STANBUL TEKNK NVERSTES METALURJ VE MALZEME MHENDSL
MBM 514 BYOMALZEMELER
ORTOPEDK BYOMALZEME UYGULAMALARIHAZIRLAYANLAR 506101417 MELTEM
PEK 521101002 ASUMAN KO 521101020 SMBLE SAD
PROF.DR GLTEKN GLLER2010-2011 Bahar Dnemi 12.05.2011
NDEKLER1.
GR...................................................................................................................
1 2. ORTOPEDK UYGULAMALARINDA KULLLANILAN
BYOMALZEMELER....................3 1.4Seramik
Malzemeler.....................................................................................11
1.4.1Almina..................................................................................................11
1.4.2Kalsiyum
Alminatlar.............................................................................12
1.4.3Zirkonya.................................................................................................12
1.4.4Biyocamlar.............................................................................................12
1.4.5Kalsiyum
Fosfatlar..................................................................................13
3. KEMK YAPISI VE
ORGANZASYONU...................................................................17
1.6 Kemik
Matriksi.............................................................................................17
1.7 Kompakt Kemik Dokusu ve
Yaps...............................................................17
1.7.2Endosteum.............................................................................................20
1.8Spongiyz Kemik Dokusu (Trabekll
Kemik)..............................................20 4. KIRIK
MEKANZMASI..........................................................................................21
1.9Uzun Kemiklerin
Tamiri................................................................................21
5. ORTOPEDK
UYGULAMALAR..............................................................................23
6. ORTOPEDK BYOMALZEMELER: KLNK
LKLER.............................................35 7. ORTOPEDK
BYOMALZEMELERDE
KOROZYON.................................................38 8. AIRI
DUYARLILIK.............................................................................................
46 9. SONULAR
.......................................................................................................48
i
EKLLER
ekil 1.1 Biyouyumlu malzeme pazar
[6]...........................................................2
ekil 1.2 leri ortopedik teknolojisi, implantlar ve rejeneratif
rnler [6]...............2 ekil 2.3 THA gvdelerin, hem ksa dnem hem
de uzun dnem balanmalarn gelitirmek amacyla, son yllarda
kullanlmakta olan yzey kaplamalarnn rnekleri
[3]..........................................................................................................10
ekil 2.4 Kemik dokusu ve Hidroksiapatitin yaps
[4].......................................14 ekil 3.5 Kemik
dokusundaki kanalikller iinde osteositin yerleimi
[4].............18 ekil 3.6 Kompakt ve spongiyz kemiin ematik grnm
[4].........................19 ekil 4.7 Krk tipleri
[4]........................................................................................21
ekil 5.8 Metalik ine ularnn tipleri a)troacher u b)elmas u
[3].................25 ekil 5.9 Kemik vidalar
[3]..................................................................................25
ekil 5.10Krk tespiti iin dinamik sktrlm plak
[3]........................................26 ekil 5.11 Kemik
plaklar a)dinamik sktrma pla b)hibrit sktrma pla (daha az ksm
dinamik sktrma vida delii ierir) c) rekonstrksiyon kemik pla(kolay
edzeltim) d)destek kemik pla e) L eklinde destek pla f)trnak pla
g)dinamik sktrma kala vidas
[3]............................................................26
ekil 5.12 ntermedler ineler (a) GrossKempf , (b) Uniflex (Ti alam),
(c)
Kuntscher,............................................................................................................27
ekil 5.13 Kaval kemii krnn kemik iinden uygulanan intramedler ivi
ile tespiti
[7]..............................................................................................................27
