Biyoaktif Cam ve Cam Seramikler

Year 2023, Volume: 6 Issue: 2, 89 - 110, 31.12.2023

Özge Kılınç , Nil Toplan

https://doi.org/10.53410/koufbd.1311845

Abstract

Günümüzde aktif gelişmelerin olduğu doku mühendisliği ve biyomalzeme bilimi alanlarında, biyolojik yapılarla uyumlu malzemelerin geliştirilmesi için çalışmalar sürmektedir. Kemik dokusu mühendisliğinde en umut verici biyomalzemelerden bazıları; hidroksiapatit (HA), kalsiyum fosfatlar, biyoaktif camlar ve biyoaktif inorganik malzemeleri biyobozunur polimerlerle birleştiren kompozit malzemeler gibi biyoseramiklerdir. Biyoaktif cam ve cam-seramikler, biyoseramiklerin bir türü olup, cam olanları amorf yapıda iken, cam-seramik olanları amorf yapının içerisinde kristal fazların da bulunduğu malzemelerdir. Biyoaktif camlar, bir grup yüzey reaktif biyomalzemeler olup; yüksek biyoaktiviteleri sayesinde yüzeyinde hidroksiapatit benzeri tabaka oluşumuna izin vererek yumuşak ve sert dokuya sıkıca bağlanabilmektedirler. Biyoaktif camların biyouyumlulukları ve biyoaktiviteleri sayesinde insan vücudunda hastalıklı veya hasarlı kemikleri onarmak ve değiştirmek için kullanılmaktadırlar. Uygun bileşimdeki camların, kemik ve dokularla reaksiyona giren polikristal yapılı malzemeler olarak kristalleştirilmesiyle üretilenlere “biyoaktif cam-seramik” denir. Mekanik özellikleri, onları kemik rekonstrüksiyonları veya replasmanları gibi yüksek yük taşıyan uygulamalar için daha uygun hale getirir. Bu makalede biyoaktif camların ve cam-seramiklerin çeşitleri, mekanik ve biyouyumluluk özellikleri ve kullanım alanları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Ayrıca biyoaktifliği sağlayan tepkimelerden bahsedilmiş ve çeşitli çalışmalar örnek gösterilmiştir.

