amount of grafted hydrophilic polymers in the bulk and surface thus those samples absorb more fluid on the surface and exhibit lower wear rates. We obtained 55% percent decrease on wear rates for consolidated samples which prepared from PAA grafted UHMWPE samples and synthesized by conventional and controlled radical polymerization methods. Controlling the length of grafted chains by RAFT method does not provide significant differences in wear rates and friction coefficients for samples that have almost same percentage of grafting degree.


Keywords: UHMWPE, UV irradiation, hip implant, RAFT, lubrication, controlled radical polymerization