Kemik Onarımı ve Yenilenmesinde Hidroksiapatitin Kullanımı
Esma Daldiken1, Fatma Zehra Koçak2*
1Nanobilim ve Nanoteknolojisi Anabilim Dalı/Fen Bilimleri Enstitüsü, Nevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi, Nevşehir, Türkiye
2Metalurji ve MalzemeMühendisliği/Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Nevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi, Nevşehir, Türkiye
* Corresponding author: fzkocak@nevsehir.edu.tr
Presented at the 5th International Symposium on Innovative Approaches in Smart Technologies (ISAS2022), Online, Turkey, May 28, 2022
SETSCI Conference Proceedings, 2022, 13, Page (s): 63-68 , https://doi.org/10.36287/setsci.5.1.013
Published Date: 01 June 2022 | 2075 8
Abstract
Kemik dokularındaki küçük hasarların bir kısmı rejenerasyon sayesinde kendiliğinden iyileşebilmesine rağmen büyük ölçekli hasarlarda bu durum zorlaşmaktadır. Kemiğin kendini yenilemede yetersiz kaldığı durumlarda farklı tedavi yöntemleri uygulanmaktadır. Otogreft gibi geleneksel doku nakli yöntemleri ile bazı tedavilerde başarı sağlanabilse de bu yöntemler donör yetersizliği, enfeksiyon riski, doku uyuşmazlığı gibi kısıtlamalar içermektedir. Bu nedenle doku mühendisliği ve yenileyici tıp stratejileri kullanılarak geliştirilen fonksiyonel biyomalzemelere duyulan ihtiyaç giderek artmaktadır. Biyomalzemeler, dokunun yapısı, bileşimi ve fonksiyonel özelliklerine uygun şekilde tasarlanıp doğal ve yapay bileşenler kullanılarak üretilebilmektedir.
Tarihi süreçte hasarlı dokuların yerine kullanılan inert malzemelerden oluşan kalıcı implantları, dokuların kendi yenilenmesini teşvik eden biyoaktif ve biyobozunur özellikteki biyomalzemelerin geliştirilmesi takip etmiştir. Doğal kemiğin inorganik bileşimi eser miktarda iyonik katkılar (karbonat, silikat, sodyum, potasyum, magnezyum vb.) içeren hidroksiapatit bileşiğinden oluşmaktadır. Bu nedenle, hidroksiapatit kemik onarımı ve yenilenmesinde, ilaç salınım sistemlerinde, antibakteriyel, anti-tümör ve pro-anjiogenik biyomalzemelerde kullanılmaktadır. Sentetik hidroksiapatitin yüksek stabilitesi nedeniyle vücut içerisinde yetersiz çözünme ve biyoaktivite göstermesi nedeniyle, güncel araştırmalar hidroksiapatitin biyolojik apatite benzer olarak çeşitli iyonik katkılar ilavesiyle üretilerek biyoaktivitesinin arttırılmasını amaçlamaktadır. Bu çalışmada, hidroksiapatitin biyomalzeme olarak kullanımı ve önemli iyonik yer-değiştirme formları hakkındaki güncel araştırmalar incelemiştir.
Keywords - Kemik Yenilenmesi, Doku Mühendisliği, Biyomalzeme, Hidroksiapatit, Antibakteriyel
References
[1] R. E. McMahon, L. Wang, R. Skoracki, and A. B. Mathur, “Development of nanomaterials for bone repair and regeneration,” J. Biomed. Mater. Res. - Part B Appl. Biomater., vol. 101 B, no. 2, pp. 387–397, 2013, doi: 10.1002/jbm.b.32823.
[2] D. Logeart-Avramoglou, F. Anagnostou, R. Bizios, and H. Petite, “Engineering bone: Challenges and obstacles,” J. Cell. Mol. Med., vol. 9, no. 1, pp. 72–84, 2005, doi: 10.1111/j.1582-4934.2005.tb00338.x.
[3] X. He et al., “Integration of a Novel Injectable Nano Calcium Sulfate/Alginate Scaffold and BMP2 Gene-Modified Mesenchymal Stem Cells for Bone Regeneration,” Tissue Eng. Part A, vol. 19, no. 3–4, pp. 508–518, Feb. 2013, doi: 10.1089/ten.tea.2012.0244.
[4] C. R. M. Black, V. Goriainov, D. Gibbs, J. Kanczler, R. S. Tare, and R. O. C. Oreffo, “Bone Tissue Engineering,” Curr. Mol. Biol. Reports, vol. 1, no. 3, pp. 132–140, Sep. 2015, doi:10.1007/s40610-015-0022-2.
[5] C. Dieckmann, R. Renner, L. Milkova, and J. C. Simon, “Regenerative medicine in dermatology: Biomaterials, tissue engineering, stem cells, gene transfer and beyond,” Exp. Dermatol., vol. 19, no. 8, pp. 697–706, 2010, doi: 10.1111/j.1600-0625.2010.01087.x.
