Travma, enfeksiyon, spor yaralanması veya tümör rezeksiyonu gibi çok çeşitli sebeplerden dolayı iskelet sisteminde birçok kusur meydana gelmektedir1. Bu kusurların önemli bir kısmı kendiliğinden iyileşemeyecek kadar büyük olmakta; etkili iyileşme için cerrahi müdahale ve hassas kemik onarımı gerektirecek olanlar da kritik boyutlu hasar olarak kabul edilmektedir. Kemik kusurlarını onarmaya yönelik geleneksel yaklaşımlar küçük kırıklar ve deformiteler için iyi sonuç verirken, daha büyük vakalar zorluk arz etmektedir ve toplumda azımsanmayacak oranlarda görülebilmektedir2. Bu nedenle, özellikle çiğneme, konuşma ve estetik bütünlüğün yanı sıra beynin korunması gibi hayati rolleri olan kafatası ve yüz ile ilgili kritik bölgelerdeki büyük kusurların yeniden modellenmesini ve iskelet sisteminin işlevselliğini iyileştirmek için yeni yaklaşımlar gerekli olmaktadır. Bu yaklaşımların temelini ise “biyomalzemeler” oluşturmaktadır. Biyomalzemeler temel olarak, canlı sistemlerle temas eden, etkileşime giren ve vücuttaki hücrelerin, dokuların ve organların teşhis ve tedavisi, değiştirilmesi ve yeniden onarımını tetikleyen doğal veya yapay özellikli fonksiyonel malzeme sınıfıdır3. İskelet sisteminde meydana gelen ciddi kırıklarda veya kemiğin tamamen yenilenemediği ve kemik defektleri oluştuğu durumlarda kullanılan biyomalzemeler “implant” adını almaktadır. Bu noktada vücut içerisinde kullanılacak implantların tasarımı önem arz etmektedir.
İdeal bir implant biyouyumlu olmalı, yüksek mukavemet, yüksek yorulma ve kırılma tokluğu gibi doğal kemik dokusunun mekanik özelliklerini yansıtmalı, yine doğal dokunun yüzey ve kimyasal özelliklerine benzer nitelikler göstermeli ve insan vücudunda maruz kaldığı reaktif ortama dayanırken bulunduğu mikroçevrede toksik etki oluşturmamalıdır4. Bu amaçla en sık kullanılan biyomalzeme türleri metal, seramik, polimer ve kompozit malzemeler olup metaller kemik dokuya en çok benzeyen ve ihtiyaç duyulan özellikleri en çok sağlayan biyomalzeme türü olarak ön plana çıkmaktadır. Paslanmaz çelik, Kobalt-krom molibden ve Titanyum alaşımları tıpta ve diğer çalışma alanlarında kullanılan en yaygın üç metalik biyomalzemedir. Paslanmaz çelik, düşük yorulma dayanımı ve korozyona karşı yüksek hassasiyeti nedeniyle; kobalt bazlı alaşımlar ise zayıf yorumla mukavemetine ek olarak diğer implant malzemelerine kıyasla yüksek elastikiyet modülüne sahip olduğundan bu metalik malzemelerin kullanımı sınırlı kalmaktadır. Ayrıca, bu malzemelerden iyon salımının kanserojen etkiye sahip olduğu bulunmuştur. Titanyum ve alaşımları ise, üstün biyouyumluluk, yüksek yorulma mukavemeti, düşük elastikiyet modülü gibi gelişmiş mekanik özellik sergilemenin yanı sıra yüzey üzerinde çok çeşitli modifikasyonların kolaylıkla uygulanmasını sağladığından en uygun implant malzemesi olarak ön plana çıkmaktadır. Ayrıca, titanyumun yüzeyinde kendiliğinden oluşan oksit tabaka titanyum implantın vücut içerisinde korozyona karşı direnç göstermesini sağlamaktadır. Bu durum da metal iyon salımından kaynaklı toksisiteyi en düşük seviyeye indirmeye yaramaktadır. Ek olarak, titanyumun kendine özgü mikropürüzlü yüzey yapısı osteointegrasyonu kolaylaştırırken diğer metalik malzemelerde bu durum gözlemlenmemektedir5,6.
