Ortopedik Çimentolarda Kullanılan Brushite

Ortopedik Çimentolarda Kullanılan Brushite (CaHPO4⋅2H2O)
Tozlarında Yeni Parçacık Morfolojisi
A Novel Particle Morphology for the Brushite (CaHPO4⋅2H2O)
Powders Used in Orthopedic Cements
Özge Hindistan, Ibrahim Mert, Selen Mandel ve A. Cüneyt Taş
Biyomedikal Mühendisliği Bölümü,
Yeditepe Üniversitesi, Istanbul
[email protected]
Özetçe
Brushite (CaHPO4⋅2H2O, dikalsiyum fosfat dihidrat) ortopedik
çimentoların tozlarında kullanılan önemli bir bileşendir.
Brushite içeren çimentolar son on yılda üretilmiş ve ancak son
beş yılda da ticari ve klinik biçime kavuşarak, Avrupa’da,
ortopedik cerrahların kullanımına sunulmuştur. Brushite
tozları bugüne dek ancak 70 ile 100 mikron arası uzunluklara
sahip ince ve düz kristaller biçiminde üretilebilmiş olup, bu
çalışmada sunulan su leylağı şeklindeki özgün kristal formu
hiç elde edilememiştir. Bu özgün biçimin eldesine olanak
sağlayan sentez yöntemi bu çalışmada sunulmaktadır.
Abstract
Brushite (CaHPO4⋅2H2O, dicalcium phosphate dihydrate) is
an important component of the powders of orthopedic
cements. Brushite-containing cements were produced over the
last ten years, and could only be submitted to the commercial
and clinical use of European orthopedic surgeons in the last
five years. Until now, brushite powders could be produced
only as thin and long crystals with lenghts over the range of
70 to 100 microns, and the water-lily-shaped novel crystals
presented here cannot be obtained yet. The synthesis
procedure which allowed the production of this novel
morphology is presented in this study.
1. Giriş
Brushite (CaHPO4⋅2H2O) tozları, α-BSM®/Biobon® (Etex
Corp., USA) ve Biopex® (Mitsubishi Biomaterials, Japan)
gibi günümüz itibariyle klinik kullanıma yeni geçebilmiş ve
yüksek biyoçözünürlüğe ve biyouyumluluğa sahip ortopedik
çimentoların toz bileşenlerinde önemli bir yer tutmaktadır.
Örnek vermek gerekirse, α-BSM®/Biobon® çimentosunda,
brushite ağırlıkça yüzde 50 oranında amorf kalsiyum fosfat
tozu ile harmanlanmış olup, bu harman uygun miktarda tuzlu
su (0.9 wt% NaCl) ile bir spatula yardımı ile karıştırıldıktan
sonraki yaklaşık 10 dakika içinde kendiliğinden sertleşmekte
ve sert dokuların minerali olan apatitik kalsiyum fosfata
dönüşmektedir [1]. Öte yandan, ChronOSTM, Eurobone® ve
VitalOS® çimentolarında ise çimento tozları, kristalizasyonu
tetikleyici çözeltileri ile karıştırıldıktan sonraki dakikalar
içinde,
apatitik
kalsiyum
fosfat
yerine
brushite
(CaHPO4⋅2H2O) fazına dönüşmektedirler [2]. Yukarıda anılan
ortopedik çimentolar son yıllar içinde üretilmiş olup, kemik
dolgu malzemesi uygulamalarında, biyoçözünürlüğü ve in
vivo özümsenerbiliği oldukça düşük olan yapay apatitik
kalsiyum fosfatdan kaçışa işaret etmektedir. Bu çimentolar
kullanılarak yürütülen hayvan ve klinik deneylerde,
kristalizasyon ve sertleşme sonrası ana fazı brushite olan veya
içinde önemli miktarlarda brushite barındıran çimentoların in
vivo biyoçözünürlüklerinin yüksek olduğu ve en geç 3-4 ay
içinde tümüyle özümsenerek, çimentonun uygulandığı defekt
bölgesindeki yeniden kemik yapılandırılması sürecine çok
olumlu bir biçimde katıldıkları rapor edilmiştir [3]. Apatitik
kalsiyum fosfat’ın (HA; Ca10(PO4)6(OH)2) ise, cerrahi
girişimi takip eden yıllar boyunca neredeyse hiç bozunmadan,
özümsenmeden ve daha da önemlisi o bölgede olması
arzulanan yeniden kemik yapılandırılması sürecine
katılmadan, adeta yabancı bir madde gibi in vivo ortamda
kaldığı bilinmektedir [4].
