26.10.2016

1

Biyomalzemelerde Seçme KonularDoç. Dr. Atilla EVCİN

Ders İçeriği• Biyomalzemelere Giriş• Biyomalzemelerin Sınıflandırılması

– Biyoinert malzemeler– Biyoaktif malzemeler– Biyobozunur malzemeler

• Biyomalzemelerin Özellikleri • Biyomalzeme Doku Etkileşimi• Biyouyumluluk kavramları

– Biyomalzemelerdeki hatalar ve Biyouyumluluktaki zorluklar– Biyomekanik ve biyokimyasal uyumluluk

• Biyouyumluluğun Karakterizasyonu ve Değerlendirilmesi– ISO 10993– In vivo ve In vitro Testleri

• Metalik Biyomalzemeler• Polimerik Biyomalzemeler• Seramik Biyomalzemeler• Kompozit Biyomalzemeler• Kaplamalar• Biyomalzemelerin Uygulama Alanları

3

Biyomalzemenin Özellikleri

F(t)F(t)

F(t)

Parametreler· Malzeme Çeşidi· Statik/ Dinamik Gerilmeler· Cihazın hedeflenen ömrü· Diğer cihaz bileşenleri ileetkileşimleri

Malzeme deformasyonunun mekanizması· Korozyon· Çözünme, erime,bozulma· Kimyasal değişim· Şişme· Erimek, süzdürmek,· Aşınma

Bu Etkilere Karşı Malzeme özellikleri· Mukavemet· Kırılma tokluğu· Sertlik rijitlik,(Elastikiyet modülü)· Yüzey pürüzlülüğü· Aşınma direnci

Fizyolojik Ortamın Malzemelere/Cihazlara Etkileri

26.10.2016

2

Mekanik Testler ve Standartları• Biyomedikal cihaz ve aletlerin

kullanıldıkları yerlerde gerekliperformansı göstermeleri için değişikgeometriler, malzemeler ve imalatyöntemleri kullanılarak geliştirmekgereklidir.

• Bunu gerçekleştirmek için klinikuygulamalardan önce bu cihaz vealetlere çeşitli testler ve analizleruygulanmalıdır.

• Test Yöntemleri olarak;• İngiliz(BSI), Avrupa(EN), Uluslararası(ISO)ve Amerikan(ASTM) standartlarındakiyöntemler, daha önceden yayınlanmış testyöntemleri ve fiksatör özelliklerine göreoluşturulacak test yöntemleri kullanılır.• Kullanılacak herhangi bir implantın başarılıolacağı mutlaka daha önceden testlerlegörülmüş olmalıdır. Bu nedenle klinikuygulamalardan evvel test neticeleri analizedilmeli ve kullanım şartlarına göresimülasyon yapılmalıdır.

7

• Elastisite Modülü• Akma Mukavemeti• Kırılma Mukavemeti• Yorulma• Tokluk• Termal Özellikler• Yüzey Özellikleri

8

Elastik ModülElastic Modul

• Mekanik Davranış; Bir malzemenin uygulanankuvvete karşı gösterdiği tepkidir. Bu mekanikdavranış, değişik tür zorlamalar (stress) sonucuoluşan gerilme ve şekil değişiklikleri ölçülereksaptanır. Cisimler, artan dış etkiler sonucu önceşekil değiştirir. Sonra, dayanımını yitirerek kırılır.• Düşük gerilmeler altında, şekil değiştirmeler elastikyani tersinirdir. Gerilme elastik sınırı aşarsa, kalıcı,geri dönüşsüz yani plastik şekil değiştirme olur.• Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç (yani sertlik)malzemenin elastitisite modülü olarak belirlenir

26.10.2016

3

9

Thomas Young malzemelerin elastik olarak nasıl deforme olduklarının teorisinin geliştirilmesine katkıda bulundu.Özel olarak, önemli bir malzeme sabitini, “Young Modülü”veya “Elastisite Katsayısı” nı tanımladı.

Thomas Young, 1810

Bir numune sabit bir hızda çekilir.