ekil 5.14 Krk femoral ban kala ivisi ile tespiti
[7]........................................27 ekil 5.15 Drt deiik
poroz yapnn sem grntleri a)plazma spray kaplama(7), b) sinterlenmi
tel gzenek kaplama(7) ,c) sinterlenmi bilye kaplama(20),
d)Hedrocell poroz kaplama(50)
[1].......................................................................28
ekil 5.16 Artoplasti aralarnn geliimi
[5]........................................................31 ekil
5.17 Kemik imentosu ile sabitlenmi kala protezi
[3]..............................31 ekil 5.18 Modler toplam kala
sistemi; ba, femur gvde, poroz kaplanm proksimal ivi, poroz
kaplamal metal destek kase, UHMWPE kase, fiksasyon vidas
[3]..............................................................................................................32
ekil 5.19 Modler endoprotez yer deiimi
[3]...................................................32
ii
ekil 5.20 Deiik eit diz eklemleri a) metal mafsall, b)plastik
astarla mafsallanm , c)intremedler sabitlenmi yar balanm, d)yzey
yer deitirme, e) tek kompartmanl yer deiimi, f) iki kompartmanl yer
deiimi
[3].........................................................................................................................33
ekil 5.21 eitli eklem deitirme protezleri a)ayak bilei,
b)bilye-yuva omuz eklemi, c)mafsallanm dirsek eklemi d) kapslle
evrili parmak eklemi [3]........34 ekil 7.22 Osteoliz sreci. Eklem
yapan yzeylerde retilen anma partiklleri kemik-implant arayzeyine g
ederler. Makrofajlar anma partikllerini fagosite ederler ve TNF-,
IL-1, PGE ve IL-6 gibi inflamatuar mediatrleri salrlar(A). Bu
mediatrler ve sitokinler kemikte devaml osteoklastik rezorpsiyonu
balatrlar(B). Periprostetik osteoliz fiksasyon kaybna ve implantta
gevemeye ve arya neden olur (C)
[5]............................................................................................................43
ekil 7.23 Transmisyon (geirimli) elektron fotomikrograflar. (A)
Fagosite edilmi Ti partikllerini ieren bir makrofaj (B) Btnleik Ti
birikintisi tarafndan kaplanm bir endotel hcresi. Bu numuneler,
posterolateral birleme kitlesini kaplayan bir doku rneinden elde
edilmitir (16 haftalk otograft ve Ti) (orijinal TEM bytmesi: 20.000
x)
[3]..............................................................................45
ekil 8.24 Hcre aracl ar duyarllk
[7]............................................................47
ekil 8.25 Ertelenmi tip ar duyarlln basamaklar
[7]..................................47
iii
TABLOLAR
Tablo 2.1 Ortopedide yaygn olarak kullanlan biyomalzemeler
[5]........................3 Tablo 2.2 Arlk olarak kullanlan
biyomalzemelerin mekanik zellikleri [5].........5 Tablo 2.3 Popler
Ortopedik Alamlarda bulunan farkl metallerin yaklak yzdeleri
[3]...........................................................................................................6
Tablo 2.4 mplant malzemelerinin elektrokimyasal zellikleri
(korozyon direnleri) 0.1 M NaCl iinde, pH 7de [3]
...............................................................................7
Tablo 2.5 HAnn Mekanik zellikleri
[2]...............................................................14
Tablo 5.6 fiksasyonda biyomalzeme uygulamalar
[3]......................................24 Tablo 5.7 fiksasyon
uygulamalarnn baarszlk halleri [3]..............................24
Tablo 5.8 Toplam eklem yenilemeleri iin biyomalzemeler
[3].............................29 Tablo 5.9 Toplam eklem
yenilemelerinin tipleri
[1].............................................30
iv
1. GROrtopedik biyomalzemeler hareket kabiliyetini eski haline
getirmek ve yaam kalitesini ykseltme asndan byk bir baarya
sahiptir. Ortopedik implantlar krk tespit rnleri, Rekonstrktif
implantlar, rehabilitasyon rnleri, spinal(bel kemii) rnler,
artroskopi rnleri, elektriksel uyar rnleri ve dkm rnlerini
ierebilir. Ortopedik uygulamalar daha spesifik hale getirirsek 2
grup ad altnda toplayabiliriz. 1.Krk Tespit Aralar Spinal krk
tesbit , Biyomedikal tel, ine, vida, Yapay ba dokusu
ntramedler(omurilik ya da kemik ilii iinde bulunan) aralar 2.
Eklem yenilemeleri Kala artroplastisi Diz artroplastisi Ayak bilei
artroplastisi Omuz artroplastisi Dirsek artroplastisi Kol bilei
artroplastisi Parmak artroplastisi 1.1 Ortopedik Biyomalzeme Pazar
Ortopedik biyomalzemelerin kar konulamaz baars 2002 ylndaki 1.4
milyar dolarlk sat ile kantlanmaktadr ve bu rakamn yllk olarak %7-
%9 orannda byme hz tahmin edilmektedir.2000 ylndaki dnya
satlarndaki 1.5 milyar dolar krk ynetim rnlerine, kalan yaklak 12
milyon dolar eklem yenilemelerine harcanmtr.2002 ylnda diz implant
rnlerinin dnyadaki sat yaklak olaarak 2.5 milyon dolardr ve bu
700000 diz yenileme operasyonunu iaret etmektedir. Bu operasyonlar
ilk kez eklem yenileme, yenileme iin revizyon, tamir, bir nceki
implant rnn veya bileenini arttrma prosedrlerini ierebilir.
Amerikadaki revizyon prosedrleri yaklak olarak %60 lk bir hzlandrlm
bir hz ile bymektedir. Kala implant rnlerinin2002 deki global sat
yaklak olarak 2.5 milyar dolardr ve bu da yine 700000 kala yenileme
operasyonunu iaret etmektedir. Kala ve diz iin eklem yenileme
prosedrlerinin kliniksel baarsndan dolay omuz, dirsek gibi
dier1
eklem yenileme rnlerine olan talep bymeye devam etmektedir.2002
ylnda yaklak olarak 55000 omuz ve dirsek implant prosesi
yrtlmtr.
$ mily on
ekil 1.1 Biyouyumlu malzeme pazar [6] Biyouyumlu malzemelerle
ilgili ABD pazar 2007 iin 22.2 milyar dolardr ve yllk %6.9 bileik
byme hzyla artmas beklenmektedir.2012 ylnsa 30.9 milyar dolar olmas
beklenmektedir. Burada yapay dokular (Tissue replacements) 11.7
milyar dolarla en byk blm oluturmaktadrlar. Bu %52 demektir.2012de
16 milyar dolar olmas beklenmektedir. En kk paya sahip olan yzey
malzemeleri 2007de 2.6 milyar dolardr ve bunun 2012de 3.4 olmas
beklenmektedir.
ekil 1.2 leri ortopedik teknolojisi, implantlar ve rejeneratif
rnler [6]
2
leri ortopedik teknolojisi ve rnlerinin pazar 2012 ylnda 31.9
milyar dolar olaca tahmin edilmektedir. 1.2 Ortopedik
Biyomalzemelerin Dizayn Ortopedi iin gelitirilen yeni biyomalzeme
biyolojik ortamna kar etki etmemeli, malzeme konak dokular ve svlar
tarafndan kar ekilde etkilenmemelidir. Yeni gelitirilen
biyomalzemelerle bunlarn etki edecei ve yer deitirecei dokular
arasnda yap ve zellikleri arasnda bir i iliki olmaldr. Kalsine
edilmi dokularda ekil yap ilikisi tercih ettiimiz malzemenin hangi
spesifik ortopedik gereksinimi karlayaca ve dizayn iin bir ngr
salamaktadr.
