Tıp Alanında Kullanılan Poliüretan ve Kompozit Biyomalzemeler

26 Temmuz 2019

 

Hazırlayan: Nükhet Sezer

Hayatımızın her alanında kullanılan kompozit ve poliüretan malzemeler, sağlık alanında geniş bir yelpazede kullanılıyor. Kompozit ve poliüretan, biyomedikal alanda biyomalzeme grubu içerisinde yer alır. 4 gruba ayrılan biyomalzemeler; polimerler, kompozitler, metaller ve seramiklerdir.

Polimerler, yumuşak doku yerine kullanılan biyomalzemelerdendir. Kalp damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri, polimerlerden üretilmektedir. Kalp ile ilgili tıbbi cihazlarda da esnek yapılı sentetik bir polimer olan poliüretan kullanılmaktadır.

II. Dünya Savaşı’ndan sonra Poliamid, damar protezlerinde kullanılmıştır. 1970’lerde ilk sentetik, bozunur yapıdaki ameliyat ipliği, poliglikolikasitten üretilmiştir. Kısacası, son 30 yılda 40’ı aşkın metal, seramik ve polimer, vücudun 40’tan fazla değişik parçasının onarımı ve yenilenmesi için kullanılmıştır [Ahmet Pasinli-Ege Üniversitesi Ege Meslek Yüksekokulu].

Tıp alanında biyomalzeme olarak kullanılan polimerler; polietilen (PE), poliüretan (PU), politetrafloroetilen (PTFE), poliasetal (PA), polimetilmetakrilat(PMMA), polietilenteraftalat (PET), silikon kauçuk (SR), polisülfon (PS), polilaktik asit (PLA) vepoliglikolik asit (PGA)’tir.

Biyomalzemelerde önemli olan nokta; biyouyumluluk özelliğine sahip olmasıdır. Biyouyumlu; ‘vücutla uyuşabilir’ bir biyomalzeme, çevresinde yer alan dokuların normal değişimlerine engel olmayan ve dokuda istenmeyen tepkiler (iltihaplanma, pıhtı oluşumu, vb.) yaratmayan malzemedir. Yüksek biyouyumluluğa sahip olan malzemeler, bedene yerleştirilebilir cihazların hazırlanmasında kullanılmaktadır.

Yüksek biyouyumluluğa sahip olan malzemeler; yani biyomalzemeler metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemelerdir. Polietilen (PE), poliüretan (PU), politetrafloroetilen (PTFE), poliasetal (PA), polimetilmetakrilat (PMMA), polietilenteraftalat (PET), silikon kauçuk (SR), polisülfon (PS), polilaktik asit (PLA) ve poliglikolik asit (PGA) gibi birçok polimer, tıbbi uygulamalarda kullanılıyor. Her malzeme kendine özgü bir uygulama alanına sahip. Polimerler, çok değişik bileşimlerde ve şekillerde (lif, film, jel, boncuk, nanopartikül) hazırlanabilen biyomalzemelerdir. Buna bağlı olarak geniş bir kullanım alanları vardır. Ancak bazı uygulamalarda bu durum farklılık gösterir. Örneğin, ortopedik alanda mekanik dayanımları oldukça zayıftır. Bununla birlikte sıvıların yapısını alarak şişebilir ya da istenmeyen zehirli ürünler (monomerler, antioksidanlar gibi) salgılayabilirler.

Tıbbi uygulamalarda kullanılan biyomalzemeleri; sert doku yerine kullanılacak biyomalzemeler ve yumuşak doku yerine kullanılacak biyomalzemeler olarak iki grupta yer alır. Ortopedik ve diş implantları, genelde birinci grup kapsamına giren metal ve seramiklerden  hazırlanırken, kalp-damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri polimerlerden üretiliyor. Ancak, böyle bir gruplandırma her zaman geçerli olmaz. Örneğin, bir kalp kapakçığı polimer, metal ve karbondan hazırlanabilir; bir kalça protezi de metal ve polimerlerin kompozitlerinden oluşabilir.