Osteointegrasyon, canlı kemik dokusu ile implant yüzeyi arasında bulunan yapısal ve işlevsel bir bağlantı olarak tanımlanmakla beraber implant stabilitesi için kritik öneme sahiptir ve uzun vadeli klinik başarı için osteointegrasyonun erken dönemde yüksek seviyede sağlanması
gerekmektedir7. Çalışmalarda kullanılan titanyum ve alaşımları incelendiğinde, alaşımda bulunan vanadyumun biyolojik nesneler üzerinde toksik etkiye sahip olduğu görülmüştür. Aynı zamanda alüminyumun ve demirin toksik elementler olmamakla birlikte implantların etrafındaki bağ dokusu yapısının oluşumunu etkilediği belirtilmektedir. Demir ise organik kültürün büyümesini engellemektedir. Ayrıca, titanyum alaşımlarından yapılan implantlara doku hücrelerinin tutunması, saf titanyumdan yapılan implantlara göre biraz daha zayıf olmaktadır8. Yukarıda bahsedilen tüm dezavantajları önlemek için implant yüzeylerinin oksit tabaka ile kaplanması ön plana çıkmaktadır. Elektrokimyasal biriktirme, sol-gel, hava plazma püskürtme (APS), magnetron püskürtme, anodizasyon, asit ile dağlama gibi çok çeşitli yöntemlerle titanyum ve alaşımları üzerinde oksit tabaka oluşturulabilmektedir. Ticari olarak kullanımda olan bir takım Titanyum implantlar anodize formda satılmakta, oluşan oksit tabakanın kemik uyumunu arttırdığı ve daha başarılı implantasyon sonuçları elde edildiği raporlanmıştır9,10. Ayrıca Titanyumun hassas çözeltiler içinde anodize edilmesiyle üzerinde titanyum dioksit (TiO2) içeriğe sahip nanogözenekli filmler de elde edilebilmekte, bu gözenekler hem hücresel davranışın iyileşmesini sağlayabilmekte hem de bir rezervuar görevi görüp kemikleşmeyi tetikleyici protein ve diğer birtakım biyomoleküllerin salınmasını da sağlayarak daha etkin osteointegrasyon potansiyeli taşımaktadır. In-vitro ve in-vivo ortamda yapılan çalışmalarla bu durum kanıtlanmıştır11,12. TiO2 nanotüplere yukarıda bahsedildiği üzere kemik morfojenik proteini (BMP-2), fibroblast büyüme faktörü-2 (FGF-2) gibi büyük moleküler proteinlerin yanı sıra gentamisin ve sirolimus gibi küçük moleküler antibiyotikler yüklenerek implant bölgesinde hem kemik oluşumunun hızlanması hem de herhangi bir enfeksiyona sebebiyet vermemek için antibakteriyel bir ortam oluşturulması sağlanmıştır13,14,15,16.
Bu oksit tabakalar arasında anodizasyon tekniği ile üretilen nanogözenekli anodik alüminyum oksit (AAO) tabakaların17,18 kullanımı grubumuzca çalışılan alanlardan birisidir (Şekil 1, sol görüntü). Anodizasyon tekniği geniş ve kavisli metal yüzeylerde konformal kaplama sağladığından ötürü implant yüzeylerinin kaplanmasında bu tekniğin avantaj yaratacağı düşünülmüştür. Bu oksit yüzeylerin kemik doku mühendisliğinde kullanımlarını teşvik eden özellikleri, yukarıda bahsedilen nanogözenekli titanyum dioksit yapılara kıyasla kolay koşullarda üretilebilmeleri, biyouyumlu olmaları, kontrol edilebilir gözenek oranları sayesinde oluşan artırılmış yüzey alanları ve kemik oluşumuna katkı sunan hücrelerin doğal nanotopografik ortamlarına benzetilebilmeleridir. Metal yüzeyi kaplayacak AAO gibi bir oksit tabakanın, metalik yapıların göç ve toksisite eğilimlerini de baskılayacağı açıktır. Söz konusu AAO membranlar literatürde farklı elektrolitlerde oluşturulabilmekte ve bu membranların anodizasyonun gerçekleştiği elektrolitle ilintili bir iyonik karakter kazandığı bilinmektedir19. Gerçekleştirdiğimiz ön çalışmalarda, anodizasyonun gerçekleştiği çözeltinin, kaplamanın nihai fonksiyonu üzerinde direkt etkisi olduğu ve kritik boyuttaki kemik hasarlarında istenilen hızlı mineralizasyonun sağlanmasında elektrolit tercihinin kritik öneme sahip olduğu bulunmuştur. Yine düz titanyum implanta kıyasla, nanoboyutta yüzey morfolojisinin hücre farklılaşmasını tetiklemede önemli bir faktör olduğu göze çarpmaktadır.
