Taşkın CEYHAN, Volkan GÜNAY, Ahmet ÇAPOĞLU, Hakan SAYRAK, Çetin KARACA

Bir cam-seramik biyomalzemenin üretimi, tanımlanması ve biyolojik etkilerinin canlı-dışı ve canlı-içi ortamda değerlendirilmesi

Amaç: Cam-seramikler kemik yerine kullanılabilen, genellikle sol-jel yöntemiyle elde edilen biyomalzemelerdir. Kemik dokusu ile organik bağlarla bütünleşmesi (osteoentegrasyon) önemli özellikleridir. Bu çalışmada bir biyocam-seramik üretilerek, yapısal özellikleri ve canlı-dışı (in vitro) ve canlı-içi (in vivo) biyolojik etkileri değerlendirildi. Çalışma planı: Sol-jel toz sentezi yöntemiyle, tetraetilortosilikat, dibütilfosfat, magnezyum ve kalsiyum nitrat kullanılarak, 30SiO2-17MgO-53Ca3(PO4)2 formülüne yakın cam seramik elde edildi. Örneklere 1100 °C’ye kadar sıcaklık uygulanarak, mikroyapıları ve oluşan kristal fazlar taramalı elektron mikroskobu ve X-ışını kırınımı (difraksiyon) (XRD) ile incelendi. Canlı-dışı test için, cam-seramik örnekleri 10, 30 ve 40 gün süreyle, plazma içindeki iyonları içeren yapay vücut sıvısı (YVS) içinde bekletildi. Daha sonra, XRD ile incelendi. Son olarak, canlı-içi test için örnekler Sprague-Dawley türü sıçanların tibia kemiklerine gömülerek kemik dokusu ile 4, 6 ve 8 haftalık sürelerde bütünleşmesi incelendi. Sonuçlar: Üretilen cam-seramikte sıcaklık artmasıyla kristal fazların büyüdüğü görüldü. Yapay vücut sıvısı içinde 10 gün bekletilmiş örneklerde XRD’de değişiklik olmazken, 30 ve 40 gün bekletilen örneklerin 2. ve 3. derece kristal evrelerinde hidroksiapatit kristal oluşumu gözlendi. Canlı-içi deney sonuçları, cam-seramiğin kemiksi dokunun yerini almaya ileri derecede yatkın olduğunu ve sekiz hafta içinde kemik ile bütünleştiğini gösterdi. Çıkarımlar:Ürettiğimiz cam-seramik yüzey -reaktiftir ve ortopedide kemik yerini tutucu malzeme olarak kullanılabilir.

Anahtar Kelimeler:

Değerlendirme çalışmaları, Seramikler, Cam, Toz ilaçlar, Sıçanlar, Yüzey özellikleri, Biyouyumlu materyaller

Production and characterization of a glass-ceramic biomaterial and in vitro and in vivo evaluation of its biological effects

Objectives: Glass-ceramics are biomaterials that are usually produced by the sol-gel technique and can be used as a substitute for bone. One important feature of glassceramics is osteointegration with bone tissue. This study was designed to produce a glass-ceramic and evaluate its structure and in vitro and in vivo biological effects. Methods: With the sol-gel method, a glass-ceramic was synthesized in the form of 30SiO2-17MgO-53Ca3(PO4)2 using tetraethylorthosilicate, dibutyl phosphate, magnesium, and calcium nitrate. Glass-ceramic jel samples were sintered at temperatures up to 1100 °C and their microstructure and phases were examined by the X-Ray diffraction (XRD) technique and scanning electron microscopy. For in vitro tests, the samples were immersed in a simulative body fluid (SBF) for 10, 30, and 40 days to be analyzed by XRD. For in vivo tests, the samples were placed in tibial metaphyses of Sprague-Dawley rats for 4, 6, and 8 weeks for histological evaluation of osteointegration. Results: As the temperature increased, growth of crystal phases was noted. While XRD analysis showed no change in samples that were kept in SBF for 10 days, hydroxyapatite crystals were seen after 30 and 40 days of SBF treatment in the second and third degree of crystal phases. In vivo test results showed that the glass-ceramic possessed a high tendency to replace osteoid bone tissue, with full osteointegration at eight weeks. Conclusion: The glass-ceramic produced has a high surface reactivity and can be used as a bone substitute material.

Keywords:

Evaluation Studies, Ceramics, Glass, Powders, Rats, Surface Properties, Biocompatible Materials,

___

1. Sepulveda P, Jones JR, Hench LL. Characterization of melt-derived 45S5 and sol-gel-derived 58S bioactive glasses. J Biomed Mater Res 2001;58:734-40.
2. Hench LL, West JK. Biological applications of bioactive glasses. Life Chem Rep 1996;13:187-241.
3. Oliveira JM, Correia RN, Fernandes MH. Surface modifications of a glass and a glass-ceramic of the MgO-3CaO. P2O5-SiO2 system in a simulated body fluid. Biomaterials 1995;16:849-54.
4. Kokubo T, Kushitani H, Ohtsuki C, Sakka S, Yamamuro T. Chemical reaction of bioactive glass and glass-ceramic with a simulated body fluid. J Mater Sci Mater Med 1992;3:79-83.
5. Pereira MM, Clark AE, Hench LL. Effect of texture on the rate of hydroxyapatite formation on gel silica surface. J Am Ceram Soc 1995;78:2463-8.
6. Ebisawa Y, Kokubo T, Ohura K, Yamamura T. Bioactivity of CaO.SiO2-based glasses: invitro evaluation. J Mater Sci Mater Med 1990;1;239-44.
7. Li P. In vitro and in vivo calcium-phosphate induction on gel oxides [PhD Thesis]. Leiden University, The Netherlands,1993.
8. Hench LL. Bioceramics: from concepts to clinic. J Am Ceram Soc 1991;74:1487-510.
9. Kokubo T. Surface chemistry of bioactive glass-ceramics. J Non-Cryst Solids 1990;120:138-51.
10. Xynos ID, Edgar AJ, Buttery LD, Hench LL, Polak JM. Ionic products of bioactive glass dissolution increase proliferation of human osteoblasts and induce insulin-like growth factor II mRNA expression and protein synthesis. Biochem Biophys Res Comm 2000;276:461-5.
11. Ogino M, Hench LL. Formation of calcium phosphate films on silicate glasses. J Non-Cryst Solids 1980;38-39:673-8.
12. Vogel W, Holand W. The development of bioglass ceramics for medical applications. Angew Chem Int Ed 1987;26:527-44.
13. Gross U, Brandes J, Strunz V, Bab I, Sela J. The ultrastructure of the interface between a glass ceramic and bone. J Biomed Mater Res 1981;15:291-305.
14. Ceyhan T, Gülçubuk A, Sayrak H, Karaca Ç. Polietilen glikol tereftalatın biyouyumluğunun in vivo sıçan kemik modelinde histolojik olarak incelenmesi. Eklem Hastalıkları ve Cerrahisi 2007;18:33-8.
15. Bilir A, Ceyhan T, Altinoz MA, Guneri AD, Bayrak I, Altug T. Culturability of osteoblast cells extracted from mature an fetal BALB/c mice calvaria. [Article in Turkish] Acta Orthop Traumatol Turc 2000;34:389-95.
16. Ceyhan T, Bilir A, Karaca C. Culturability of rat bone marrow stromal cells and evaluation for osteoblastic formation. [Article in Turkish] Acta Orthop Traumatol Turc 2006;40:67-71.