Brushite ile kalsiyum hidroksiapatit’in (HA) sudaki
çözünürlüklerinin kıyaslanması gerekirse, burada da durumun
fazlasıyla brushite lehine olduğu görülecektir. Bu
kıyaslamada, bu iki fazın logKSP değerlerinin sırasıyla şöyle
olduğu rahatlıkla görülebilecektir; brushite: -6.60 ve
hidroksiapatit: -117.1 [5]. Sert dokularda, sağlıklı
metabolizmalarda günlük bazda süregiden yeniden kemik
yapılandırılması sürecinde, salt logKSP değeri bazında
çözünürlüğü HA’e kıyasla çok daha yüksek olan brushite
içeren çimentoların daha iyi özümsenebilirlik sergilemeleri
hiç de şaşırtıcı olmamaktadır. Bu çerçevede, brushite
tozlarının üretilmesine geçen yıllar içinde daha büyük önem
atfedilmesi de beklenen bir gelişmedir. Brushite, örneğin, suesaslı çözeltilerde oda sıcaklığında kalsiyum klorür dihidrat
veya kalsiyum nitrat tetrahidrat ile disodyum hidrojen fosfat
veya diamonyum hidrojen fosfat gibi tuzların, Ca/P molarite
oranının bir civarında tutulduğu durumlarda, basitçe
karıştırılması ile derhal üretilebilecek denli sentezi kolay bir
fazdır [6, 7]. Fakat bu kolaylık beraberinde bir handikapı da
birlikte taşımaktadır; üretilen brushite tozları sürekli olarak
ince, uzun ve oldukça büyük olarak nitelenen (70 ile 100
mikron) kristallere, parçacıklara sahip olmaktadırlar. Böyle
büyük parçacıkların en önemli dezavantajı da, bunların
deneysel olarak ölçülen BET (Bruanauer-Emmett-Teller [8])
yüzey alanlarının çok düşük (1 ile 5 m2/g arasında) olmasıdır.
Bu, oldukça karakteristik, düşük yüzey alanına sahip brushite
parçacık morfolojisi aşağıda Şekil-1’de gösterilmiştir.
1 cm iç çapa sahip çelik bir kalıp içinde 10 ton basınç
uygulanarak pastiller elde edilmiştir. Bu pastiller FTIR
cihazında 128 kez taranarak, 4000 ile 400 cm-1 aralığında veri
toplanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ile elde edilen
tozların parçacık morfolojileri incelenmiştir, bu inceleme
öncesinde de tüm örnekler, elektriksel iletkenliklerinin
arttırılması amacı ile, yaklaşık 25 nm kalınlığında bir altın
tabakası ile kaplanmışlardır.
3. Bulgular ve Tartışma
Şekil 1: Tipik brushite morfolojisi [9, 10]
Şekil-2’de 2.5 ile 24 saat aralığında karıştırılan CaCO3 içeren
amonyum dihidrojen fosfat süspansiyonlarından elde edilen
tozların X-ışını kırınım verileri topluca gösterilmiştir. Bu
veriler elde edilen tozların çok yüksek oranda brushite
içerdiğini göstermiştir. Şekil-3’te ise 90 saniye ile 1 saat arası
karıştırma ile elde edilen tozların X-ışını verileri
sunulmaktadır.
Bu çalışmadaki amacımız, Şekil-1’de görülen kristal/parçacık
morfolojisinin değiştirilmesidir. Bu morfolojinin esas olarak
daha küçük ve/veya karmaşık bir forma değiştirilmesinden
elde edilebilecek en önemli kazanç ise, tozun BET yüzey
alanının arttırılması olacaktır. Daha yüksek yüzey alanına
sahip brushite tozlarının üretilebilmesi, bunların sert doku
defektine, cerrahi girişimle uygulanması esnasında birim
parçacık yüzeylerine daha çok doğal protein, büyüme faktörü,
hücre, platelet, biyomolekül, vb. adsorpsiyonuna/tutunmasına
olanak tanıyarak biyomalzemenin cerrahi girişimi takip eden
ilk saatler boyunca biyouyumluluğunu arttıracağı yönündeki
varsayımı destekler niteliktedir.
