Medikal Plastikler

Medikal Plastikler


Termoplastik Silikon - Üretan Kopolimerler : Biyomedikal Elastomerler'in

Yeni Bir Sınıfı


Uzun zaman kullanımlı medikal implant malzeme kullanımında sadece sınırlı sayıdaki elastomerler biyo-kararlılık ve biyo-uygunluk göstermektedir. 30 yıldan uzun bir süre boyunca implant malzemede iki biyomalzeme yaygın olarak kullanılmıştır. Bunlar, çapraz bağlı silikon kauçuk ve termoplastik poliüretandır (TPU). Uzun süreli implant kullanımlarda fiziksel dayanıklılık ihtiyacını karşılayan ürünlerde TPU' lar ve benzer özellikte çözücü tip kısımlı poliüretanlar (SPUs) tercih edilmiştir. Günümüzde, elastomer biyomalzemelere ait kararlılık, sertlik ve biyo-uygunluk gibi özelliklerle ilgili sürekli bir gelişim vardır. Bu da uzun implant kullanımlarının olduğu hassas malzemelerdeki gelişimleri işaret etmektedir. Bu polimerler vasküler sistem, kardiyo-destekleyici malzemeler, kalp kapakçıkları, eklemlerdeki bozuklukları gideren / tamir eden malzemeler, ürolojik implant malzemeler, elektriksel sinyal ileticiler ve katheder gibi birçok yerde kullanılmaktadır. Medikal malzeme çeşidi olarak bir de kısa zaman kullanımlı implant malzemeler vardır. Günümüzde, iyi hafıza ve düşük modülüs gibi iyi özellikleri yanında protein bazlı alerjik reaksiyonlar gibi istenmeyen etkilere sahip olan doğal kauçuk lateksinin yerini alacak yeni polimerler araştırılmaktadır.


Şimdi; silikon, kauçuk ve TPU' nun özelliklerini içeren hem uzun zaman kullanımlı implant malzemelerde hem de lateks görevi gören kısa zaman kullanımlı malzemelerde kullanılan yeni bir malzeme sınıfı olan termoplastik silikon poliüretan kopolimerleri inceleyeceğiz.


Silikonlar


Silikonların, implant malzemelerde biyo-kararlı ve biyo-uygun olduğu; ayrıca düşük sertlik ve düşük modülüs değerleri içerdikleri için çeşitli malzeme uygulamalarında kolaylık sağladığı uzun zamandır bilinmektedir. Konvensiyonel silikon elastomerler, oldukça yüksek uzama değerlerine sahiptir. Ancak, bu sadece düşük ya da normal gerilme kuvveti değerleri için geçerlidir. Gerilme-uzama eğrisinin altındaki alan hesaplandığında çoğu biyomedikal silikon elastomerlerin sertliğinin yüksek olmadığı görülmektedir. Silikonların biyomalzeme olarak kullanılmasında, kesme büyümesi olması ve dolduruculara takviye gerekmesi gibi özellikler ufak tefek dezavantajlar olarak gösterilebilir.





Şekil 1. Elastomere ait gerilme-uzama eğrisi. Eğrinin altındaki alan

sertliği göstermektedir.


Konvensiyonel silikon elastomerlerden malzeme üretiminde istenen özelliklere sahp ürün elde edebilmek için kovalent çapraz bağlamaya gerek duyulur. Lineer ya da dallanmış silikon (polidimetilsiloksan (PSX) ) homopolimerler oda sıcaklığında viskoz sıvı ya da esnek katı kıvamındadır. Malzeme içeriklerinin üretimi, komşu polimer zincirdeki kimyasal bağların oluşumu için çapraz bağlanma içermelidir. Bu sonsuz bağlantı polimere kauçuk elastikiyetini ve fiziksel-kimyasal özelliğini verir.


Ekstrüde edilebilir ve kalıplanabilir silikon stoklarında çapraz bağlama, polimer yapısındaki vinil gruplarına peroksit içerikli serbest radikal eklenmesi ya da LIM sistemi diye adlandırılan, uçtaki vinil gruplarına platin katalizörlü Silan (- Si - H)eklenmesi şeklinde olur. Belirli düşük dirençli (RTV) silikon yapıştırıcılar oda sıcaklığında kondenzasyon reaksiyonlarıyla vulkanize edilir. Buradaki işlem - Si - OH ya da silanoller oluşturma amacıyla bir asit ya da alkolün çıkarılması ve daha sonra da su çıkışıyla silanollerin yoğunlaşarak - Si - O - Si (siloksan) yapıya dönüşmesi ve üç boyutlu bir bağ oluşturmasıdır.

Çapraz bağlama ya da vulkanizasyon işlemleri her nasıl etkilerse etkilesin işlem sonunda elde edilen termoset silikon daha sonra tekrar çözündürülemez ve eritilemez. Bu da termoplastik biyomalzemeye oranla, uygulanabilecek post fabrikasyon işlemlerinin sayısının azalması anlamına gelmektedir. Bu nedenle de; termal şekillendirme, bükme, inceltme, radyo frekanslı kaynak kullanma, ısı yalıtımı yapma, çözücü kullanma gibi yararlı post fabrikasyon metodlarının kullanımı konvensiyonel silikon elastomerlerden malzeme üretiminde uygun değildir.