AAO membranlar Titanyum tabanlı implant malzemelerin yüzeylerine kaplanabileceği gibi kendileri bağımsız kalıplar olarak kullanılıp, düzgün sıralı nanoçubuklarla kaplı polimerik filmlerin üretimi içinde kullanılabilmektedir (Şekil 1, sağ). Canlı organizmaların doğal organizasyonundan esinlenen biyomimikri stratejilerini içeren bu çalışmalarda nanogözenekli AAO kalıplar kullanılarak nanoçubuklarla bezeli kitosan/jelatin ve kolajen/jelatin biyopolimerik filmler üretilmiş, bu filmlerin antibakteriyel özelliklerinin yanı sıra osteogenez potansiyelleri nanogözenek içermeyen düz kitosan/jelatin ve kolajen/jelatin filmler ile ve ayrıca kontrol olarak doku kültürü polistireni ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Nanoçubuklu kitosan/jelatin filmlerin erken evrede osteojenik farklılaşmayı tetikleyecek şekilde gen ekspresyonunda artış sağladığı ve bu filmlerdeki nanotopografi varlığının hem mezenkimal kök hücrelerin hem de osteoblast benzeri hücrelerin mineralizasyon kapasitesini önemli ölçüde artırdığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmanın, üstün osteojenik farklılaşma kapasitesine ve hızlı kemik rejenerasyon potansiyeline sahip ortopedik implant kaplamaları için biyomimetik yüzey topografisi üretimine yeni bir bakış açısı sağladığı düşünülmektedir20. Nanoçubuklu kolajen/jelatin filmler ise dişin yapısında bulunan Sharpey fiberlerinden esinlenerek üretilmiştir (Şekil 2). Sharpey yapıları gibi birbirlerine paralel ancak film yüzeyine dik olarak üretilen ve Sharpey fiberlerinin içeriğindeki kolajeni taklit eden bu nano yapıdaki kolajen/jelatin biyopolimerik filmlerin düz filmler ve doku kültürü polistireni ile karşılaştırıldığında büyük ölçüde artan yüzey alanı ve yüzey pürüzlülüğü sayesinde yüksek hücre canlılığı, önemli ölçüde hücre tutunumu artışı ve mineralizasyon kapasitesi sergiledikleri görülmüştür. Sharpey fiberlerden esinlenen biyoaktif nanoçubuklu kolajen/jelatin filmlerin, gelişmiş hücresel ve osteojenik özelliklere sahip bir dental implant kaplama malzemesi veya doku mühendisliği platformu olarak kullanılabileceği öngörülmektedir21. Grubumuzda bu ve benzeri biyomimikri stratejileri kullanılarak biyoalgılayıcı yüzeyler, etkin yara örtü malzemeleri ve fonksiyonel nanokompozit kaplamalarla ilgili çalışmalar aktif olarak devam etmektedir ve bu çalışmalar Türkiye Bilimler Akademisi (TÜBA) Üstün Başarılı Genç Bilim İnsanı ödülü ile taçlandırılmıştır22.
Şekil 2. AAO membranın kalıp olarak kullanıldığı kolajen/jelatin biyopolimerik filmlerin üretimi ve bu film üzerinde hücresel aktivitenin araştırılması21.
Referanslar
1. Aghali, A. (2021). Craniofacial bone tissue engineering: current approaches and potential therapy. Cells, 10(11), 2993.
2. Awad, K., Ahuja, N., Yacoub, A. S., Brotto, L., Young, S., Mikos, A., ... & Varanasi, V. (2023). Revolutionizing bone regeneration: advanced biomaterials for healing compromised bone defects. Frontiers in Aging, 4.
3. Kurup, A., Dhatrak, P., & Khasnis, N. (2021). Surface modification techniques of titanium and titanium alloys for biomedical dental applications: A review. Materials Today: Proceedings, 39, 84-90.
4. Revathi, A., Borrás, A. D., Muñoz, A. I., Richard, C., & Manivasagam, G. (2017). Degradation mechanisms and future challenges of titanium and its alloys for dental implant applications in oral environment. Materials Science and Engineering: C, 76, 1354-1368.
5. Kim, T., See, C. W., Li, X., & Zhu, D. (2020). Orthopedic implants and devices for bone fractures and defects: Past, present and perspective. Engineered Regeneration, 1, 6-18.
6. Revathi, A., Borrás, A. D., Muñoz, A. I., Richard, C., & Manivasagam, G. (2017). Degradation mechanisms and future challenges of titanium and its alloys for dental implant applications in oral environment. Materials Science and Engineering: C, 76, 1354-1368.