2. Deneysel Yöntem
Bu çalışmada brushite tozlarının üretimi için aşağıda anılan
başlangıç kimyasalları kullanılmıştır; amonyum dihidrojen
fosfat (NH4H2PO4, >99%, Katalog No. 1.01126, Merck,
Darmstadt, Almanya) ve çöktürülmüş kalsiyum karbonat
(CaCO3, >99%, Katalog No. 12010, Riedel de Haen,
Almanya). Sentez çözeltilerinin hazırlanması için de iki kez
damıtılmış su kullanılmıştır. Tipik bir sentez deneyi ise şöyle
yapılmıştır. 100 mL kapasiteli temiz bir cam şişenin içine
önce 85 mL saf su konmuş, buna da 15.0 g NH4H2PO4
eklenmiş ve bu tuz suda çözününceye dek oda sıcaklığında
(21±1°C) karıştırılmıştır. Elde edilen berrak amonyum fosfat
çözeltisinin pH değeri 4.1-4.2 aralığındadır. Bu çözeltiye 3.0
g CaCO3 tozu eklenmiş ve oluşan beyaz süspansiyon 1.5
dakika ile 24 h aralığında değiştirilen süreler boyunca oda
sıcaklığında karıştırılmıştır. Karışma süresinin sonunda, cam
şişe içindeki beyaz süspansiyon filtre kağıdı kullanılarak
süzülmüş ve yaklaşık 2 litre saf su ile yıkandıktan sonra da
90°C sıcaklıkta sabit tutulan bir etüvde 24 saat boyunca
kurutulmuşlardır. Üretilen toz örneklerinin karakterizasyonu
için X-ışını kırınımı (Advance D8, Bruker AXS, Karslruhe,
Almanya), Fourier-dönüşümlü kızılötesi spektroskopi
(SpectrumOne, Perkin-Elmer, USA) ve taramalı elektron
mikroskobu (Evo-40, Carl Zeiss AG, Dresden, Almanya)
kullanılmıştır. X-ışını kırınımı analizlerinde, tozlar once bir
agat havanda hafifçe öğütülmüşler, sonra da 40 kV, 40 mA Xışını jeneratörü koşullarında 0.02° 2θ adım aralıkları (her
adımda 3 saniye) ile X-ışını verisi toplanmıştır. FTIR
analizleri yapılırken, 1 mg örnek ile 250 mg saf KBr tozu bir
agat havanda karıştırılmış, bunu takiben de elde edilen tozlara
Şekil-2: 2.5 ile 24 saat aralığında karıştırılarak elde edilen
brushite tozlarının X-ışını verisi
Şekil-3: X-ışını verileri; 90 saniye ile 1 saat arası karıştırma
Şekil-3’te verilen X-ışını analizleri 90 saniye karıştırmanın
brushite oluşturmak için yeterli olmadığını göstermiştir.
Ama yalnızca 6 dakika karıştırmanın, brushite oluşumu için
yeterli olduğu, bunun üzerindeki ve özellikle de bir saati aşan
karıştırmaların toz içinde ikincil bir faz olarak monetite
(CaHPO4) oluşumuna yolaçtığı (bkz. Şekil-2) bulunmuştur.
Dolayısıyla, deneysel yöntem bölümünde verilen sentez
reçetesi kullanılarak, yalnızca 30 dakika oda sıcaklığında
karıştırma yüksek saflıkta brushite tozu üretimi için yeterlidir.
Şekil-4’te, yarım saat karıştırma ile elde edilen, yüksek
saflıktaki brushite tozlarına ait FTIR verisi gösterilmektedir.
Bu dıyagramda gözlenen tüm bantlar brushite fazına aittir [6].
Şekil-6: Su leylağı şeklindeki brushite kristalleri-2
Bu çalışmamızda kullanılan CaCO3 tozlarının parçacık
morfolojisi Şekil-7’de verilmektedir.
Şekil-4: Yarım saat karıştırma ile üretilen brushite tozlarının
FTIR verisi
Taramalı elektron mikroskobu fotomikrografları ise bu
çalışmada
geliştirilen
yöntemle
üretilen
tozların
morfolojilerini (30 dakika karıştırma ile) göstermektedir.
Aşağıdaki fotomikrograflarda gösterilen morfoloji bugüne
dek, dünya literatüründe brushite tozları için hiç
rastlanılmamış bir kristal/parçacık biçimine işaret etmektedir.
Şekil-7: Kullanılan CaCO3 tozları
Şekil-5: Su leylağı şeklindeki brushite kristalleri-1
Şekil-5 ve Şekil-6’da verilen fotomikrograflardan da
görüleceği üzere, yeni yöntemle üretilen brushite tozlarının
parçacık boyutları çok fazla düşürülememiş olmasına (Şekil1’e kıyasla) karşın, morfolojileri köklü biçimde
değiştirilebilmiştir. Bu tozların yüzey alanının 1 ile 5
m2/g’dan çok daha yüksek olarak ölçüleceği rahatlıkla
öngörülebilmektedir. Parçacık morfolojisindeki bu köklü
değişikliğe (Şekil-1’e kıyasla) ne yol açmıştır? Bu sorunun
yanıtı başlangıç malzemesi olarak kullandığımız CaCO3’ın
morfolojisi ile verilebilecektir.