Numune

Uzama ölçer

Numune boyutlarının değişimi süresince gerekli çekme kuvveti ölçülür.

Çekme testi elastisite katsayısını ve diğer malzeme özelliklerini belirlemek için çok önemli bir deneysel tekniktir.

10

Çeşitli tip ve ebatlardaki test makineleri…

…ve çeşitli numune boyutları.

11

Çeşitli geometrilerde malzeme numuneleri kullanılır……ve boyutlardaki değişiklikleri doğru bir şekilde ölçmek için çeşitli teknikler kullanılır.

Çekme testi, metaller, plastikler ve kemik dahil bir çok farklı tip malzemeye uygulanır.

12

Young malzemelerin yük-uzama davranışını gerilme-birim uzama verisine dönüştürerek inceledi.

İç Normal KuvvetOrijinal Kesit Alanı Uzunluk Değişimi

Orijinal Uzunluk

P PL0 u

(Pa)0A

P(Boyutsuz)

0Lu

A0

Gerilme ve gerinim (zorlanma) şöyle hesaplanır:

Bunlar uygulamada genellikle kullanılan ölçülerdir. Ancak, gerçek gerilme ve gerçek gerinim numunenin o anki enine kesit alanı ve uzunluğu alınarak bulunur.

AP L

u

26.10.2016

4

13

Aşağıdaki çizim tahribatlı test edilen çelik bir numune için hem mühendislik gerilmesinin hem gerçek gerilmeningerinimle değişimini göstermektedir.

Geri alınabilen deformasyon

Not: Elastik bölgede mühendislik ve gerçek değerler arasındaki fark çok küçüktür.

kırılma gerilmesi

gerçek kopma gerilmesinihai gerilme

orantı sınırıelastik sınır

akma gerilmesi

elastik bölge

akma birim uzama pekleşmesi boyun

vermeplastik davranışelastik

davranış

Kalıcı deformasyon

n

k

kAos

Gerilm

e

Gerinim

14

Tek eksenli yükleme için : E

Eveya

Young belirli bir malzeme için - elastik bölgedeki eğiminin geometriden bağımsız olarak sabit olduğunu görmüştür.

Böylece elastisite modülüveya Young modülü diye bilinen önemli bir malzeme parametresini tanımlamıştır.

Birim:Pa

Elastisite ModülüE GPa

Yumuşak Çelik

210Alüminyum

70Beton18.5

Ahşap12.5

Naylon2.8

Lastik0.004

15

- Grafikleri

Mukavemet sırasına göre bu baglar ; İyonik > metalik > kovalent > van der waals’dir. Elastisite modülleri ise bu baglara göre ; Seramik > metalik > polimerik’tir.

16

• Seramik (gevrek)- Material I • Metal - Material II• Polimer –geniş bir aralıkta

– Gevrek –Material I– Plastik deformasyon– Material III– Yüksek elastik – Material IV

26.10.2016

5

17

• 3 nokta eğme testinin şeması.

– Örnek üstte basma kuvvetlerine maruz kalır. – Örnek altta gerilme kuvvetlerine maruz kalır.– Eğer örneğe F yükü uygulanırsa, o zaman kırılma

modülü hesaplanabilir.

Eğme Mukavemeti

18

– Ana parametre bu testten belirlenebilir:• Kırılma modülü (σmr)/eğme mukavemeti = bir örneğin

kırılması için gereken gerilme• Dikdörtgen biçimli numuneler için

• Dairesel kesite sahip numuneler için

223bdLF f

mr Ff = kırılmadaki yükL = destekler arası mesafea, b = örneğin boyutları

33RLF f

mr R = örneğin yarıçapı

Eğme Mukavemeti

19

Akma Mukavemeti (Dayanımı)Yield Strenght

• Malzemede geri dönülemeyen deformasyon için gerekliolan gerilme.

• Düşük gerilmelerdeki deformasyon lineer olabilir (Meselabasit katılarda veya birçok polimerde)

• Elastiklik sınırından sonra malzemenin ani olarakuzamaya başladığı tanımlanmış bir miktarda kalıcıdeformasyon sağlayan mukavemet değeridir.

20

• Çekme gerilmesi etkisi altındaki metal ve plastiklerin davranışı

Malzeme ne kadar rijitseelastisite modülü E, o kadaryüksektir ve malzemenindeforme olması o kadarzordur. Gerilme altındakimetal ve plastiklerindeformasyon karakteristiklerifarklıdır

26.10.2016

6

21

Kırılma MukavemetiFracture Strength

• Kırılma bir malzemenin kohesif mukavemeti aşıldığındaolur.

• Biyolojik ortam çatlak başlamasının detayları vemalzemelerin mukavemeti üzerinde belirgin etkileresahip olabilir.

• Korozyon, çözünme ve süzme gibi kimyasal saldırılarınherhangi bir çeşidi önceden bulunan kusurların boyutunuartırabilir veya yeni kusurlar ortaya çıkarabilir.

22

Kırılma mekaniği, mühendislik yapılarda kullanılanmalzemelerdeki çatlak ve boşluk şeklindeki hatalarınyük taşıma kapasitesine etkisini ve kırılmaylabelirlenen hasarları inceler.Kırılma mekaniği, kırılmayla belirlenen hasarlarıincelemekte iki türlü yaklaşım öngörmektedir.

• Bunlardan birincisi– Griffith Enerji Dengesi Yaklaşımı (1920),– diğeri de Irwin Teoremidir (1956 )

23

Griffith TeorisiGriffith camın kırılma mukavemetini incelerken, camçubuğun boyu uzadıkça mukavemetinin azaldığınıgörmüştür. Bu durumun, camın yüzey hatalarındanileri geldiği düşünülmüştür, çünkü cam çubuğun boyuuzadıkça yüzey hatalarının bulunma ihtimaliartmaktadır.Griffith gevrek bir malzemede çatlak bulunmasıhalinde, malzemenin kırılmadan dayanabileceğigerilmeyi tayin eden ilk bağıntıyı geliştirmiştir.

24

Irwin Teorisi Irwin ve arkadaşları gevrek kırılmayı ayrı bir görüşle

analiz etmişlerdir. Onlar analizlerinde çatlağın ucucivarındaki gerilme durumunu esas almışlardır.

Çatlak ucu civarındaki gerilmelerin hesaplanmasından,bir gerilme şiddet faktörü “K” parametresigeliştirmişlerdir. Gerilme şiddet faktörü “K” uygulanangerilmenin, çatlağın boyut ve şeklinin ve bir geometrikfaktörün fonksiyonudur.

26.10.2016

7

25

DENEY

(a) Numune çatlağın durması (b) Numune hızlı şekilde çatlağın durması (c) Çatlak kararlı bir şekilde malzemeyi kırar. (d) Numune malzeme tam olarak çatlamadan kırıldı.

26

Yorulma (Fatigue)• Bir malzeme sabit veya tekrar eden ve kopma

gerilmesinin altında olan yüklere maruz bırakıldığında birsüre sonra hata verebilir. Bu statik veya dinamik(döngüsel) yorulmadır.

• Yorulma kırılmaları implantların mekanik hatalarının enbüyük kaynaklarından birisi olarak gösterilir.

27

ToklukToughness

• Mekanik zayıflık genellikle kemiğin kırılması şeklindeortaya çıkar. Bir malzeme kırığını oluşturmaya yetecekenerji miktarıyla karakterize edilir. Bu büyüklük toklukolarak adlandırılır.

• Gerilme-zorlanma eğrisinin altındaki alan tokluğunhesaplanmasındaki basit yöntemlerden biridir.

• Kırılma gerilmesi teorik mukavemetin çok altındadır veöngörülmesi zordur. Bu sebeple seramik ve cammalzemeler doku ile mükemmel uyum göstermelerinerağmen implantlarda sıklıkla kullanılamazlar.

28

26.10.2016

8

29

Termal ÖzelliklerThermal Properties

• En çok bilinen termal özellikler erime ve donmasıcaklıklarıdır. Yani faz değişiklikleri çeşitli sıcaklıklardaoluşur. Bu sıcaklıklar bağ enerjilerine bağlı olarakdeğişir.• Mesela bağlanma mukavemeti yükseldikçe erimesıcaklığı da yükselir. Eğer malzeme pek çok element yada değişik moleküllerden oluşmuşsa çeşitli erime vekatılaşma sıcaklıklarına sahip olacaktır.• Bir malzemenin bir gramını katıdan sıvıya çevirmek içingerekli olan termal enerji füzyon ısısı olarak adlandırılır.

30

• Termal enerji tarafından saglanan birim uzunluktaki uzunluk degisimi () termal genleşme katsayısı olarak adlandırılır ve yukarıdaki formulle gösterilir

Dilatometre

31

• Diger önemli bir termal özellik isetermal iletkenliktir. Termal iletkenlikbelirli bir sürede ve kalınlıktamalzemenin alanından geçen ısımiktarı olarak tanımlanır. Birimiwatt/m.K dır.

• Genelde metallerin termaliletkenliği seramik vepolimerlerden daha yüksektir.Çünkü metallerdeki serbestelektronlar enerji iletkenleri olarakgörev yaparlar.

32

Termal Genleşme Katsayısı

26.10.2016

9

33

CiltTendonElastik kıkırdak Kalp kapakçığı

radyalçevresel

Aortçaprazboylamsal

Kalp Kası

Gerilme MukavemetiDokular En Yüksek Uzama

34

En Yüksek UzamaGerilme MukavemetiElastisite Modulü

35

Doğal Dokuların Mekanik Özellikleri

DokuElastisite Modülü(GPa)

Gerilme Muk.(MPa)

BasmaMuk.(MPa)

Uyluk kemiği 17.2 121 167

Boyunsal omurga 0.23 3.1 10

Süngerimsi kemik 0.09 1.2 1.9

Kıkırdak doku 0.016 15

26.10.2016

10

Ortopedik Biyomalzemelerin Özellikleri

Malzeme

Paslanmaz çelik 190 480CoCrMo 200 650Ti6Al4V 110 860

Kortikal kemik 10-20 100-200UHMWPE 2.2 30

Süngerimsi kemik 10-200.2-0.5

Elastisite Modülü(GPa)

Gerilme Muk.(MPa)

38

39

Polimerik BiyomalzemelerPolipropilen;

Özellik Değer

Yoğunluk (g/cm³) 0.90-0.91

Çekme Dayanımı (MPa) 28-36

Uzama (%) 400-900

Elastisite Modülü (GPa) 1.1-1.55

Yumuşama Sıcaklığı (˚C) 150

40

Poliamid;Özellik 66 610 6 11 Aramid KevlarYoğunluk (g/cm³) 1.14 1.09 1.13 1.05 1.30 1.45

Çekme Dayanımı (MPa)

76 55 83 59 120 2700

Uzama (%) 90 100 300 120 <80 2.8

Elastisite Modülü (GPa)

2.8 1.8 2.1 1.2 >2.8 130

Yumuşama Sıcaklığı (˚C)

265 220 215 185 275 -

26.10.2016

11

41

POLİAKRİLATÖzellik Radyoopak Kemik

ÇimentosuTicari akrilik reçineler

Çekme Dayanımı (MPa) 28.9±1.6 55-76

Basınç Dayanımı(MPa) 91.7±2.5 76-131Young’s modülü 2200±60 2930-3280Dayanıklılık Sınırı 0.3 uts 0.3 utsYoğunluk (g/cm³) 1.10-1.23 1.18Su Absorpsiyon (%) 0.5 0.3-0.4Büzülme (%) 2.75-5 -

uts : limit çekme dayanımı (ultimate tensile strength)

42

Metali

k Biyo

malze

meler

43

Seramik Biyomalzemeler• Al₂O₃ & ZrO₂:Sınırlamalar• Al2O3 ve ZrO2 yüksek elastik modülü koruyucu gerilmeye

yol açabilirMalzeme Elastik modülüSüngerimsi kemik 0.05-0.5Kortikal kemik 7-25Tıbbi Al₂O₃ 380-420PSZ 150-208Modül uyumsuzluğu 15-55 kez (kortikal kemik için)

760-7600 (süngerimsi kemik için)

44

CancellousSüngerimsi

CorticalKortikal

26.10.2016

12

45

Malzemeler Young’sModülü,E(GPa)

Basınç dayanımı (MPa)

Çekme dayanımı (MPa)

Alümina 380 4500 350

Bioglass seramikler 22 500 56-83

Kalsiyum fosfatlar 40-117 510-896 69-193

Pirolitik karbon 18-28 517 280-560

Seramik biyomalzemelerin mekanik özellikleri

Farklı malzemelerin elastik modülü (sertlik) ve gerilme gücü

Materyal Elastik modül(Sertlik, Gpa)

Tensil güç(Gerilme, Mpa)

Paslanmaz ÇelikCoCrMoTi6Al4VUHMWPEKortikal kemikSpongiyoz kemik

1902001102,210-200,2-0,5

4865086030100-20010-20

47

Kırılma ve Hatalar

48

Başarısız bir kalça protezinin kırık yapay kıkırdak örneği

26.10.2016

13

49

Hata ModlarıBağlanma noktasına yakın bölge

•Kemik-çimento arayüzey

Merkez bölge•Çimento kırığı•Gövde kırığı

Merkezden uzak bölge•Çimento kırığı

Kırılmaların Sınıflandırılması• Çapraz (gerilme/bağlanma kuv)• Spiral (burulma kuvveti)• Ufalanmış• Yaş kırılma (çocuklarda yaygın)• Eğik (eksenel basma kuv)

Kırık Sabitleme• Amaç:

– Kırığı yada hastalıklı kemiği onarmak

• Mekanizma– Döküm– Dahili– Harici

52

Bir seramik protezde çarpma kırığı

26.10.2016

14

53

Farklı parçalarda meydana gelen farklı zararlar

54

Sonradan kırılma

55

Kaval kemiği platosundaki iç kırılma

56

• Bir biyomalzemenin yüzeyi biyolojik sorumluluğunu belirlemede son derece önemlidir.• Biyomalzeme cihaz ve malzemelerinin bazıları hücre ve doku etkileşimine yeteri miktarda ulaşamazlar.• Bu yüzden yüzey yapısı malzemeyle hücre doku etkileşiminde önemli bir rol oynar.

Yüzey Özellikleri

26.10.2016

15

57

• Ölçülebilen parametreler:

a) Pürüzlülük, düzgünlük b) Kimyasal bileşim

Yüzey Özellikleri

58

c) Yüzeyler yapısal olarak heterojen olabilir. d) Yüzey ince bir film tabakasıyla kaplanarak heterojen olabilir.

Yüzey Özellikleri

59

e) Kristalinite f) Yeniden yapılmamış yüzey ve yeniden yapılmış yüzey.

Yüzey Özellikleri

“Ideal” yüzeyler sadece matematiksel olarak vardır

26.10.2016

16

Biyomalzeme yüzeyinin fiziksel tanımlamasıBiyomalzeme yüzeyleri fiziksel yapı olarak dikkate değer şekilde heterojenite gösterir:

Malzemeye bağlı: Metal vs. Polimer vs. Seramik vs. JelKimya: Polar vs. Apolar, Yük, ReaktiviteMorfoloji: Düzgün, Pürüzlü, Basamaklı, YayılmışDüzen: Kirstalin, Amorf, Yarı-Kristalin, FazlarÇevre: Hidrasyon, Çözücü kalitesi

Engebeli ile Fazlar

Hidrasyon

Camsı

Polimer Yüzey DinamiğiYeterince verilen akışkanlık, polimer yüzeylerini çevreleyen fazla arayüzey serbest enerjilerini minimize etmek için lokal mikro çevresi yeniden düzenlenecektir.

CH3

OH

CH3

OH

CH3 CH3

OH OH

OH OHOH OH

CH3 CH3CH3 CH3

Bulk Bulk

Polar Çözücü Apolar Çözücü / Hava