[6] X. Liu, K. Wu, L. Gao, L. Wang, and X. Shi, “Biomaterial strategies for the application of reproductive tissue engineering,” Bioact. Mater., vol. 14, no. November 2021, pp. 86–96, 2022, doi:10.1016/j.bioactmat.2021.11.023.
[7] G. Raddall, I. Mello, and B. M. Leung, “Biomaterials and Scaffold Design Strategies for Regenerative Endodontic Therapy,” Front. Bioeng. Biotechnol., vol. 7, no. November, pp. 1–13, 2019, doi:10.3389/fbioe.2019.00317.
[8] M. C. Chifiriuc et al., “Soft tissue engineering and microbial infections,” in Nanobiomaterials in Soft Tissue Engineering, Elsevier, 2016, pp. 1–29. doi: 10.1016/B978-0-323-42865-1.00001-5.
[9] Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu, “Geçmişten Geleceğe Uzanan Biyomalzemeler,” Ankara, Feb. 2022. [Online]. Available: https://bilimteknik.tubitak.gov.tr/
[10] S. Çakmak, “Kemik Doku Onarımı İçin Hidroskiapatit/Peptit Amfifil Bazlı Nanokompozit Doku İskelelerinin Geliştirilmesi,” HHacettepe Üniversitesi, 2015.
[11] F. Z. Kocak, “pH and Thermosensitive Injectable Hydrogels : Functionalised Biomaterials for Bone Regeneration,” Lancaster University, 2021. doi: 10.17635.
[12] S. Panda, C. K. Biswas, and S. Paul, “A comprehensive review on the preparation and application of calcium hydroxyapatite: A special focus on atomic doping methods for bone tissue engineering,” Ceram. Int., vol. 47, no. 20, pp. 28122–28144, 2021, doi: 10.1016/j.ceramint.2021.07.100.
[13] R. N. Granito, A. C. M. Renno, H. Yamamura, M. C. de Almeida, P. L. M. Ruiz, and D. A. Ribeiro, “Hydroxyapatite from fish for bone tissue engineering: A promising approach,” Int. J. Mol. Cell. Med., vol. 7, no. 2, pp. 80–90, 2018, doi: 10.22088/IJMCM.BUMS.7.2.80.
[14] I. Sopyan, M. Mel, S. Ramesh, and K. A. Khalid, “Porous hydroxyapatite for artificial bone applications,” Sci. Technol. Adv. Mater., vol. 8, no. 1–2, pp. 116–123, 2007, doi: 10.1016/j.stam.2006.11.017.
[15] K. Faksawat, P. Limsuwan, and K. Naemchanthara, “3D printing technique of specific bone shape based on raw clay using hydroxyapatite as an additive material,” Appl. Clay Sci., vol. 214, p. 106269, Nov. 2021, doi: 10.1016/j.clay.2021.106269.
[16] A. O. Keskin, “Hidroksiapatit Seramiklerinin Mekanik Özelliklerinin Zirkonya İlavesiyle Geliştirilmesi,” İstanbul Teknik Üniversitesi, 2000.
[17] L. T. Bang, B. D. Long, and R. Othman, “Carbonate hydroxyapatite and silicon-substituted carbonate hydroxyapatite: Synthesis, mechanical properties, and solubility evaluations,” Sci. World J., vol. 2014, 2014, doi: 10.1155/2014/969876.
[18] S. Kannan, A. F. Lemos, and J. M. F. Ferreira, “Synthesis and Mechanical Performance of Biological-like Hydroxyapatites,” Chem. Mater., vol. 18, no. 8, pp. 2181–2186, Apr. 2006, doi: 10.1021/cm052567q.
[19] A. A. Chaudhry, J. C. Knowles, I. Rehman, and J. A. Darr, “Rapid hydrothermal flow synthesis and characterisation of carbonate- and silicate-substituted calcium phosphates,” J. Biomater. Appl., vol. 28, no. 3, pp. 448–461, Sep. 2013, doi: 10.1177/0885328212460289.
[20] A. Dubnika and V. Zalite, “Preparation and characterization of porous Ag doped hydroxyapatite bioceramic scaffolds,” Ceram. Int., vol. 40, no. 7 PART A, pp. 9923–9930, 2014, doi: 10.1016/j.ceramint.2014.02.088.
[21] G. L. De Lange, C. De Putter, and F. L. J. A. De Wijs, “Histological and ultrastructural appearance of the hydroxyapatite–bone interface,” J. Biomed. Mater. Res., vol. 24, no. 7, pp. 829–845, 1990, doi: 10.1002/jbm.820240704.
