Peek matrisli polimer kompozit temelli insan omurga implantı geliştirilmesi ve granül ekstrüzyon yöntemi ile eklemeli imalatı

Abstract

Omurga insan vücudunun önemli parçalarından biridir. İnsan gövdesi ve baş arasında bir köprü görevi görerek insanın ayakta dik şekilde durmasını sağlar. Omurga üzerinde bulunan hareketli eklemler sayesinde öne, arkaya, sağa, sola ve dönme hareketlerini yapmamızı sağlar. Bu hareketlerin yapılabilmesi için omurgada bulunan eklemlerin, bağların, disklerin ve kasların birbiri ile uyumlu çalışması gerekmektedir. İnsan omurgası 33 omurdan meydana gelmektedir. Kafatasının altından başlayarak kuyruk sokumuna kadar devam eder. Omurgada 7 adet servikal omur, 12 adet torasik omur, 5 adet lomber omur ve 9 adet sakrum ve koksal omurdan oluşmaktadır. Omurganın ilk 24 omuru üzerlerinde bulunan eklemler sayesinde hareketli iken geri kalan 9 adet omur hareketsizdir. Omurga implantları sırt ağrısı, skolyoz, dejeneratif disk bozuklukları ve omur kırıklarının olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak için kullanılan yapılardır. Omurga implantlarının ana işlevi, şekil bozukluklarını düzeltmek, omurganın stabilitesini güçlendirmek, geliştirmek ve iki omurun kaynaşmasını kolaylaştırmaktır. Omurganın maruz kaldığı gerilmeler göz önüne alındığında geliştirilecek implant malzemesinin mekanik açıdan yeterli dayanıma sahip olması gerekir. Ek olarak, biyouyumluluk spinal implantlardan beklenen temel bir özelliktir. Bu açıdan titanyum alaşımları ve bazı gelişmiş polimerler implantlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Ti ve Ti alaşımları bio-uyumlu ve korozyona dayanıklı olmasından dolayı omurga implantlarında yaygın şekilde kullanılan malzemeler olmasına rağmen, imalat nedenli problemlerden dolayı vücut sıvısı ile Ti alaşımlarının kimyasal reaksiyona girebilme ve dolayısıyla toksik etkiye neden olması riski görülebilmektedir. Toksik etkilerin görülmesinin önüne geçmek için bu çalışmada implant materyalinin matrisi olarak PEEK (Polieter Eter Keton) kullanılmasına karar verilmiştir. Ayrıca, karbon nanotüp (CNT) gibi karbon bazlı takviyeler kullanılarak implant matrisinin kırılma tokluğu ve darbe sönümleme özelliklerinin geliştirilmiştir. İmplant malzemesi olarak kullanılacak bu kompozit malzemesinde %1 k oranında CNT kullanılmıştır. Ayrıca mikro mekanik malzeme modeli olan Mori Tanaka yöntemi ile implant malzemesi olarak kullanılacak kompozit malzemenin katılık matrisi elde edilmiştir. PEEK ve CNT malzemelerinin homojen bir şekilde karıştırılabilmesi için İTÜ ARC merkezinde bulunan Kökbir marka çift vidalı bir ekstrüder kullanılmışıtr. Karıştırılan bu malzemelerden filament elde edilmiştir. Daha sonrasında da üretilen filamentler kesici bıçaklar yardımıyla granül hale getirilmiştir. Bu granüller ile granül beslemeli olan Yuzumi markasına ait bir üç boyutlu yazıcı kullanılarak kompozitlere ait deney numuneleri üretilmiştir. Deney numuneleri kullanılarak kompozitlere ait mekanik karakterizasyonlar yapılmıştır. Bu işlemlere paralel olarak, lumbar omurganın L4 omurunun maruz kaldığı yüklemeler yapılan literatür araştırmaları sonucunda belirlenmiştir. omurlardaki gerilme hesabı yapılacaktır. Geliştirilen implantın bu gerilmeleri karşılamaya yönelik tasarımı omur gövdesi rekonstrüksiyon ameliyatlarında kullanılan LFS (Lateral Fiksasyon Sistemi) uygulamasına uygun olacak şekilde yapılmıştır. Sonlu elemanlar ortamında bir insanın günlük aktivesi olarak yaptığı ayakta durma, ayakta duruken sağa dönme, ayakta dururken arkaya esneme ve ayakta dururken sağa doğru eğilme hareketlerinin sınır koşulları tanımlanarak sonlu elemanlar yöntemiyle yapısal analize tabii tutulmuştur. Yapılan analiz sonucunda elde edilen maksimum Von Mises değerleri, ayakta duruken 21.61 MPa , ayakta dururken sağa doğru dönme durumunda 22.89 MPa, ayakta dururken arkaya doğru esneme durumunda 30.78 MPa ve ayakta duruken sağa doğru eğilme durumunda 30.52 MPa'dır. Ayrıca 2020 yılında yapılan benzer bir çalışma ile karşılaştırma yapılabilmesi için 400N basma kuvveti altında dört durum için tekrar analizler yapılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda tez kapsamında tasarımı yapılan implant geometrisi ve geliştirilmiş malzeme formülasyonunun daha başarılı olduğu ortaya çıkmıştır. Eklemeli imalat ile üretilen numunelere çekme testi, basma testi ve üç nokta eğme testi uygulanmıştır. Basma testi sonuçları dışındaki tüm testlerde CNT takviyesinin saf PEEK malzemesinin çekme ve gerinim gibi mekanik özelliklerini beklenenin aksine iyileştirmediği görülmüştür. Ayrıca üç nokta eğme testinde filamanın akış yönünün etkisi de incelenmiştir. Her iki malzemede de filamentin akış yönü numune boyunca olduğunda gerilme ve birim deformasyon gibi mekanik özellikleri iyileştirdiği gözlenmiştir.