Polimerik Biyomalzemeler
Polimer, küçük, tekrarlanabilir birimlerden oluşan uzun-zincirli moleküller olarak adlandırılır. Tekrarlanan birimler, “mer” olarak adlandırılır. Senteze başlarken kullanılan küçük molekül ağırlıklı birimlereyse “monomer” adı verilir. Polimerlerin özellikleri, yapı taşları olan monomerlerden farklıdır. Bu nedenle, uygulama alanları olarak uygun biyomalzeme seçimi, biyotıp mühendisi tarafından dikkatli bir şekilde gerçekleştirilmelidir.

Hidrojeller
Hidrojeller, suda şişebilen, çapraz-bağlı polimerik yapılara denir. Bir ya da birden fazla monomerin polimerizasyon reaksiyonu sonucunda hazırlanırlar. Tıp uygulamalarında en fazla kullanılan hidrojel, çapraz-bağlı PHEMA’dır.

Hidrojellerin yaygın olarak kullanıldığı alan kontakt lenslerdir. Bunun ana nedeni, mekanik kararlılıklarının iyi oluşu, yüksek oksijen geçirgenliği ve uygun kırınım indisine sahip oluşlarıdır. Hidrojllerin diğer uygulama alanları ise yapay tendon materyalleri, yara iyileşmesinde biyo-yapışkan madde, yapay böbrek zarları, yapay deri ve estetik cerrahi malzemeleridir. En önemli kullanım alanlarından biri de eczacılık alanıdır. Kontrollü ilaç salan sistemlerde kullanılır (İnsülin salınım kontrolü gibi).

Birçok glikoz-cevaplı hidrojel sistemi, pH’a duyarlı polimerlerden (HEMA-dimetilaminoetil metakrilat kopolimeri) hazırlanmaktadır. Hidrojellerin gelişmiş uygulama alanlarından biri de yapay kasların geliştirilmesidir. Elektrokimyasal uyarıları mekanik işe çeviren akıllı hidrojeller, insan kas dokusu işlevi görebilir. Bu özelliklerinden faydalanarak yapay kaslar yapılabiliyor.

Doğal Polimerler: Biyolojik olarak üretilen ve özgün işlev özelliklerine sahip polimerlerdir.
• Proteinler (Kollajen, aktin vb.),
• Polisakkaritler (Nişasta, selüloz vb.),
• Polinükleotidler (DNA VE RNA).

Doğal polimerlerin üretim maliyetleri yüksektir ve yeterince büyük ölçeklerde üretilememektedirler. Farklı birçok kullanım alanına sahip olan doğal polimerler, biyomalzeme alanı için de oldukça önemlidir. Biyolojik ortamdaki makromoleküllerin benzeri veya aynısı olduklarından, canlı vücuduyla temas ettiklerinde zehir etkisi, iltihaplanma gibi istenmeyen reaksiyonlar vermezler. Dezavantajları ise, yüksek sıcaklıklarda bozunmaları nedeniyle şekillendirilmelerindeki güçlük ve immünojenik olmalarıdır (Bağışıklık tepkisine yol açmaları).

Doğal polimerler, biyomalzeme alanının vazgeçilmez kaynaklarıdır. Biyolojik ortamdaki makromoleküllerin benzeri veya aynısı olduklarından, canlı vücuduyla temas ettiklerinde zehir etkisi, iltihaplanma gibi istenmeyen reaksiyonlar vermezler.

Kollajen ve Jelatin
Bütün canlılarda hücreler dokuları, dokular sistemleri, sistemlerse organları ve organ sistemlerini oluşturur. Bu bütünlüğün sağlanmasında organizmada geniş bir alanı kapsayan, bağ doku olarak adlandırılan yapı rol alır. Bağ dokuyu oluşturan hücreler, metabolizma ürünlerinin büyük çoğunluğunu sentezden sonra hücre dışı (ekstraselüler) aralığına salarlar. Bu sentez ürünleri olarak kollajen, elastin ve proteglikanlar sayılabilir.

Kollajen (collagen) kelimesi Yunanca iki kelimenin türevinden gelir; ‘kolla’ ve ‘gennan’. ‘Kolla’ zamk/tutkal anlamında olup, ‘gennan’ yapan/oluşturan anlamındadır.

Kollajen, suda çözünmeyen, yüksek gerilim gücüne sahip bir protein ve bağ dokusu ile tendonlarda fibroblastlar, diflte odontoblastlar kollajen sentezleyen özelleşmiş hücreler olarak bilinmekte.