2. ORTOPEDK UYGULAMALARINDA KULLLANILANBYOMALZEMELEROrtopedik
biyomalzemeler genel olarak dngsel yk dayanm uygulama malzemeleri
olarak snrlandrlabilir. Her ne kadar metaller, polimerler ve
seramikler ortopedide kullanlsa bile, metaller yllardr esiz bir
ekilde malzemenin uygun zelliklerini rnein yksek sertlik, sneklik,
krlma tokluu, sertlik, korozyon direnci ekil alabilirlik ve
biyouyumluluk ki bunlar krk tespit ve toplam eklem artroplast iin
ou yk dayanm rol iin gereklidir, olarak salanmaktadr. Ortopedik
implant kullanm genel olarak 3 oprerasyon kategorisine ayrlmaktadr;
stkol, omurga ve alt bacak. Bunlarn her biri tipik olarak 3 genel
kategoriye ayrlr; pediatrik, travma ve rekonstrksiyon. Ortopedik
biyomalzemelerin birincil zellikleri, kullanmlar, kstlamalar
bilinirse geerli implant malzemelerinin performansn iyiletirmek iin
gereklidir. Tablo 2.1 Ortopedide yaygn olarak kullanlan
biyomalzemeler [5] MALZEME METAL Ti alamlar Co-Cr-Mo alam Paslanmaz
elik POLMER Polimetilmetakrilat (PMMA) Ultra-Yksek Molekl Arlkl
Polietilen (UHMWPE) SERAMK Alumina (Al2O3) Zirkonya (ZrO2)
Plakalar, vidalar, total eklem artroplastisi(TEA)paralar TEA
paralar TEA Bileenleri, vidalar, plakalar Kemik imentosu Dk srtnme
katsays gerektiren TEAlardaki dolgular Anma direnci yksek TEA
paralar Anma direnci yksek TEA paralar NCELKL KULLANIM ALANI
3
1.3 Metalik Biyomalzemeler nsan vcudunun alt ksmnda bulunan uzun
kemiklerin ana fonksiyonu yk tamadr, bu nedenle protez olarakrnein
yapay kala kemiklerinde- ilk kullanlan malzemeler metaller olmutur.
Hem paslanmaz elik (316L) hem de Co-Cr alamlar, bu fonksiyon iin
seilen erken dnem malzemelerindendirler, nk dier metallere oranla
iyi korozyon direnleri ve insan vcudu iinde makul bir yorulma
mrleri vardr. Tabi ki, direngenlikleri, rijitlikleri ve
mukavemetleri kemiinkinden olduka fazladr. Bununla birlikte,
belirli uygulamalarda, boyut kstlamalar ve tasarm snrlamalar
nedeniyle, daha nceki yllarda yaplan almalarda yorulma hasarlar
meydana gelmitir. rnein, skolyoz (omurga erilii) hastalnda, omurga
dzeltici ubuklarda yorulma hasarlarna rastlanmtr. Metaller, tam
kala artroplasti rahatszlnda, merkez malzeme olarak kalmtr.
Metaller, yksek mukavemet, sneklik, krlma tokluu, sertlik, korozyon
direnci, ekil alabilirlik ve biyouyumluluk gibi, krk dzeltme ve tam
eklem artoplastide gerekli olan yk tama fonksiyonuna uygun malzeme
zelliklerini salamaktadrlar. mplant alamlar, aslen denizcilik ve
havaclk iin gelitirilmitir ki bu alanlarda yksek mukavemet ve
korozyon direnci gibi mekanik zelliklerin salanabilmesi ok
nemlidir. Ortopedide, zellikle de tam eklem protezlerinde kullanlan
ana metal alam vardr: 1.Ti temelli alamlar 2.Co temelli alamlar
3.Paslanmaz elikler Bu alamlarn, mukavemet, sneklik, sertlik gibi
zellikleri birbirinden farkldr ve bu zellikleri sayesinde hangi
alam hangi zel uygulamada yer alacak veyahut da hangisi bir
implantta, bileenlerden biri olarak kullanlacak, belirlenebilir.
Bununla birlikte, dier zelliklerden ziyade, bu alamn yksek korozyon
direnleri yk tayc implant malzemeleri olarak geni apl kullanmlarna
neden olmutur. Bu metallerin malzeme zelliklerinin iyi olmas,
metalik balarnn, molker mikroyaplarnn ve element bileimlerinin
mkemmel olmasndan kaynaklanr.1.3.1 Paslanmaz elikler
Paslanmaz elikler, 1926dan balayarak, ortopedide kullanlan ilk
metaller olmulardr. Bununla birlikte, ASTM 304, 1943te, paslanmaz
elii standart implant alam malzemesi olarak nerene kadar, gvenilir
implant alamlar olarak kabul grmediler. Tm elikler demir ve karbon
ierir, genel olarak Krom (Cr), Nikel (Ni) , Molibden (Mo) de
ierebilir. Eser element olarak ise, Manganez (Mn) , Fosfor (P),
Slfr ve Silikon (Si) da4
bulunabilir. Karbon (C) ve dier alam elementleri, eliin
mikroyapsnda deiiklikler yaparak, mekanik zelliklerini
etkilerler.