Keywords

Biyoaktif Cam, Biyoaktif Cam-seramik, Biyouyumluluk, Hidroksiapatit

References

• [1] Yazıcı, T. 2003. Plazma Sprey Yöntemiyle Üretilmiş Biyocam Kaplamaların Karakterizasyonu. Yüksek lisans tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• [2] Gümüşderelioğlu, M. 2002. “Biyomalzemeler.” Bilim ve Teknik Dergisi, TÜBİTAK, Temmuz özel sayısı.
• [3] Gerhardt, L. C., Boccaccini, A. R. 2010. Bioactive glass and glass-ceramic scaffolds for bone tissue engineering. Materials, 3(7), 3867-3910.
• [4] İbrahimoğlu, E., Tatlı, Z., Çalışkan, F. 2019. Apatit–Wollastonit Biyoaktif Cam Seramiklerde Kristalizasyonun Kırılma Tokluğu Üzerine Etkisi. Academic Perspective Procedia, 2(3), 1319-1324.
• [5] Karasu, B., Yanar, A. O., Koçak, A., Kisacik, Ö. 2017. Biyoaktif Camlar. El-Cezeri, 4(3), 436-471.
• [6] Karakuzu, B. 2015. Yapay kemik olarak kullanılabilen biyosilikalı Sr ve Mo katkılı 45S5 biyoaktif camların üretimi, Yüksek lisans tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• [7] Oral, C. 2020. Sol-gel synthesized 45S5 bioactive powder and glass ceramics, Yüksek lisans tezi, Gebze Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli.
• [8] Kulan, M., Ulukapı, İ. 2011. Dişhekimliğinde biyoaktif camlar. Journal of Istanbul University Faculty of Dentistry, 45(1), 65-70.
• [9] Güven, Ş. 2014. Biyouyumluluk ve biyomalzemelerin seçimi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 2(3), 303-311.
• [10] Karakaya, C. 2019. Stronsiyum katkısının biyocam doku iskelesinin özelliklerine olan etkisinin incelenmesi, Yüksek lisans tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
• [11] Kükürtcü, B. 2008. Biyoaktif cam ve cam-seramik malzemelerin üretimi ve yapay vücut sıvısı içerisindeki davranımlarının incelenmesi, Doktora tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• [12] InWikipedia. 2023, Bioactive Glass, 18 Şubat 2017 tarihinde Erişim Adresi: https://en.wikipedia.org/wiki/Bioactive_glass adresinden alındı
• [13] Crovace, M. C., Souza, M. T., Chinaglia, C. R., Peitl, O., Zanotto, E. D. 2015. Biosilicate®-A multipurpose, highly bioactive glass-ceramic. In vitro, in vivo and clinical trials. Journal of Non-Crystalline Solids, 432, 90-110
• [14] İbrahimoğlu, E. 2020. Apatit wollastonit esaslı cam seramik malzemelerin üretimi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi, Yüksek lisans tezi, Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya
• [15] Selçuk, S. 2017, Biyoaktif Cam Seramikler, 18 Mart 2017 tarihinde Erişim Adresi: https://baixardoc.com/preview/byoaktf-cam-seramkler-5cd730cb0f9b9 adresinden alındı
• [16] Yılmaz, Ş. 1997. Volkanik Bazalt Kayaçlarından Cam-Seramik Malzeme Üretim Koşullarının Araştırılması ve Özelliklerinin İncelenmesi. Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İTÜ, İstanbul
• [17] Uludağ, A. 2009. Antimikrobial, hidroksiapatit kaplı eksternal fiksatör pinlerin etkinliğnin değerlendirilmesi, hayvanlarda deneysel çalışma, Tıpta Uzmanlık Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir.
• [18] Kokubo, T. 1991. Bioactive glass ceramics: properties and applications. Biomaterials, 12(2), 155–163.
• [19] Evcin, A. 2016, Cam Seramikler ve Biyoaktif Camlar, 18 Şubat 2017 tarihinde Erişim Adresi: https://blog.aku.edu.tr/evcin/files/2020/10/1-biyomalzemeler-giris.pdf adresinden alındı
• [20] El-Damrawi, G. 2014. 6. Bioactive glasses and glass-ceramics, In J. Davim (Ed.), Biomedical Composites: Materials, Manufacturing and Engineering (89-106), Berlin, Boston: De Gruyter.
• [21] Vogel, W., Höland, W., Naumann, K., Gummel, J. 1986. Development of machineable bioactive glass ceramics for medical uses. Journal of Non-Crystalline Solids. International Symposium on Glass Proceedings of the Second Beijing Symposium on Glass. 80(1), 34–51.
• [22] Montazerian, M., Zanotto, E. 2016. History and Trends of Bioactive Glass-ceramics. Journal of biomedical materials research. 104(5), 1231-1249.
• [23] Metalurjik. 2018, Biyoaktif Cam, 18 Şubat 2017 tarihinde Erişim Adresi: https://www.metalurjik.com/biyoaktif-cam adresinden alındı.