Kullandığımız CaCO3 (kalsit) tozları, NH4H2PO4 içeren su
çözeltilerine eklendikleri andan itibaren bir “template”
işlevini üstlenmekte; bir yandan yavaşça çözünmeye
başlamaktalar, ama aynı zamanda da orada kristalize edecek
olan brushite fazının oluşumu için bir tür iskelet
olmaktadırlar. Aynı miktarda NH4H2PO4 içeren su
çözeltilerine, aynı molaritede ama suda kolayca çözünen
kalsiyum klorür dihidrat veya kalsiyum nitrat tetrahidrat
eklendiğinde, oluşan brushite fazının parçacık morfolojisi
yalnızca Şekil-1’de verilen ile aynı oluyordu. Bir başka
deyişle, pH değeri 4.1-4.2 olan bir fosfat çözeltisinde
termodinamik olarak en kararlı faz brushite’tır. O çözeltide
serbest kalsiyum katyonları (kalsiyum klorür veya kalsiyum
nitrat ile çözeltiye sağlanan) herhangi bir template
yokluğunda,
sadece
Şekil-1’deki
morfolojiyı
oluşturmaktadırlar.
Böylesi özgün morfolojiye sahip, bu yöntem kullanılarak
üretilecek brushite tozları ile oluşturulacak yeni ortopedik
çimento formülasyonlarının çalışılması bundan sonraki
araştırma evremiz olacaktır.
4. Sonuçlar
Bu çalışmada, brushite tozlarının parçacık morfolojisi
literatürde ilk kez olmak üzere değiştirilmiştir. Su leylağına
benzer morfolojiye sahip brushite parçacık veya
kristallerinden oluşan tozlar üretilmiştir. Bu tozlar,
çöktürülmüş kalsiyum karbonat (CaCO3, kalsit) tozlarının
NH4H2PO4 içeren su-bazlı ve asidik çözeltilere eklenerek 6
dakika ile 24 saat aralığında istenen süreler boyunca oda
sıcaklığında cam şişeler içinde kolayca karıştırılması ile elde
edilmektedir. Bu morfolojideki tozların yeni ortopedik
çimento formülasyonlarının geliştirilmesinde kullanılması
planlanmaktadır.
5. Kaynakça
[1] D. Knaack, M. E. P. Goad, M. Aiolova, C. Rey, A.
Tofighi, and D. D. Lee, “Resorbable calcium phosphate
bone substitute,” J. Biomed. Mater. Res. Appl. Biomater.,
vol. 43, pp. 399–409, 1998.
[2] M. Bohner, U. Gbureck, and J. E. Barralet, “Technological
issues for the development of more efficient calcium
phosphate bone cements: A critical assessment,”
Biomaterials, vol. 26, pp. 6423–6429, 2005.
[3] D. Apelt, F. Theiss, M. Bohner, and B. von Rechenberg,
“In vivo behavior of three different injectable hydraulic
calcium phosphate cements,” Biomaterials, vol. 25, pp.
1439–1451, 2004.
[4] E. M. Ooms, J. G. C. Wolke, M. T. Van de Heuvel, B.
Jeschke, and J. A. Jansen, “Histological evaluation of the
bone response to calcium phosphate cement implanted in
cortical bone,” Biomaterials, vol. 24, pp. 989–1000,
2003.
[5] F. C. M. Driessens and R. M. H. Verbeeck, Biominerals,
pp. 37–59. CRC Press, Boca Raton, FL, 1990.
[6] A. C. Taş and S. B. Bhaduri, “Chemical processing of
CaHPO4⋅2H2O: Its conversion to hydroxyapatite,” J. Am.
Ceram. Soc., vol. 87, pp. 2195-2200, 2004.
[7] M. Kumar, J. Xie, K. Chittur, and C. Riley,
“Transformation of modified brushite to hydroxyapatite
in aqueous solution: Effect of potassium substitution,”
Biomaterials, vol. 20, pp. 1389–1399, 2000.
[8] S. Bruanauer, P. H. Emmett, and E. Teller, “Adsorption of
gases in multimolecular layers,” J. Am. Chem. Soc., vol.
60, pp. 309-319, 1938.
[9] Ö. Hindistan, “Changing the persistent particle
morphology of CaHPO4⋅2H2O (brushite) powders,” BME
492, Graduation Project Thesis (Supervisor: A. C. Taş),
Dept. of Biomedical Engineering, Yeditepe University,
İstanbul, 2009.
[10] İ. Mert, “Modification of the morphology of brushite
crystals,” BME 492, Graduation Project Thesis,
(Supervisor: A. C. Taş), Dept. of Biomedical
Engineering, Yeditepe University, İstanbul, 2009.