Vücutta bağ dokunun ana bileşeni olan kollajen, toplam vücut proteinlerinin yaklaşık 1/3’ünü oluşturur. Kollajen, kıkırdakta %50, korneada %68, deride %74 oranında bulunuyor. Kollajenin yapısında %35 oranında glisin, %11 oranındaysa alanin bulunur. Bu nedenle de beta-keratine benzer. Kollajen, diğer proteinlerden farklı olarak %12 oranında prolin ve %9 oranındaysa hidroksiprolin içerir.

Poliüretan Temelli Yara Örtü Malzemeleri
Poliüretanlar, yüksek biyouyumlulukları, oksijen ve karbondioksit için iyi geçirgenlik, mükemmel mekanik dayanım ve uygun esneklik özelliklerinden dolayı yara örtü malzemesi olarak oldukça yaygın kullanılmaktadır [Xu vd., 2013, Gharibi vd., 2015]. Poliüretan temelli literatürde yapılan yara örtü malzemeleri aşağıda sıralanmıştır.
• Gultekin ve ark. trigliserit yağlarının ana bileşimi olan linoleik asit temelli biyouyumluluğu yüksek, poliüretan film üretimi gerçekleştirilmiştir [Gultekin vd.,2008].
• Poliüretan, dekstran ve siprofloksasin HCl (CipHCl) ilacından oluşan bir çözeltinin elektrospinlenmesi ile ideal antibakteriyel özellikli nanofibröz yara örtü malzemesi elde edilmiştir.
• Poliüretan/siloksan bazlı elektroaktif, antibakteriyel ve antioksidatif özelliğe sahip yara örtü membranları sol-jel yoğunlaşmasıyla hazırlanmış ve in vitro test sonuçlarına göre hazırlanan örtü materyalinin yara modelinde hızlı iyileşmeye neden olduğu Gharibi ve ark. tarafından gösterilmiştir [Gharibi vd., 2015].

• Antimikrobiyal, endotoksin imidazolyum tipi katyonik poliüretan köpük yara örtüleri Ding ve arkadaşları tarafından hazırlanmıştır [Ding vd., 2019]. İn vivo sonuçlar sonrası yara örtü materyalinin antimikrobiyal potansiyeli kanıtlanmıştır.

Kompozitler
“Kompozit”, farklı kimyasal yapıdaki iki ya da daha fazla sayıda malzemenin, sınırlarını ve özelliklerini koruyarak oluşturduğu çok fazlı malzeme olarak tanımlanabilir.

Dolayısıyla kompozit malzeme, kendisini oluşturan bileşenlerden birinin tek başına sahip olamadığı özelliklere sahip olur. Kompozit malzeme, “matris” olarak adlandırılan bir malzeme içerisine çeşitli güçlendirici malzemelerin katılmasıyla hazırlanır. Matris olarak çeşitli polimerler, güçlendirici olaraksa çoğunlukla cam, karbon ya da polimer lifler, bazen de mika ve çeşitli toz seramikler kullanılır. Kompozitler, yüksek dayanıma ve düşük elastik modülüne sahip olduklarından, özellikle ortopedik uygulamalar için öngörülüyorlar. Ayrıca, kompozit malzemenin bileşimi değiştirilerek, implantıın vücuttaki kullanım alanlarına göre mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlaması kolaylaştırılabilir.

Kompozit malzemeler, homojen malzemelere oranla, yapısal uyumluluğun sağlanması açısından daha avantajlılardır. Polimer kompozitlerin sağlayabileceği diğer üstünlükler, korozyona direnç, metal yorgunluğunun ve metal iyonlarının salınımının görülmemesi ve kırılganlığın azalmasıdır.

Polimer kompozitler manyetik özellik taşımadıklarından, manyetik rezonans (MRI) ve tomografi (CT) gibi modern tanı sistemleriyle uyumludurlar. Metal alaşımları ve seramikler radyo-opak olduklarından X-ışınları radyografisinde problem yaratırlar. Oysa ki kompozit malzemelerde radyo şeffaflık ayarlanabilir. Hafif olmaları ve üstün mekanik özellikleri göz önüne alındığında, kompozitler bu tür görüntüleme cihazlarının yapısal bileşenleri olarak son derece uygundurlar.