• [24] Geçer, A. 2004. Kitin Kalsiyum Fosfat Biyoseramik Kompozitinin Hazırlanması, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• [25] Uyan, P. 2019, Biyomalzemeler Ders Notu, 18 Nisan 2023 tarihinde Erişim Adresi: http://w3.bilecik.edu.tr/metalurjivemalzeme/wp-content/uploads/sites/30/2019/02/B%C4%B0YOMALZEMELER-1.DERS-PINAR-UYAN-.pdf adresinden alındı.
• [26] Dubok, V. A. 2000. Bioceramics-Yesterday, Today, Tomorrow, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 39, 381-394.
• [27] Genç Y. 2003. Use of Factoral Design Experiments in the Development of Zirconia Toughened Hydroxyapatite Composites, Doktora tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• [28] Rahaman, M.N., Day, D., Bal, S. et al. 2011. Bioactive glass in tissue engineering, Acta Biomaterialia 7, pp. 2355–2373.
• [29] Leppäranta, O., Vaahtio, M., Peltola, T., Zhang, D. Hupa, L., Hupa, M., Ylänen, H., Salonen, J. I., Viljanen, M. K., Eerola, E. 2008. Antibacterial effect of bioactive glasses on clinically important anaerobic bacteria in vitro. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19(2), 547–551.
• [30] Greenlee Jr., T. K., Beckham, C. A., Crebo Jr., A. R. and Malmborg, J. C., Glass ceramic bone implants. 1972. J. Biomed. Mater. Res., 6(3), 235–244.
• [31] Chen ZQ, Thompson ID, Boccaccini AR. 2006. 45S5 Bioglass-derived glass-ceramic scaffold for bone tissue engineering. Biomaterials, 27(11), 2414–2425.
• [32] Huang W., Day D., Kittiratanapiboon K., Rahaman M. N. 2006. Kinetics and mechanisms of the conversion of silicate (45S5), borate, and borosilicate glasses to hydroxyapatite in dilute phosphate solution. J Mater Sci Mater Med., 17, 583–96.
• [33] Pantano Jr., C. G., Clark Jr., A. E. and Hench, L. L. 1974. Multilayer corrosion films on glass surfaces. J. Am. Ceram. Soc., 57(9), 412–413.
• [34] Fernandes, H. R., Gaddam, A., Rebelo, A., Brazete, D., Stan, G. E., & Ferreira, J. M. 2018. Bioactive glasses and glass-ceramics for healthcare applications in bone regeneration and tissue engineering. Materials, 11(12), 1-54.
• [35] Timuçin, M., et al. 2008. Apatit Wollastonit Biyoaktif Seramiklerin Üretimi ve Karakterizasyonu. Tübitak Projesi, Ankara, Mayıs.
• [36] Montazerian, M., Gonçalves, G. V. S., Barreto, M. E. V., Lima, E. P. N., Cerqueira, G. R. C., Sousa, J. A., Malek Khachatourian, A., Souza, M. K. S., Silva, S. M. L., Fook, M. V. L., Baino, F. 2022. Radiopaque Crystalline, Non-Crystalline and Nanostructured Bioceramics. Materials, 15(21), 1-34.
• [37] Moya, A., De Aza, P., Pena, P., Pendas, S. 1999. Bioactive glasses and glass-ceramics. Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio. 46(2), 45-55.
• [38] Önen, U. 2020. Vermikülitten Üretilen Cam-Seramik Malzemelerin Karakterizasyonu ve İşlenebilirlik Özellikleri, Doktora tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
• [39] Beleites, E., Rechenbach, G. 1992. Implantologie in der Kopf-Hals-Chirurgie — gegenwärtiger Stand. In: Ganz, H., Schätzle, W. (eds) HNO Praxis Heute. HNO Praxis Heute (169-199), Springer.
• [40] Boccaccini, A. R., Chen, Q., Lefebvre, L., Gremillard, L., & Chevalier, J. 2007. Sintering, crystallisation and biodegradation behaviour of Bioglass®-derived glass–ceramics. Faraday discussions, 136, 27-44.
• [41] Consultqd. 2015, Biological Solutions Show Promise for Damaged Articular Cartilage, 1 Ekim 2023 tarihinde Erişim Adresi: https://consultqd.clevelandclinic.org/biological-solutions-show-promise-for-damaged-articular-cartilage/
• [42] Alauddin, S. S. 2004. In vitro remineralization of human enamel with bioactive glass containing dentifrice using confocal microscopy and nanoindentation analysis for early caries defense, Doctoral dissertation, University of Florida.
• [43] Burwell A.K, Litkowski L.J, Greenspan D.C. 2009. Calcium Sodium Phosphosilicate (Novamin®): Remineralization potential. Adv Dent Res., 21(1), 35-39.
• [44] Zhu, Y., Kaskel, S. 2009. Comparison of the in vitro bioactivity and drug release property of mesoporous bioactive glasses (MBGs) and bioactive glasses (BGs) scaffolds, Microporous and Mesoporous Materials, 118(1), 176- 182.
