Biyoseramik

Biyoseramikler, seramikler, camlar ve cam-seramikler dahil olmak üzere, oksitler, tuzlar veya eriyikler gibi çeşitli öncülerden yüksek sıcaklıklarda işlenen ve iyonik veya kovalent mekanizmalarla bağlanan, tıbbi uygulamalarda biyolojik sistemlerle doğrudan etkileşim için tasarlanmış inorganik, metalik olmayan malzemelerdir.^[1] Bu malzemeler, insan dokusu işlevlerini olumsuz reaksiyonlara yol açmadan taklit eden veya destekleyen implantlar, iskeleler veya kaplamalar olarak hizmet etmelerini sağlayan yüksek biyouyumlulukları ile ayırt edilirler.^[2]

Biyoseramiklerin temel özellikleri arasında olağanüstü sertlik, rijitlik, basınç dayanımı ve aşınma direnci yer alır; bu da onları yük taşıma rolleri için uygun hale getirir, ancak kırılganlıkları ve düşük kırılma toklukları (tipik olarak 2–4 MPa·m¹/²) başarısızlık risklerini azaltmak için dikkatli bir tasarım gerektirir.^[1] Metallerin veya polimerlerin aksine, biyoseramikler fizyolojik ortamlarda kimyasal kararlılık sergiler ve bileşimlerine bağlı olarak iyon değişimi veya dokularla doğrudan bağlanma gibi biyoaktiviteyi teşvik edebilir.^[2] Yaygın örnekler arasında eylemsizliği (inertlik) nedeniyle alümina (Al₂O₃) ve kemik mineraline yapısal benzerliği nedeniyle hidroksiapatit (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) bulunur.^[1]

Biyoseramikler, canlı dokularla etkileşimlerine göre üç ana kategoriye ayrılır: minimum lifli kapsülleme oluşturan biyoinert (örneğin, alümina ve zirkonya); kimyasal bağlanmayı ve osteointegrasyonu teşvik eden biyoaktif (örneğin, biyoaktif camlar ve hidroksiapatit gibi kalsiyum fosfatlar); ve kademeli olarak bozunup yerini rejenere olmuş dokuya bırakan biyobozunur (örneğin, trikalsiyum fosfat).^[1] Bu sınıflandırma, biyoinert türlerin mekanik güvenilirliğe, biyoaktif olanların ise rejeneratif potansiyele öncelik verdiği belirli kullanımlar için seçimlerine rehberlik eder.^[2]

Biyomedikal uygulamalarda biyoseramikler; zirkonya ve alüminanın dayanıklı eklem yüzeyleri sağladığı kalça ve diz eklemi protezlerinde ortopedik amaçlı; kuronlar ve köprüler için zirkonya, kök kanal dolguları için kalsiyum silikatlar kullanılarak diş hekimliğinde; ve kemik büyümesini ve ilaç salınımını destekleyen gözenekli iskeleler için doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır.^[1] Gelişimleri, Larry Hench’in doğrudan kemik-implant arayüzlerini mümkün kılan biyoaktif camlar üzerindeki öncü çalışmalarıyla 1970’lere kadar uzanır ve inert protezlerden biyolojik ajanlarla entegre edilmiş ileri rejeneratif tedavilere doğru evrilmiştir.^[2]

Temeller

Tanım ve Genel Bakış

Biyoseramikler, vücutta stabil kalan inert tipler, canlı dokularla bağ oluşturan biyoaktif varyantlar ve kademeli olarak bozunup yerini doğal dokuya bırakan emilebilir formlar dahil olmak üzere biyolojik sistemlerle etkileşime girmek üzere özel olarak tasarlanmış biyouyumlu seramik malzemeler olarak tanımlanır.^[3] Bu malzemeler, olumsuz reaksiyonlara yol açmadan fizyolojik koşullara dayanmaları gereken tıbbi ve dental uygulamalarda kullanım için tasarlanmıştır.^[4]

Biyoseramiklerin temel genel özellikleri arasında yüksek sertlik, olağanüstü korozyon direnci, düşük aşınma oranları ve termal kararlılık yer alır; bunlar, vücut sıvılarına ve mekanik streslere maruz kalan ortamlarda metallere ve polimerlere göre avantaj sağlar.^[4] Korozyona uğrayabilen veya iyon salabilen metallerin aksine veya daha kolay bozunabilen polimerlerin aksine, biyoseramikler uzun süreli implantasyonu destekleyerek uzun süre yapısal bütünlüğünü korur.^[3]

Tıp alanında biyoseramikler, implantlar, protez cihazlar üzerindeki kaplamalar ve doku mühendisliği için iskeleler olarak, özellikle kemik ve diş gibi sert dokuları değiştirmek veya onarmak için çok önemli bir rol oynar.^[3] Örneğin alümina, kimyasal kararlılığı ve yük taşıyan kalça protezlerindeki kullanımı nedeniyle inert biyoseramiklere örnek teşkil ederken, hidroksiapatit, dental ve ortopedik uygulamalarda çevre dokularla doğrudan entegrasyonu kolaylaştıran kemik taklidi özellikler gösterir.^[4]