7. Parithimarkalaignan, S., & Padmanabhan, T. V. (2013). Osseointegration: an update. The Journal of Indian Prosthodontic Society, 13(1), 2-6.
8. Grigoriev, S., Sotova, C., Vereschaka, A., Uglov, V., & Cherenda, N. (2023). Modifying coatings for medical implants made of titanium alloys. Metals, 13(4), 718.
9. 9. Astra Tech Implant Sistemi®-Klinik dokümantasyon / Dentsply Sirona, Erişim adresi: https://live.dentsplysirona.com/content/dam/flagship/en/explore/implantology/implant-systems/astra-tech-implant-system/documents/32670180-USX-1802%20Scientific%20review_Clinical%20documentation%20on%20Astra%20Tech%20Implant%20System.pdf.coredownload.pdf
10. 10. Guo, J., Padilla, R. J., Ambrose, W., De Kok, I. J., & Cooper, L. F. (2007). The effect of hydrofluoric acid treatment of TiO2 grit blasted titanium implants on adherent osteoblast gene expression in vitro and in vivo. Biomaterials, 28(36), 5418-5425.
11. 11. Wang, C., Liu, Y., Hu, X., Shang, X., Ma, S., Guo, H., ... & Cheng, W. (2023). Titanium dioxide nanotubes increase purinergic receptor P2Y6 expression and activate its downstream PKCα-ERK1/2 pathway in bone marrow mesenchymal stem cells under osteogenic induction. Acta Biomaterialia, 157, 670-682.
12. 12. Zhang, W., Jin, Y., Qian, S., Li, J., Chang, Q., Ye, D., ... & Jiang, X. (2014). Vacuum extraction enhances rhPDGF-BB immobilization on nanotubes to improve implant osseointegration in ovariectomized rats. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 10(8), 1809-1818.
13. 13. Su, E. P., Justin, D. F., Pratt, C. R., Sarin, V. K., Nguyen, V. S., Oh, S., & Jin, S. (2018). Effects of titanium nanotubes on the osseointegration, cell differentiation, mineralisation and antibacterial properties of orthopaedic implant surfaces. The bone & joint journal, 100(1_Supple_A), 9-16.
14. 14. Ma, Q., Wang, W., Chu, P. K., Mei, S., Ji, K., Jin, L., & Zhang, Y. (2012). Concentration-and time-dependent response of human gingival fibroblasts to fibroblast growth factor 2 immobilized on titanium dental implants. International Journal of Nanomedicine, 1965-1976.
15. 15. Draghi, L., Preda, V., Moscatelli, M., Santin, M., & Chiesa, R. (2020). Gentamicin-loaded TiO2 nanotubes as improved antimicrobial surfaces for orthopedic implants. Frontiers in materials, 7, 233.
17. 16.Bjursten, L. M., Rasmusson, L., Oh, S., Smith, G. C., Brammer, K. S., & Jin, S. (2010). Titanium dioxide nanotubes enhance bone bonding in vivo. Journal of Biomedical Materials Research Part A: An Official Journal of The Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials, 92(3), 1218-1224.
18. Masuda, H., Hasegwa, F., Ono, S. 1997. “Self-ordering of cell arrangement of anodic porous alumina formed in sulfuric acid solution”, Journal of the Electrochemical Society. 144, L127-L130.
19. Altuntas, S., & Buyukserin, F. 2014. “Fabrication and characterization of conductive anodic aluminum oxide substrates”, Applied surface science, 318, 290-296.
20. Michalska-Domańska, M., Norek, M., Stępniowski, W. J., & Budner, B. 2013. “Fabrication of high quality anodic aluminum oxide (AAO) on low purity aluminum—A comparative study with the AAO produced on high purity aluminum”, Electrochimica Acta, 105, 424-432.
20. Altuntas, S., Dhaliwal, H. K., Bassous, N. J., Radwan, A. E., Alpaslan, P., Webster, T., ... & Amiji, M. (2019). Nanopillared chitosan/gelatin films: a biomimetic approach for improved osteogenesis. ACS Biomaterials Science & Engineering, 5(9), 4311-4322.
21. Erturk, P. A., Altuntas, S., Irmak, G., & Buyukserin, F. (2022). Bioinspired collagen/gelatin nanopillared films as a potential implant coating material. ACS Applied Bio Materials, 5(10), 4913-4921.
Comments