MEDİKAL PLASTİKLER 2

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.

Şekil 2. Termoplastik silikon-üretan kopolimer üretiminde kullanılan

sürekli polimerizasyon prosesi.

Yumuşak kısmın molekül ağırlığı sert kısım içeriğine bağlı olarak değişir. PTMO- ve PC- temelli hem aromatik hem alifatik sert kısımlar içeren sınıflarda diol zincir genişleticiler kullanılarak sentezlenebilmektedir. Kopolimerler, % 1' den fazla silikon içeriğinden % 20-65 aralığındaki tüm yumuşak kısım içeriğine kadar kopolimer sertliğine bağlı olarak üretilebilir.


Silikon-üretan kopolimerlerin çoğu öncelikle uygun olmayan kombinasyon özellikleri oluşturmuştur. Örneğin; aromatik silikon-polieter üretanların verilen sabit bir sertlik değeri için modülüsü konvensiyonel polieter üretanlardan fazladır (Silikon içeriği arttıkça modülüs de artar). Diğer yandan; alifatik silikon-poliüretanlar, silikon homopolimerler ve hatta doğal kauçuğun belirgin özelliği olan düşük modülüs ve yüksek son uzama değerlerine sahiptir. PTMO ve PC sınıfından olan bazı polimerlerin konvensiyonel silikon biyomalzemelere oranla 3-5 kat daha fazla gerilme direnci vardır.


Bu dört sınıfa ait tüm malzemeler çeşitli uygulamalar için formulasyonlar yapılmasına olanak sağlar. % 1' den az silikon içeriği silikonumsu yüzey özellikleri vermesine rağmen biyo-kararlılık, geçirgenlik ya da az su absorbsiyonu gibi silikonumsu yoğunluk özelliklerini sağlamak için yüksek silikon içeriğine gerek duyulmaktadır. Tabii her uygulamada silikonun bu yoğunluk özelliklerinin tümü istenmez (Bazı uygulamalarda nadiren de olsa düşük gerilme direnci tercih edilir). Bu yüzden de organik yumuşak kısım yerine daha fazla silikon kullanıldığında daha düşük gerilme direnci değeri elde edilir (Şekil 3 ve Şekil 4). Buna ek olarak yüksek silikon içeriği polimerdeki son hammadde fiyatını arttırır. Anlaşılacağı üzere, istenilen özelliklerde ürün elde etmek için minimum silikon konsantrasyon değerinin belirlenmesi teşvik edilmektedir.

Şekil 3. Gerilme direnci ile silikon içeriği arasındaki ilişkiyi gösteren eğri.Birçok biyomedikal
uygulamada ağırlıkça % 5-25 silikon içeriği optimumdur.Ancak daha fazla
ihtiyaç duyulan durumlarda (membran v.b.) daha fazla silikon içeriği gerekebilir.

Şekil 4. Dört aromatik silikon-polieter-üretan kopolimerinin gerilme direnci üzerinde silikon içeriğinin etkisini gösteren gerilme-uzama eğrileri.



Yukarıda belirtildiği gibi bazı alifatik polieter-silikon kopolimerler sıradışı sertlik (yüksek gerilme direnci ve uzama) ve düşük modülüs değerlerine sahip olabilir. Bu da onların konvensiyonel çapraz bağlı silikon elastomerlerin yerine geçerek yüksek performans gösterebilecekleri anlamına gelmektedir. Silikon içeriğine bağlı olarak, modülüs doğal kauçuk lateksininki kadar düşük, gerilme direnci de doğal kauçuk lateksininki kadar ya da ondan daha fazla olabilir. Aromatik sınıfında; artan modülüs değerlerinin, silikonun düşük çözünürlük parametresi nedeniyle artan sert kısım / yumuşak kısım faz ayrımından kaynaklandığı düşünülmektedir.


Aromatik ve alifatik silikon-poliüretan kopolimerlerin her ikisinde de ağırlıkça % 1-65 silikon içeriği aralığında optik geçirgenlik vardır. Bu olay, silikon faz ayrımının olduğu ve bunun sonucunda görünür ışık için opaklığın oluştuğu hibrit ya da birbiri içine geçen ağ sistemlerinin optik özelliklerinden farklılık gösterir.


Silikon grup enerjisi faydalarından çoğu düşük-orta silikon konsantrasyonlarından elde edilmektedir. Bu da ana poliüretanın mekanik direncine katkıda bulunabilir. Ayrıca, PSX' in yapısındaki yüksek gaz ve buhar geçirgenliğinin engellenebildiği çeşitli uygulamalarda genel PSX konsantrasyonunun az olması istenmektedir. Silikon-üretan kopolimerlerde, silikon konsantrasyonu son kullanıma bağlı olarak tamamen değişkenlik gösterir. Tüm PSX konsantrasyon aralığının üzerinde de optik berraklık sağlanabilir.


Sonuç


Yeni silikon-üretan kopolimerler sınıfları biyo-kararlılık, fiziksel özellik avantajları ve işlenebilirlik gibi daha önceden konvensiyonel poliüretan biyomalzemeler tarafından sağlanamayan özellikler içermektedir. Bu yüzden de çok çeşitli medikal ürün fabrikasyonuna gelecek sağlamaktadır. Biyo-kararlılık testleri sonuçlandıktan sonra bu malzemeler implant ve protez malzeme olarak yaygın şekilde kullanılmaya başlanacaktır.