Biyoseramiklerin gelişimi, biyouyumluluk ve dayanıklılıktaki sınırlamaları ele almak için 1960’lardan itibaren ortaya çıkan öncü klinik kullanımlarla birlikte, geleneksel metalik implantlara bir alternatif olarak 20. yüzyılın sonlarında önem kazanmıştır.^[3]

Biyoseramiklerin Sınıflandırılması

Biyoseramikler, öncelikle biyolojik dokularla etkileşimlerine, özellikle de belirli biyomedikal roller için uygunluklarını belirleyen biyoaktivite derecesi ve emilebilirliklerine göre sınıflandırılır. Ana kategoriler arasında biyoinert, biyoaktif ve biyobozunur seramikler bulunur. Biyoinert seramikler, çevre dokularla minimum kimyasal etkileşim gösterir ve alümina (Al₂O₃), zirkonya (ZrO₂) ve pirolitik karbon gibi karbon bazlı malzemeler gibi önemli biyolojik tepkiler oluşturmadan yapısal bütünlüğünü korur.^[1] Buna karşılık biyoaktif seramikler, Biyocam 45S5 ve kalsiyum silikat bileşikleri ile örneklendiği gibi, entegrasyonu destekleyen yüzey reaksiyonları yoluyla canlı dokularla kimyasal bağlar oluşturur.^[5] Biyobozunur seramikler, in vivo ortamda kademeli olarak bozunarak doğal doku ile yer değiştirmeye izin verir; temsili örnekler arasında trikalsiyum fosfat (β-TCP) ve belirli hidroksiapatit (HA) formları bulunur.^[6]

Sınıflandırma kriterleri, biyoaktivite kapsamını, emilim oranlarını ve yapısal konfigürasyonları vurgular. Biyoaktivite genellikle, Sınıf A malzemeleri (osteojenik genleri aktive eden iyon salınımı yoluyla hem içsel olarak hem de arayüzde kemik büyümesini uyarabilen osteoprodüktif) ve Sınıf B malzemeleri (içsel kemik oluşumu olmaksızın öncelikle yüzeyde kemik birikimi için bir iskele sağlayan osteokondüktif) ayıran Hench’in çerçevesi kullanılarak tanımlanır.^[7] Emilebilirlik malzemeye göre değişir; örneğin, β-TCP gibi biyobozunur seramikler kemik yeniden yapılanmasıyla (tipik olarak aylar ila yıllar arasında) eşleşen oranlarda çözünürken, biyoinert tipler süresiz olarak kararlı kalır.^[8] Yapısal formlar, yük taşıyan uygulamalar için yoğun seramikleri, doku büyümesini artırmak için gözenekli varyantları ve özel performans için seramikleri polimerler veya metallerle birleştiren kompozitleri kapsayarak sınıflandırmayı daha da geliştirir.^[9]

Bileşimsel bir perspektiften bakıldığında, biyoseramikler oksit bazlı, oksit olmayan ve cam-seramik tiplerinde gruplandırılır. Alümina ve zirkonya gibi oksit seramikler, yüksek kararlılıkları ve biyouyumlulukları nedeniyle biyoinert uygulamalara hakimdir.^[1] Silisyum karbür (SiC) ve silisyum nitrür (Si₃N₄) dahil olmak üzere oksit olmayan seramikler, gelişmiş tokluk sunar ve aşınma dirençleri nedeniyle biyoaktif veya biyobozunur bağlamlarda kullanılır.^[10] Biyocam varyantları gibi cam-seramikler, amorf ve kristal yapılar arasında köprü kurarak kontrollü biyoaktivite sağlar; temel 45S5 Biyocam bileşimi, ağırlıkça %45 SiO₂, %24,5 Na₂O, %24,5 CaO ve %6 P₂O₅’ten oluşur ve fizyolojik ortamlarda hızlı yüzey reaksiyonlarını kolaylaştırır.^[11]

Önemli bir biyobozunur ve biyoaktif seramik olan hidroksiapatit (HA), doğal apatiti yansıtan ve zamanla yavaş yavaş bozunurken osteokondüksiyonu destekleyen 1,67’lik stokiyometrik Ca/P molar oranı ile karakterize edilen, kemik mineralinin sentetik bir analogu olarak hizmet eder.^[12] Bu oran, faz saflığını ve optimal biyolojik tepkiyi sağlar ve HA’yı TCP (Ca/P = 1,5) gibi daha hızlı emilebilir fosfatlardan ayırır.^[13]

