Preparation And Characterization Of High Density Polyethylene – Hydroxyapatite (Hdpe- Ha) Nanocomposite Systems

For centuries, importance has been given to the development of implant materials so that people can live a better life. Metal, ceramic, polymer and composite materials are widely used as implant materials. The use of polymers is often preferred due to some important advantages. Some of these advantages of polymers are useful, processable and variety of materials and etc.. Despite these advantages of polymers, there is a need to develop such materials in order to be compatible with the nature of the implant material. For this reason, it is important to prepare composite mixtures containing polymer as an organic part and hydroxyapatite as an inorganic part. Hydroxyapatite has significant advantages, that is in the basic composition of the bone and also ensures environmental compatibility in bone growth due to the surface porosity. The compatibilizers are used to improve the compatibility of composite materials with the composite interface. Moreover, the use of nano additives is more effective in improving the mechanical properties of polymers, because it provides a wider surface area and better distribution than other additives. In order for these materials to be physically compatible, it is necessary to improve their mechanical and structural properties. The structure of materials are also aimed to have similar porosity and structural characteristics with the environment in which the material is. It is also required to have similar porosity and structural characteristics to the environment in which the material is located. However, the toxic waste that form on the body causes serious problems due to wear of the implant material. The side effects of these wastes should be controlled. For this reason, the development of new implant materials that are mechanically durable, biocompatible, environmentally similar to the material and harmless is of great importance. In this thesis study, the chemical structure and melt flow values of commercially implants in jaw and skull surgeons were examined and then it was decided to study with high density polyethylene. Hydroxypatite and high density polyethylene were mixed in different formulations and the prepared mixtures were characterized by chemical and mechanical methods to prepare composite material. In order to increase the compatibility and mechanical strength of the mixture, high density polyethylene grafted with maleic anhydride-hydroxyapatite composite systems were prepared. It is aimed to increase both the mechanical strength and the compatibility between the organic-inorganic composite systems by adding poly (hedral oligomeric silsesquioxane) to high density polyethylene and hydroxyapatite composite systems. At the end of the experimental studies, it was found that the mechanical properties of the composite systems prepared using high density polyethylene grafted maleic anhydride-hydroxyapatite are close to those of commercial implants. The body compatibility of these prepared materials was examined by cytotoxicity tests. As a result, it was determined that the toxic effects of high density polyethylene grafted with maleic anhydride composites by adding micro and nanosize hydroxyapatite have not been observed. It has been concluded that these prepared composite systems are potentially useful materials in bone tissue engineering for the future.KABUL VE ONAY SAYFASI i ETİK ii ÖZET i ABSTRACT iii TEŞEKKÜR v İÇİNDEKİLER vi SİMGELER VE KISALTMALAR viii 1. GİRİŞ 1 2. GENEL BİLGİ 3 2.1. Biyomalzemeler 3 2.2. İmplantlarda Kullanılan Malzemeler 5 2.2.1. Metaller ve Alaşımları 5 2.2.2. Polimerler 6 2.2.3. Seramikler 10 2.2.4. Kompozitler 13 2.3. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması 15 2.3.1. Nanokompozit Malzemeler 16 2.3.2. Nanokompozit Malzemelerin Sınıflandırılması 17 2.4. Aşılanma (Grafting) ve Aşılanmanın Yapıya Etkisi 27 2.5. Literatür Çalışmaları 29 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 33 3.1. Kimyasallar 33 3.2. Nano Boyuta Sahip HA’in sentezlenmesi 35 3.3. Polimer Kompozitlerin Hazırlanması 36 3.4. Test Plakalarının Hazırlanması 38 3.6. Kompozit Karışımların Hazırlanması 38 3.5. Mekanik Testler 39 3.6. Maleik Anhidrit Aşılanmış YYPE Hazırlanması 39 3.7. Titrimetrik Analiz ile Aşılanma Derecesinin Belirlenmesi 40 3.8. FT-IR Analizleri 40 3.9. SEM-EDX Analizleri 40 3.10. Sitotoksisite Çalışmaları 41 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 43 4.1. Karışımları Hazırlamada Kullanılacak Hidroksiapatitlerin Karakterizasyonu 43 4.2. Kompozit Sistemlerin Hazırlanması 47 4.1.1. Yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve hidroksi apatit(HA) kullanılarak (YYPE+HA) karışımlarının hazırlanması 50 4.1.2. Maleik anhidrit(MA) aşılanmış YYPE karışımlarının (YYPE-g-MA) hazırlanması 59 4.1.4. Maleik anhidrit(MA) ile aşılanmış YYPE ve hidroksi apatit(HA) kullanılarak (YYPE-g-MA+HA) karışımlarının hazırlanması 63 4.1.5. Yüksek yoğunluklu polietilen(YYPE), poli(hedral oligomerik silseskioksan) (POSS) karışımlarının hazırlanması 67 4.1.6. YYPE-POSS+HA Karışımlarının Hazırlanması 73 4.1.7. MA ile Aşılanmış YYPE-POSS Karışımlarının Hazırlanması 82 4.1.8. MA ile Aşılanmış YYPE-POSS+HA Karışımlarının Hazırlanması 86 4.2. Sitotoksisite Çalışmaları 93 5. TOPLU SONUÇLAR 96 KAYNAKLAR 98 ÖZGEÇMİŞ 102İnsanların daha iyi bir yaşam sürebilmesi için yüzyıllardır implant malzeme geliştirilmeye önem verilmiştir. İmplant malzeme olarak metal, seramik, polimer ve kompozit malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Polimerler hazırlama, kullanım ve işleme kolaylığı, malzeme çeşitliliği vb. nedenleri ile sıklıkla tercih edilmektedir. Polimerlerin bu gibi avantajlarına rağmen implant malzemelerin doğasıyla uyumlu hale getirilebilmesi için geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yüzden organik kısmı polimerler ve inorganik kısmı hidroksiapatitden oluşan kompozit karışımların hazırlanması önem kazanmaktadır. Hidroksiapatit kemiğin ana bileşiminde olması ve yüzeyin gözenekliliğinin kemik büyümesine ortam sağlaması nedeni ile önemli avantajlar sağlamaktadır. Kompozitlerdeki dolgu malzemelerinin kompozit ara yüzeyine uyumluluğunu geliştirmek için uyumlaştırıcılar kullanılmaktadır. Bunların yanında nano katkıların kullanılması da diğer katkılara göre daha geniş yüzey alanı ve daha iyi dağılım sağladığı için polimerlerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesinde daha etkin olmaktadır. Bu malzemelerin fiziksel olarak da uyumlu olabilmesi için dayanıklılığının ve yapısal özelliklerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Malzemenin bulunduğu çevre ile benzer gözeneklilikte ve yapısal özelliklerde olması da hedeflenmektedir. Ayrıca implant malzemelerin aşınması nedeniyle vücutta oluşacak toksikolojik etki gösterebilen atıklar da önemli bir sorundur. Bu atıkların zararlı etkilerinin kontrol edilmesi gerekmektedir. Bundan dolayı dayanıklı, biyo-uyumlu, bulunduğu çevreye benzer ve zararsız yeni implant malzemelerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada çene ve kafatası cerrahisinde ticari olarak kullanılan implant malzemelerin kimyasal yapısı ve eriyik akış değerleri incelenerek yüksek yoğunluklu polietilenle (YYPE) çalışılmasına karar verilmiştir. Kompozit malzeme elde etmek için hidroksipatitin (HA) ve yüksek yoğunluklu polietilenin (YYPE) farklı formülasyonlarda karıştırılması ile hazırlanan karışımlar kimyasal ve mekanik yöntemle karakterize edilmiştir. Karışımın uyumluluğunu ve mekanik dayanımını arttırmak için maleik anhidrit aşılanmış yüksek yoğunluklu polietilen hidroksiapatit kompozit sistemler hazırlanmıştır. Yüksek yoğunluklu polietilen ve hidroksiapatit kompozit sistemine poli(hedral oligomerik silseskioksan) (POSS) eklenerek kompozit sistemin hem mekanik dayanımının hem de organik-inorganik bileşenler arasındaki uyumluluğunun arttırılması hedeflenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonunda maleik andihrit aşılanmış YYPE ve HA kullanılarak hazırlanan kompozit sistemlerin mekanik özelliklerinin ticari implantların özelliklerine yakın olduğu görülmüştür. Hazırlanan malzemelerin vücutta uyumluluğu sitotoksite deneyleriyle incelenmiştir. Sonuç olarak mikro ve nanoboyuta sahip HA kullanılarak hazırlanan YYPE-g-MA+HA kompozitlerinin toksik özelliliğinin olmadığı tespit edilmiştir. Hazırlanan kompozit sistemlerin gelecekte kemik doku mühendisliğinde kullanım alanı bulabilecek potansiyel malzemeler olduğu sonucuna varılmıştır