Termoplastik Poliüretanlar


Çapraz bağlı silikon kauçuklara karşın birçok poliüretan elastomer doğada termoplastik yapıdadır. Bu yüzden de, polimerin eritilerek ya da çözündürülerek tekrar şekillendirilmesini sağlayan işlemler poliüretan elastomerlere rahatlıkla uyglanabilmektedir. Tipik bir biyomedikal TPU' nun yapısı zor eriyen sert üretan kısımlar ve sıvımsı yumuşak kısımlardan oluşmaktadır. Sert kısım, çoğu zaman bir aromatik ya da alifatik diizosiyanat ve düşük molekül ağırlıklı geniş zincirli bir dialkol ya da diolün reaksiyonu sonucu oluşan üründür. Biyomalzeme olarak kullanılan TPU' larda yumuşak kısımlar genellikle hidroksil (OH) içeren (polieter ya da polikarbonat) poliollerden oluşmaktadır.


İzosiyanatlar ile kalan üretan gruplarının reaksiyonu, TPU' nun yapısındaki az seviyedeki kovalent çapraz bağlanmaları sağlayan allofanat gruplarını oluştururken; izosiyanat (-NCO) ile hidroksilin reaksiyonu sonucunda bir üretan gup oluşur. TPU ısıtıldığında, polimeri kullanım sıcaklığında bir arada tutan hidrojen bağlı sert kısım ile herhangi çapraz bağlı allofanat disosiye olarak polimerin sıvılaşmasını ve akmasını sağlar. Bir kere bu çapraz bağlar parçalandıktan sonra da polimere farklı şekillendirme işlemleri rahatlıkla uygulanabilir. Soğutma ya da çözücünün buharlaştırılması sonucunda sert kısım, hidojen bağlarıyla tekrar yumuşak kısımla birleşir. Böylece poliüretan elastomeri orijinal özelliklerini geri kazanmış olur.


Konvensiyonel polieter ve polikarbonat TPU' ları; yüksek uzama ve sert, yüksek modülüslü elastomer oluşturmak için yüksek gerilme direnci gibi mükemmel fiziksel özelliklere sahiptir. Doğal kauçuk lateksi inch2 başına birkaç yüz pound' luk bir modülüse sahipken, 80A aromatik polieterüretan 2000 psi' den büyük bir modülüs değerine sahip olabilir. Diğer yandan, aromatik polieter TPU' lar mükemmel bir bükülme zamanına, 5000 psi (34 Mpa)' dan fazla bir gerilme direnci ve % 700' den fazla bir son uzama değerine sahip olabilir.Aromatik polieter TPU' lar sürekli bükülmenin olduğu; ventriküler destek malzemeleri, intraaortik balonlar ve yapay kalp elemanları gibi kronik implant malzemelerde kullanılır.


Biyomedikal TPU' larda kullanılan iki çok önemli diizosiyanat, aromatik difenilmetan diizosiyanat (MDI) ve onun hidrojenli hali (HMDI ya da H12MDI)' dir. Özellikle vücut sıcaklığında sıvı bir çevre olan kan ya da dokulardaki özellikleri karşılaştırıldığında MDI' dan oluşan sert kısımlı TPU' ların HMDI' dan oluşanlara göre daha üstün fiziksel özellikler ve kimyasal dayanıklılık gösterdiği gözlenmiştir. Değişik oranlardaki sert kısım içerikli TPU' ların sentezi sırasında farklı sertlik, modülüs, gerilme direnci ve uzama değerlerinde büyük bir polimer ailesi üretilebilir. Malzeme uygulamalarında da aynı aileye ait ama farklı özelliklere sahip TPU' ların kullanımı tasarım ve üretimde çok yönlülüğü, çok çeşitliliği getirmektedir.

Modifiye Silikon Poliüretanlar


Biyomalzeme olarak silikonların kullanımı poliüretanlardan daha öncedir. Medikal malzemelerde poliüretanlar kullanılmaya başlandığında bile tek bir biyomalzemede silikon ve poliüretanı kullanmanın çeşitli avantajları olduğu farkedilmiştir. 1970' den itibaren biyomalzeme uygulamaları kaplama, karıştırma, birbiri içine girme, üretan temelli polimerlerde modifiye yüzey eklemeleri ve günümüzde de yüksek dirençli yapısal kopolimerler olan silikon ve poliüretan içermektedir.


Bu yeni kopolimerlerde; silikon, ana zincir üzerinde ve/ veya kovalent bağlı uç gruplarında bulunabilir. Organik temelli polimerlerdeki (kompolimerize olmuş olsa dahi) silikonların yüzey aktifliği nedeniyle poliüretanlarda çok düşük oranlarda silikon bulunması halinde bile silikonumsu yüzey özellikleri elde edilebilir. Poliüretanların mükemmel yoğunluk özellikleri, optik berraklıkları, termoplastik işlem uygulanabilirlikleri ve sertlikleri yanında biyo-kararlılık ve düşük modülüs gibi istenen silikon özelliklerinin de elde edilmesi çok iyi bir sonuçtur.