[22] S. M. Best, A. E. Porter, E. S. Thian, and J. Huang, “Bioceramics: Past, present and for the future,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 28, no.7, pp. 1319–1327, 2008, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.001.
[23] G. Wei and P. X. Ma, “Structure and properties of nanohydroxyapatite/polymer composite scaffolds for bone tissue engineering,” Biomaterials, vol. 25, no. 19, pp. 4749–4757, 2004, doi: 10.1016/j.biomaterials.2003.12.005.
[24] B. Leukers et al., “Hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering made by 3D printing,” J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 16, no. 12, pp. 1121–1124, Dec. 2005, doi: 10.1007/s10856-005-4716-5.
[25] P. D. Costantino, C. D. Friedman, H. J. Pelzer, and L. C. Chow, “Hydroxyapatite Cement: I. Basic Chemistry and Histologic Properties,” Arch. Otolaryngol. Neck Surg., vol. 117, no. 4, pp. 379–384, 1991, doi: 10.1001/archotol.1991.01870160033004.
[26] J. Dai, Y. Fu, D. Chen, and Z. Sun, “A novel and injectable strontium-containing hydroxyapatite bone cement for bone substitution: A systematic evaluation,” Mater. Sci. Eng. C, vol. 124, no. March, p. 112052, 2021, doi: 10.1016/j.msec.2021.112052.
[27] F. Z. Kocak, A. C. S. Talari, M. Yar, and I. U. Rehman, “In-Situ Forming pH and Thermosensitive Injectable Hydrogels to Stimulate Angiogenesis: Potential Candidates for Fast Bone Regeneration Applications,” Int. J. Mol. Sci., vol. 21, no. 5, p. 1633, Feb. 2020, doi: 10.3390/ijms21051633.
[28] F. Z. Kocak, M. Yar, and I. U. Rehman, “HydroxyapatiteIntegrated, Heparin- and Glycerol-Functionalized Chitosan-Based Injectable Hydrogels with Improved Mechanical and Proangiogenic Performance,” Int. J. Mol. Sci., vol. 23, no. 10, p. 5370, May 2022, doi: 10.3390/ijms23105370.
[29] M. Du, J. Chen, K. Liu, H. Xing, and C. Song, “Recent advances in biomedical engineering of nano-hydroxyapatite including dentistry, cancer treatment and bone repair,” Compos. Part B Eng., vol. 215, p. 108790, 2021, doi: 10.1016/j.compositesb.2021.108790.
[30] K. Lin and J. Chang, “Structure and properties of hydroxyapatite for biomedical applications,” in Hydroxyapatite ( HAp ) for Biomedical Applications, M. Mucalo, Ed. Woodhead Publishing is an imprint of Elsevier, 2015, pp. 3–21.
[31] Y. Lee, Y. M. Hahm, D. H. Lee, S. Matsuya, M. Nakagawa, and K. Ishikawa, “Preparation and characterization of macroporous carbonate-substituted hydroxyapatite scaffold,” Ind. Eng. Chem. Res., vol. 47, no. 8, pp. 2618–2622, 2008, doi: 10.1021/ie071474a.
[32] A. J. Ruys, “Silicon-Doped Hydroxyapatite,” J. Aust. Ceram. Soc., vol. 29, pp. 71–80, 1993.
[33] A. M. Pietak, J. W. Reid, M. J. Stott, and M. Sayer, “Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics,” Biomaterials, vol. 28, no. 28, pp. 4023–4032, 2007, doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.05.003.
[34] J. Singh, S. S. Chatha, and H. Singh, “Characterization and corrosion behavior of plasma sprayed calcium silicate reinforced hydroxyapatite composite coatings for medical implant applications,” Ceram. Int., vol. 47, no. 1, pp. 782–792, 2021, doi: 10.1016/j.ceramint.2020.08.189.
[35] Z. Evis, “Çeşitli İyonlar Eklenmiş Nano- Mekanik ve Biyouyumluluk Özellikleri,” Int. J. Res. Dev., vol. 3, no. 1, 2011.
[36] E. Landi et al., “Biomimetic Mg- and Mg,CO3-substituted hydroxyapatites: synthesis characterization and in vitro behaviour,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 26, no. 13, pp. 2593–2601, Jan. 2006, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2005.06.040.
[37] S. Jaiswal, A. Dubey, and D. Lahiri, “The influence of bioactive hydroxyapatite shape and size on the mechanical and biodegradation behaviour of magnesium based composite,” Ceram. Int., vol. 46, no. 17, pp. 27205–27218, 2020, doi: 10.1016/j.ceramint.2020.07.202.
[38] N. Demir, “Magnezyum Florür Katkılı Sığır Hidroksiapatit Esaslı Kompozit Biyomalzeme Üretim ve Karakterizasyonu,” İstanbul Teknik Üniversitesi, 2014.