Ortopedik uygulamalarda yaygn olarak 316VL olarak kullanlr,
(American Society for testing and materials iin F318, ASTM iin
F318; dierleri ise F139, F899, F1586, F621 vb ierir) 316,
malzemenin ostenitik olduunu; L, dk C ieriini; V ise, ne kadar
vakum altnda biimlendirildiini belirtir. C ierii, tane snrlarnda
Karbr (Krom-Karbon) birikmesini nlemek amacyla dk miktarda
tutulmaldr, aksi takdirde malzeme gevrekleir. Paslanmaz eliklerin
mekanik zellikleri, dier implant alamlarna gre daha dk olsa da
(mukavemet ve korozyon direnci daha dktr.), dier implant
metallerine gre ok daha yksek bir sneklik gsterir, yle ki dier
implant metalleriyle karlatrldnda, krlmadaki yzde uzama miktarnn 3
kat daha fazla olduu grlr. Bu ynden bakldnda, paslanmaz elikler,
tam diz artroplastide, kablo sabitleme bileeni olarak gnmzde de
youn biimde kullanlmaya devam etmektedir ve bu adan, Ti ve Co
alamlarna ucuz bir alternatiftir. Tablo 2.2 Arlk olarak kullanlan
biyomalzemelerin mekanik zellikleri [5]Ortopedik Biyomalzem e
Polimerler UHMWPE PMMA Seramikler Al2o3 ZrO2 Metaller Paslanmaz
elik Co-Cr alam ASTM F138 ASTM F75 ASTM F90 ASTM F562 ASTM 1537 Ti
alamlar CPTi ASTM F67 110 485 300 120-200 14-18 190 792 241-820
130-180 43-45 366 201 20-30 12 0,5-1,3 1,8-3,3 20-30 35-70 13-20
19-39 60-90 100-200 130-500 2,5-6 ASTM Elastik modul(GPa) Akma
Mukavemeti (MPa) Yorulma Mukavemeti (MPa Sertlik (HVN) Kopma annda
yzde uzama
210-253
448-841
207-950
300-400
4-14
210
448-1606
586-1220
300-400
10-22
200-230
300-2000
340-520
8-50
10-40
200-300
960
200-300
41
20
5
Ti-6Al-4V
ASTM 136
116
897-1034
620-889
310
8
1.3.2 Kobalt-krom alamlar
Kullanmda olan pek ok Co-Cr alamndan, an itibariyle sadece iki
tanesi arlkl olarak implant alam olarak kullanlmaktadr (tablo 3)
Bunlar, CoCrMo (ASTM F75 ve F76 olarak tasarlanrlar.) ve
CoNiCrModur (ASTM F562 olarak tasarlanrlar.) mplant olarak kullanm
onaylanm dier Co alamlar ise, Tungsten (W) ierenleri (CoCrNiW, ASTM
F 90) ve demir (Fe) ierenleridir (CoNiCrMoWFe, ASTM F563). CoNiCrMo
alamlar, yksek miktarda Ni (%2537) ierir, bylece korozyon direnci
arttrlr, bununla birlikte, vcuda salnan Ni, olas zehirlenme ve/veya
baklk sistemine bal tepkilere neden olabilir. Co-Ni-Cr alamlarndan
salnan Ninin biyolojik reaktivitesi sabit koullar altnda endie
sebebidir ve Co-Ni-Cr alamlarnn kt srtnme (anma) zellikleri mafsal
paras olarak kullanlmalarna uygun deildir. Bu nedenle, tam eklem
bileenleri iin baskn olarak kullanlan implant alam CoCrMo (ASTM
F75) dir. Tablo 2.3 Popler Ortopedik Alamlarda bulunan farkl
metallerin yaklak yzdeleri [3]Alam Paslanmaz elik Co-Cr-Mo alamlar
ASTM F75