1970 yılında ilk klinik intraaortik balon yapımı için çözücü sınıfından silikon-poliüretan olan Avcothane-51 Avco Everett Araştırma Laboratuarı (Everett, MA) tarafından tanıtılmıştır (Günümüzde Cardiothane-51 olarak kullanılmaktadır). Cardiothane-51' in mükemmel bir bükülme zamanı, aşınma direnci ve biyo-kararlılığı oldupu halen bilinmektedir. Silikon-üretan sistemler, kritik medikal malzemelerde en çok kullanılan sistemler olmasından dolayı poliüretan içine karışmış silikon homopolimer esas adıyla hibrit olarak karakterize edilir. Organik çözücü buharlaştıktan sonra homopolimer atmosferik neme bağlı olarak RTV reaksiyonu sonucunda çapraz bağlanır.


Silikon-Üretan Kopolimerler


Avcothane / Cardiothane sistemlerinin kullanımının getirdiği mükemmel sonuçlara rağmen biyomalzeme olarak kullanılmasını sınırlayan bazı dezavantajları vardır. Bunlar; çözelti işlemine ihtyaç duyması, çözeltinin birincil olarak suyla reaksiyona girme ve koagüle olma eğilimine sahip olması ve polimer yüzey özelliklerinin reaksiyon ve fabrikasyon koşullarına bağlı olmasıdır. Bunlara ek olarak; Cardiothane' nın doğal poli-karışım özelliği ve silikonun termodinamik uygunluğu birçok poliüretan reaktanla etkileşerek silikon yapısındaki mikrogözeneklerin ışığı yayacak kadar geniş bir hal almasına neden olur. Bu da Cardiothane ve diğer hibrit sistemlerinin görünür ışıkta gözeneklerin gerçek büyüklüğüne bağlı olarak opak ya da yarı saydam olmasına neden olur.


Avcothane-51'in tanıtılmasından sonra birçok araştırmacı yüksek dirençli termoplastik silikon poliüretanların (TSPU) nasıl geliştirilebileceğini araştırmaktadır. Konvensiyonel silikon elastomerlerin biyo-uygunluk ve biyo-kararlılık özellikleri ile TPU' ların işlenebilirlik ve sertlik özelliklerinin birleştirilerek hemen hemen ideal bir biyomalzeme üretilebileceği düşüncesi oldukça heyecan vericidir. Mesela, vücut ve laboratuar ortamında kararlılığı arttırmak için silikonun hem polikarbonat hem de polieter temelli poliüretanlarla - ör; sentez sırasında üretana kovalent bağlanarak - grup enerjisi oluşturan davranışlar sergilediği belirlenmiştir. Birçok kopolimerin, metal iyon etkileşimli oksidasyon ve çevresel gerilme kırılmalarına - ki bunlar poliüretan uygulamalarının başarısızlıkları olarak tanımlanmıştır (ilk zamanlardaki poliüretan kalp pili gibi) - karşı direncinin arttığı görülmektedir. Polikarbonat temelli poliüretanlarda silikon kopolimerizasyonu karbonat bağındaki hidrolitik indirgenliği azaltırken, poliüretanlarda kovalent bağlı silikonun polieter yumuşak kısmını vücuttaki oksidatif indirgenlikten koruduğu bilinmektedir.


Birçok cesaretlendirici sonuca karşın çeşitli nedenlerden dolayı faydalı TSPU biyomalzemelerin tanınması ve kullanılması gecikmiştir. Bu nedenlerden bir tanesi PSX' in birçok üretan koreaktanla çözünmemesi ve bunun sentez reaksiyonlarında zorluk oluşturmasıdır. Bunun yanında düşük maliyetlerin olmaması, üretan değerli silikon polioller, organik çözücü kullanmadan yüksek ağırlıklı kopolimerler oluşturabilecek sentetik metodların yokluğu sayılabilir.


Son birkaç yıldan beri yeni silikon-poliüretan kopolimerleri geliştirme ve üretim proseslerinin onları sentezleyebilmesi ile ilgili çalışmalar devam etmektedir (Şekil 2). Kopolimer sentezi daha önce belirtilen iki metodla yapılmaktadır. Bunlar; silikonun, silikon olmayan organik yumuşak kısımlarla ana polimer zincirine eklenmesi ve modifiye yüzey uç grupları kullanılarak kopolimer zincirlerinin sonlandırılmasıdır. Yığın (kütle) sentezi sırasında (çözücüsüz), sert kısım kimyası ve içeriği ve silikon polioller kombinasyonunda kullanılan organik yumuşak kısım kimyası farklı olan yüksek dirençli termoplastik elastomerlerden dört tanesi ayrı ayrı hazırlanmaktadır. Birinde yumuşak blok olarak politetrametilenoksit (PTMO), diğerinde alifatik karbonat (PC) yumuşak kısım olarak PSX ile beraberdir.




1