Kitin ve Kitosan
Kitin; uzun ve doğrusal yapıya sahip bir polisakkarittir. Yapısı, selüloza çok benziyor. Kitin, genel olarak yengeç, karides, midye gibi bazı deniz kabuklularının, istiridye kabuğu, mürekkep balığı iskeleti gibi bazı deniz yumuşakçalarının ve sinek, çekirge, örümcek gibi bazı böceklerin kabuklarında yer alıyor.

Kitosan, kitinin alkalin deasetilasyonu ile elde edilen amorf yapıda bir poliaminosakkarit ve doğal olarak meydana gelebilen birkaç katyonik polielektrolitten biridir. Kitosan üretiminde hammadde olarak kitin kullanılıyor. Japonya ve ABD’de ticari olarak üretiliyor. Flonac ticari adıyla yengeç kabuklarından üretilen kitosan polimerinin 2000 yılı üretimi 1250 ton/yıl. Bir kilogramının üretim maliyeti ürün kalitesine ve üretim prosesine bağlı olarak 6 ile 32 Amerikan Doları arasında değişiyor.


Kompozit Malzemelerin Tıbbi Kullanım Alanları

Seramikler, biyouyumlulukları yüksek ve korozyona dayanıklı olmalarının yanında sert, kırılgan olmaları, zor islenen, mekanik özellikleri düşük ve yoğunluğu yüksek malzemelerdir. Dezavantaja sahip malzemelere, alternatif olarak kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Ortopedik ve diş implantları metalik biyomalzemelerden ve biyoseramiklerden yapılırken, kalp-damar sistemi ve genel plastik cerrahi malzemeleri polimerlerden yapılmaktadır.

Polimerlerin ortopedik alanda mekanik dayanımları zayıftır. Polietilenin çekme dayanımı ise, 20-30 MPa civarındadır. Kompozit malzeme; farklı kimyasal yapıdaki iki ya da daha fazla sayıda malzemenin, sınırlarını ve özelliklerini koruyarak oluşturduğu çok fazlı malzeme olarak tanımlanabilir. Dolayısıyla; kompozit malzeme, kendisini oluşturan bileşenlerden birinin tek basına sahip olamadığı özelliklere sahip olmaktadır. Kompozit malzeme, “matris” olarak adlandırılan bir malzeme içerisine çeşitli güçlendirici malzemelerin katılmasıyla hazırlanır. Matris olarak çeşitli polimerler, güçlendirici olarak da çoğunlukla cam, karbon ya da polimer, bazen de mika ve çeşitli toz seramikler kullanılmaktadır.Kompozit malzemeler, yüksek dayanıma ve düşük elastikide modülüne sahip olduklarından, özellikle ortopedik uygulamalar için öngörülmektedir. Ayrıca, kompozit malzemelerin bileşimi değiştirilerek, implantın vücuttaki kullanım alanlarına göre, mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlamaları kolaylaştırılabilir. Açıkça görülüyor ki; kompozit malzemeler, homojen malzemelere oranla, yapısal uyumluluğun sağlanması açısından daha avantajlıdır.

Kompozit malzemelerin sağlayabileceği diğer üstünlükler; korozyona direnç, metal yorulmasının ve metal iyonları salınımının görülmemesi ve de kırılganlık özelliğinin azalmasıdır. Metal iyonları örneğin nikel ve krom salımı implantı zayıflatmaktan başka, alerjik reaksiyonlara da neden olmaktadır. Kompozitler, ortopedi ve diş hekimliği uygulamaları dışında, yumuşak doku implantı olarak da kullanılmaktadır. Polimer kompozitler manyetik özellik taşımadıklarından, manyetik rezonans (MRI) ve tomografi çekimlerine olumsuz bir etkileri yoktur.

Kaynaklar
1- Bilim ve Teknik Dergisi, TÜBİTAK
2- “Ortopedik Malzemelerin Biyouyumlulukları ve Mekanik Özelliklerine Göre Seçimi”, Sevki Yılmaz GÜVEN, Süleyman Demirel Üniversitesi,
Makine Mühendisligi Bölümü, 32260–Isparta
3- “Poliüretan Temelli Yara Örtü Malzemeleri”, Prof. Dr. Süleyman Köytepe, Prof. Dr. Burhan Ateş, Dr. İdil Karaca Açarı, İmren Özcan, İnönü Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü
4- “Medikal Polimerlerde Yüzeyin Önemi”, Nesrin HASIRCI, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü,