Biyouyumluluk ve korozyon dayanımları nispeten düşük olup kristal yapılarından dolayı dokulara göre çok sert yüksek yoğunlukları ve alerjik doku reaksiyonlarına yol açabilen metal iyon salınımı gibi dezavantajlara rağmen, kristal yapıları ve sahip oldukları güçlü metalik bağlar ve üstün mekanik özelliklerden dolayı yoğun bir şekilde kullanılırlar. Titanyum (Ti) ve titanyum alaşımları, paslanmaz çelikler (304, 316, 316L) ve kobalt (Co) gibi metal ve metal alaşımlarının biyomalzeme olarak özellikle ortopedi ve diş hekimliği alanlarında yaygın bir şekilde tercih edilmektedir. Bu malzemeler ortopedik uygulamalarda eklem protezi ve kemik yenileme malzemesi olarak kullanılırken, yüz çene cerrahisinde, diş implantlarında, kalp-damar cerrahisinde yapay kalp parçaları, kateter, vana ve kalp kapakçığı olarak birçok alanda da kullanılmaktadırlar. Teşhis ve tedavi amaçlı kullanılan biyomedikal cihazların üretiminde de metalik biyomalzemeler yaygın bir şekilde tercih edilmektedir.
Metalik biyomalzemeler olarak en çok uygulama alanına sahip metal ve metal alaşımları; paslanmaz çelikler, titanyum ve titanyum alaşımları, kobalt-krom alaşımları, nikel-titanyum alaşımları, tantal alaşımlarıdır. Platin, tantal ve zirkon gibi elementlerin mekanik dayanımlarının düşük olması implant olarak kullanım alanını sınırlamaktadır. Yüksek dayanımın (bası, çeki, burulma, yorulma, eğilme) gerektiği yerlerde genel olarak en yaygın olarak metalik malzemeler; paslanmaz çelikler, Co-Cr-Mo alaşımları ile titanyum ve titanyum alaşımları tercih edilir.
Önerilen Makale: Çelik malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
otomat çeliği nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılan metal esaslı biyomalzemeler ve kortikal kemiğin mekanik özellikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
| Malzeme |
Yoğunluk ( c) g/cm3 |
Elastisite Modülü E (GPa) |
| Kortikal Kemik |
2.0 |
7-30 |
| Kobalt-Krom alaşımı |
8.5 |
230 |
| 316L paslanmaz çelik |
8.0 |
200 |
| Titanyum |
4.5 |
110 |
| Ti6Al4V |
4.4 |
106 |
| NiTi (Nitinol) |
6.45 |
50 |
Paslanmaz çelikler, Ti ve Ti alaşımları gibi metalik malzemeler, metalik olmayan seramik ve polimerik malzemelerle karşılaştırıldığında özellikle üstün çekme dayanımı, yorulma dayanımı ve kırılma tokluklarından dolayı biyomalzeme olarak tercih edilirler. Biyomalzeme alanında kullanılan kobalt alaşımları, kobalt-krom ve kobalt-krom-nikel-molibden alaşımlarıdır. Alaşım ağırlığının % 65 kobalt içerirler. Molibden katkısı ince taneli bir yapı ve mekanik özellikleri iyileştirmektedir. Co-Cr ve CoCr-Ni-Mo alaşımı yaygın olarak diz ve kalça gibi yüklenmeye maruz kalan eklem bölgelerindeki protezlerde kullanılmakta olup elastisite modülleri paslanmaz çeliğe göre daha yüksektir. Co-Cr-Mo alaşımı döküm yapılarak elde edilen bir alaşım olup daha ince taneli bir içyapı için molibden ilavesi ile mekanik dayanımı artmıştır. Krom ise alaşımın içerisinde katı çözelti oluşturarak dayanımı arttırmaktadır. Sıcak dövme işlemi ile imal edilen Co-Cr-Ni-Mo alaşımının yüksek aşınma, çekme ve yorulma dayanımlarına sahip olup dökme ve dövme alaşımları yüksek korozyon direncine sahiptir.
Paslanmaz çelik ilk olarak 18/8 oranlı Cr/Ni paslanmaz çelik kullanılmıştır. Mekanik dayanım ve yüksek korozyon dayanımından dolayı Vanadyum çeliğinden imal edilmiş olan Vanadyum çeliğinin implant olarak uzun bir dönem in vivo şartlarda kullanılması korozyon dayanımının düşüklüğünden kaynaklı yeterli dayanım gösterememiştir. %1‘den daha düşük karbon içeriğine sahip ve diğer metaller ve ametalleri de barındırıp imal edilen çeliklere alaşımlı çelik olarak adlandırılmakta olup bu gruptaki çelikler, karbon çeliğine göre daha maliyetli ve işlenmelerinde diğer çelik gruplarına göre daha zordur, ancak korozyon ve ısıl dirençleri daha yüksektir. Alaşımlı çelikler; alüminyum, krom, nikel, kobalt, bakır, mangan, molibden, fosfor, silisyum, kükürt, titanyum, tungsten ve vanadyum içerisinde bulundurabilir. Alüminyum, aşınmaya karşı direnci artırırken, yüksek miktarlarda eklenen krom, korozyon direncini ve ısıl direnci artırır. Biyomalzeme alanında yaygın kullanılan paslanmaz çelik 316L olarak bilinir. “L”, karbon içeriğinin düşük olduğunu belirtmek için kullanılmıştır. 316L paslanmaz çeliğin 1950’li yıllarda 316 paslanmaz çeliğin karbon içeriği, ağırlıkça %0.08’den %0.03’e düşürülerek imal edilmiştir. 316L’nin, %60-65’i demir olup, %17-19 krom ve %12-14 nikelden oluşur. İçeriğinde az miktarlarda azot, mangan, silisyum, kükürt, fosfor ve molibden de bulunur.
Bir metalik biyomalzemelerin rijitliği, elastisite modülleri ile doğrudan bağlantılıdır. Bu bağlamda 316L paslanmaz çeliklerin elastisite modülleri titanyum ve titanyum alaşımlarına göre daha yüksek olduğu Tablo 3’te görülmektedir. 316L paslanmaz çeliğin başlıca kullanım alanları eklem protezleri, kemik plakaları ve kemik vidalarıdır. Vücudun kemik dokularında tercih edilmesinin nedeni mekanik dayanımları kemik dokusuna göre çok iyi olmalarından kaynaklıdır.
316L paslanmaz çelik alaşımına Cr ilavesi ise metal yüzeyinde krom oksit tabakasının oluşumunu ve molibden (Mo) takviyesi ile de tane sınırlarında korozyon direncinde artış sağlanmaktadır. Ancak, paslanmaz çelik, Ti ve Co-Cr-Mo alaşımlarına göre biyouyumluluk ve korozyon direnci yönünden daha zayıf kalmaktadır. Co-Cr implant alaşımları nikel içeren ve içermeyen olarak iki grupta inceleyebiliriz. Yaygın olarak kullanılan alaşımlar; Co-Ni-Cr-Mo ve Co-CrMo alaşımlarıdır. Co-Ni-Cr-Mo alaşımı ağırlıkça %25-27 oranlarında nikel içermektedir, yüksek korozyon direncinin yanında toksik etki ve immünojenik (konak yapılara karşı dokuların savunma için oluşturduğu bağışıklık) etkilere de sahiptir. Bu durumlar ve düşük aşınma dayanımından dolayı alaşım eklem protezlerinde pek tercih edilmez. Co-Cr-Mo alaşımının kullanımı bu bölgelerde daha çok tercih edilmektedir.
Titanyum’un kullanımı 1930’dan günümüze kadar artan oranlarda biyomalzeme olarak kullanılmaktadır. Metalik biyomalzeme olarak titanyum ve alaşımları, paslanmaz çelik, vitalyum’a (CoCrMo alaşımı) göre daha hafif olması, bunun yanında mekanik ve kimyasal özellikleri biyomalzeme uygulamaları için önem kazanmıştır. Titanyumun, inert özellikte olması, nontoksik yapısı, antimagnetik özelliği, hafif olması, mekanik özelliklerinin iyi olması, rahatlıkla küçük boyutlu numunelerin üretilebilmesi, biyouyumluluğunun yüksek olması, korozyona karşı dirençli olması, elastiklik modülünün kemik değerlerine yakın olması, titanyumun ortopedik uygulamalar için biyomalzeme olarak tercih edilmesini sağlamaktadır.
Birçok biyomedikal uygulamalarda saf titanyum ve Ti6Al4V alaşımı kullanılmaktadır. Çekme dayanımı 240-740 MPa arasındaki değerlere sahip olan saf titanyum genellikle dental implantlarda kullanılmaktadır. Titanyumun biyomalzeme olarak kullanılan Ti6Al4V alaşımı dünya titanyum pazarında %50 gibi yüksek bir oranda kullanma kapasitesiyle önemini korumaktadır. Ti6Al4V alaşımının bu kadar oranda tercih edilmesinde, yüksek korozyon direnci, statik ve dinamik dayanımının yüksek olmasından kaynaklanmaktadır.
Genel olarak Titanyumun, kimyasallar ve asitlere karşı iyi bir korozyon direnci göstermesi, dokuda alerjik reaksiyon oluşturmaması, renk değiştirmemesi, iyi mekanik dayanım gibi özelliklere sahip olması birçok farklı sektörün ilgisini çekmiştir. Titanyum üretim ve işleme teknolojisi yüksek ve pahalı olmasına rağmen sağladığı üstün özelliklerinden dolayı; havacılık, uzay, uçak, tıp (kalça ve diz implantları, kalp valfi, diş dolgu maddesi v.s.), el aletleri ve hatta golf sopasına kadar pek çok kullanım alanına sahiptir.
Düşük elektrik iletkenliği, uygun biyolojik özellikleri ve oda sıcaklığında kısa sürede yüzeylerde yoğun bir oksit tabakası oluşturmaktadır. Oluşan oksit tabakası iyon ve elektron geçişini önleyici bariyer gibi davranarak titanyum ve titanyum alaşımlarının biyolojik özelliklerini daha da iyileştirmektedir. Metalik biyomalzemeler için düşük çözünürlük ve yüksek termodinamik denge durumu beklenilmektedir.
Bir başka implant malzemesi olan Nikel-Titanyum alaşımları (NiTi) ise deforme olduktan sonra, ısıtıldıklarında ilk şekline dönebilme özelliğine sahip olan alaşımlardır. Bu özellik “şekil hafıza etkisi” (Shape Memory Effect-SME) olarak isimlendirilmiş olup ilk olarak Buehler ve arkadaşları tarafından gözlemlenmiştir. Biyomalzeme uygulamalarında NiTi’nin şekil hafıza etkisinden yaralanarak diş köprüleri, kafatası içerisindeki damar bağlantıları, yapay kalp için kaslar ve ortopedik protezlerin üretiminde kullanılır. Martenzitik faz dönüşümü, termoelastik ve termoelastik olmayan martenzitik dönüşüm olarak iki grupta ele alabiliriz. Termoelastik martenzitik dönüşüm hareketli ikiz ara yüzeylerinden oluşan ve kristalografik olarak tekrar eski haline geri dönebilen bir mekanizmadır. Bu mekanizmada deformasyon, dislokasyon kayması ile değil ikizlenme benzeri bir mekanizma ile ortaya çıkmaktadır.
NiTi (Nitinol) alaşımları diğer biyomalzemelere göre mekanik özellikleri bakımından dokuyla daha iyi bir uyum sergilemektedir. Ayrıca NiTi alaşımları korozyon, aşınma ve darbe dayanımı, manyetik olma özelliğinden kaynaklı Manyetik Rezonans Görüntüleme Cihazında (MR) da görülebilmektedir. NiTi alaşımları, tıp alanında yapılan araştırmalar da bahsedilen ilgi çekici özellikleri nedeniyle biyomalzeme olarak birçok tıbbi uygulamada başarılı olmuştur. İnsan üzerinde yapılan ilk klinik uygulaması ortodontide görülmüştür. NiTi alaşımından yapılan bir implatın insan vücudunda en uzun kalma süresi 20 yıl olarak tespit edilmiştir. Birçok ülke de nitinolun diş implantı, kan filtresi ve stent olarak kullanımı kabul görülmüştür. Nitinol bazı diğer biyomalzemelere göre üretim ve talaşlı imalat süreçleri güç olması nedeniyle biyomalzeme uygulamalarında kullanımı gecikmeye uğramıştır.
İmplant bağlantıları, doku protezleri, tıkanmış veya daralmış damarların açılmasında şekil hafızalı nitinolun kullanımı oldukça yaygındır. Şekil hafızalı olmasından dolayı harekete geçirme kabiliyeti ve esnek özellikleri nedeniyle kas ve tendonların yer değiştirmesini sağlayan biyomalzeme olarak kullanımı önem teşkil etmektedir. Ancak, çıplak nitinol biyomalze olarak vücut içinde kullanımı Ni iyonu salınıma neden olarak alerjik reaksiyona yol açarak hücre gelişimi üzerinde tehlike oluşturmaktadır. Bundan kaynaklı nitinole bir takım yüzey işlemleri ve yüzeyde pasif bir tabakanın oluşturulması klinik uygulamalar için göz ardı edilmeyecek kadar önem arz etmektedir.
Nitinolun süperelastik özelliği sayesinde stentler, kalp kapakçıkları, klavuz teller ve kan filtreleri gibi kardiyovasküler uygulamalarda kullanımı paslanmaz çelik, titanyum, kobalt krom alaşımlara göre son 20 yıl içinde da büyük bir artış kazanmıştır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar in-vivo ve in-vitro deneylerinde Nitinolün mükemmel korozyon dayanımına rağmen kardiyovasküler malzeme olarak kullanımında korozyon görülmüştür.
NiTi alaşımların implant malzemesi olarak kullanılmaları insan kemiğinin sahip olduğu mekanik özelliklere benzer özellikler sergilemesinden kaynaklanmaktadır. İnsan kemiğinin ve NiTi alaşımın yük altındaki davranışları benzer özellikler taşımaktadır. İmplant malzemesi olarak konvansiyonel olarak kullanılan 316L paslanmaz çelik malzemenin ise yük altındaki davranışı farklılık göstermektedir.
NiTi alaşım malzemesi konvansiyonel olarak %8 elastik uzamaya sahip iken konvansiyonel olarak kullanılan 316L paslanmaz çelik malzeme sadece %0,5 gibi bir elastik uzamaya izin vermektedir. İnsan kemik dokusuna baktığımızda uzama miktarı elastik olarak %1 seviyelerinde ve milyonlarca döngü yapabilme kapasitesine sahiptir. Paslanmaz çelikten imal edilen bir implantla desteklenen kemik dokusunda, elastik uzama kaybı ve yüksek yük dayanımına sahip implant ile doku arasında yük paylaşım dengesizliği oluşmaktadır.
Benzer problemler yığın (bulk) haldeki NiTi alaşımları içinde gözlenebilmekte, yük paylaşım dengesizliği ve doku-implant ara yüzeyler arasındaki tutunamama gibi problemler ortaya çıkabilmektedir. Bu problemlere karşı alternatif olarak NiTi alaşımlarının gözenekli olarak imal edilmesi çözüm olarak önerilmiştir. Gözenekli NiTi alaşımları yığın malzemeye görece daha düşük mekanik özelliklere sahip olmakla birlikte gözenekli yapısından dolayı implantın yüzeyinden iç doku büyümesine izin vermekte, doku için gerekli olan dolaşım sisteminin de büyümesine olanak sağlamaktadır.
NiTi alaşımları biyomalzeme uygulamalarında tercih edilmesinde hem şekil hafıza etkisi hem de süperelastisite özelliklerinden dolayı öne çıkarmaktadır. Mevcut özelliğinden yararlanırken kişinin vücut ısısı veya dışarıdan bir ısı kaynağı ile şekil hafıza etkisi aktive edilebilmektedir. İmplant malzemesi olarak kullanılan NiTi alaşımın şekil hafıza özelliği implantasyon öncesi veya sonrasında aktive edilebilir. Bu durumda iki farklı özellik ortaya çıkmaktadır; ilki kişiye özel geliştirilmiş kemik dokusu bağlılığı, ikincisi ise invazif (açık) ameliyatların gerekliliğini azaltmasıdır.