• [45] Mansur, H.S., Costa, H.S. 2008. Nanostructed poly(vinyl alcohol)/bioactive glass and poly(vinyl alcohol)/chitosan/bioactive glass hybrid scaffolds for biomedical applications, Chemical Engineering Journal, 137, 72-83
• [46] Zakrzewski, W., Dobrzyński, M., Zawadzka-Knefel, A., Lubojański, A., Dobrzyński, W., Janecki, M., Rybak, Z. 2021. Nanomaterials application in endodontics. Materials, 14(18), 5296.
• [47] Schuhladen, K., Stich, L., Schmidt, J., Steinkasserer, A., Boccaccini, A. R., Zinser, E. 2020. Cu, Zn doped borate bioactive glasses: Antibacterial efficacy and dose-dependent in vitro modulation of murine dendritic cells. Biomaterials science, 8(8), 2143-2155.
• [48] Yamamuro, T. 2008. Clinical application of bioactive glass-ceramics. Bioceramics and Their Clinical Applications, 583–605.
• [49] Shearer, A., Montazerian, M., Mauro, J. C. 2023. Modern definition of bioactive glasses and glass-ceramics. Journal of Non-Crystalline Solids, 608, 1-20.
• [50] Partridge, G. 1992. Glass-Ceramics in Biomedical Applications, Adv. Mater., 4(5), 364-367.
• [51] Ceyhan, T., Günay, V., Çapoğlu, A., Sayrak, H., & Karaca, Ç. 2007. Bir cam-seramik biyomalzemenin üretimi, tanımlanması ve biyolojik etkilerinin canlı-dışı ve canlı-içi ortamda değerlendirilmesi. Acta Orthop Traumatol Turc, 41(4), 307-313.
• [52] Ducheyne, P., Hench, L.L. 1982. The processing of static mechanical properties of metal fibre-reinforced Bioglass. J. Mater. Sci., 17, 595-606.
• [53] He L., Yin, J., Gao, X. 2023. Additive Manufacturing of Bioactive Glass and Its Polymer Composites as Bone Tissue Engineering Scaffolds: A Review. Bioengineering, 10(6), 1-39.
• [54] Song, B., Wu, L., Wu, C., Chang, J. 2015. Preparation of hollow bioactive glass nanofibers by a facile electrospinning method. Biomedical glasses, 1(1), 136-139.
• [55] Deliormanlı, A. M. 2015. Preparation and in vitro characterization of electrospun 45S5 bioactive glass nanofibers. Ceramics International, 41(1), 417-425.
• [56] Chen, Q., Zhu, C., Thouas, G. A. 2012. Progress and challenges in biomaterials used for bone tissue engineering: bioactive glasses and elastomeric composites. Progress in Biomaterials, 1(2), 1-22.
• [57] Song, J., Koh, Y. H., Kim, H. J., Li, L., Bahn, H. J. 2006. Fabrication of Porous Bioactive Glass–Ceramic Using Room-Temperature Freeze Casting. Journal of the American Ceramic Society. 89(8), 2649 - 2653.
• [58] Amini, A., Laurencin, C., Nukavarapu, S. 2012. Bone tissue engineering: recent advances and challenges, Crit Rev Biomed Eng.40(5), 363-408.
• [59] Bandyopadhyay, A., Mitra, I., Goodman, S. B., Kumar, M. Bose, S. 2023. Improving biocompatibility for next generation of metallic implants, Progress in Materials Science. 133, 1-36.
• [60] Thompson, I. D., & Hench, L. L. 1998. Mechanical properties of bioactive glasses, glass-ceramics and composites. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 212(2), 127-136.
• [61] Saranti, A., Koutselas, I., Karakassides, M.A. 2006. Bioactive Glasses in the System CaO-B2O3-P2O5: Preparation, Structural Study and In Vitro Evaluation, Journal of Non-Crystalline Solids, 352, 390-398.
• [62] Guida, A., Towler, M.R., Wall, J.G., Hill, R.G., Eramo, S. 2003. Preliminary work on the antibacterial effect of strontium in glass ionomer cements, Journal of Material Science Letters, 22, 1401-1403
• [63] Lin, F., Hon, M. 1988. A Study on Bioglass-Ceramics in the Na2O-CaOSiO2-P2O5 System, J. Mater. Sci., 23, 4295-4299.
• [64] Kalkandelen, C. 2016. Hidroksiapatit Esaslı Biyoseramik Malzemelerin Karakterizasyonu, İstanbul Üniversitesi, Doktora tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul Üniversitesi, İstanbul.
• [65] Ferraris, S., Miola, M., Cochis, A., Azzimonti, B., Rimondini, L., Prenesti, E., Vernè, E. 2017. In situ Reduction of Antibacterial Silver Ions to Metallic Silver Nanoparticles on Bioactive Glasses Functionalized with Polyphenols. Applied Surface Science, 396, 461–470