Özellikler

Mekanik ve Fiziksel Özellikler

Biyoseramikler, implantlardaki yük taşıma uygulamaları için uygun kılan bir dizi mekanik özellik sergiler, ancak kırılganlıkları önemli bir sınırlama olmaya devam etmektedir. Alümina (Al₂O₃) biyoseramikleri, kortikal kemikle karşılaştırılabilir ancak önemli ölçüde daha yüksek olan rijitliklerini yansıtan ve yükleri etkili bir şekilde dağıtmaya yardımcı olan yaklaşık 380 GPa’lık yüksek bir Young modülü sergiler.^[14] Zirkonya (ZrO₂), özellikle itriya ile stabilize edilmiş tetragonal zirkonya (Y-TZP), 200 GPa civarında daha düşük bir Young modülüne sahiptir ve stres kalkanını azaltmak için kemiğe daha iyi bir modül uyumu sunar.^[15] Bu malzemeler için basınç dayanımları yoğun formlarda 4 GPa’ya kadar çıkabilir; alümina 2,5–4 GPa ve zirkonya yaklaşık 2 GPa’ya ulaşarak ortopedik cihazlarda eksenel yüklere karşı direnç sağlar.^[14]^[16] Kırılma tokluğu değerleri alümina için 3–5 MPa·m¹/² ve zirkonya için 5–10 MPa·m¹/²’dir; ikincisi dönüşüm tokluğu ile güçlendirilmiştir. Vickers testi ile ölçülen sertlik, çoğu biyoseramik için 1500’ü aşar; alümina 1800–2000 HV ve zirkonya 1200–1400 HV değerindedir ve eklem yüzeylerinde mükemmel aşınma direncine katkıda bulunur.^[14]^[17]

Fiziksel özellikler, biyoseramiklerin fizyolojik ortamlardaki performansını daha da tanımlar. Alümina yoğunluğu yaklaşık 3,9 g/cm³ olup hafif ancak sağlam bir yapı sağlarken, zirkonya yaklaşık 6 g/cm³ ile daha yoğundur ve implant ağırlığını etkiler. Termal genleşme katsayısı alümina için yaklaşık 8 × 10⁻⁶/K ve zirkonya için 10 × 10⁻⁶/K olup, sterilizasyon veya vücut sıcaklığı dalgalanmaları sırasında termal uyumsuzluk streslerini en aza indirir. Yüksek sertlik ve düşük sürtünme katsayıları (0,1–0,2) nedeniyle aşınma direnci üstündür ve eklem protezlerinde birikinti oluşumunu azaltır. Hidroksiapatit (HA) gibi biyobozunur varyantlar için sıklıkla dahil edilen gözeneklilik, mukavemeti ters orantılı olarak etkiler; örneğin, HA iskelelerindeki %40–50 gözeneklilik, basınç dayanımını yoğun formlardaki ~100 MPa’dan 0,9–25 MPa’ya düşürerek mekanik destek ile doku büyümesi arasında bir denge kurar.^[14]^[18]

Mikroyapı ve bileşim dahil olmak üzere çeşitli faktörler bu özellikleri etkiler. Tane boyutu kritik bir rol oynar; daha ince taneler (örneğin, <1 μm), kusur yayılmasını sınırlayarak mukavemeti ve tokluğu artırır. Bu durum, mikron altı tanelerin eğilme mukavemetini %20–30 oranında artırdığı yüksek saflıktaki alüminada görülür. Zirkonyada tokluk mekanizması, çatlak uçlarında tetragonalden monoklinik yapıya strese bağlı faz dönüşümünü içerir; bu da basınç stresleri ve çatlak büyümesini durduran %50’ye kadar hacim genişlemesi yaratır. HA/polimer hibritleri gibi kompozitler, polikaprolakton gibi sünek fazları dahil ederek kırılganlığı azaltır ve biyoaktiviteyi korurken kırılma tokluğunu 2–3 kat artırır. Bu iyileştirmeler güvenilirlik için hayati önem taşır; Weibull modülü (m), mukavemetteki değişkenliği nicelendirir ve m ≥ 8 değerleri standartlara göre yüksek güvenilirliği gösterir; alümina genellikle yük altında öngörülebilir başarısızlık için m = 10–15 değerine ulaşır.^[18]^[19]^[20]

Bu özelliklerin testi, implant güvenliğini sağlamak için belirlenmiş standartlara uygundur. ISO 13356, Y-TZP seramikleri için minimum eğilme mukavemeti (>900 MPa), Weibull modülü (m ≥ 8) ve fizyolojik stresleri simüle eden döngüsel yükleme altında yorulma direnci (örneğin, 200–500 MPa’da 10⁶ döngü) dahil olmak üzere gereksinimleri belirtir. Basınç ve sertlik testleri ASTM veya ISO protokollerini izlerken, kırılma tokluğu şevron-çentik veya indentasyon yöntemleri ile değerlendirilir. Kırılganlık, seramiklere özgü kusur dağılımlarını göz ardı eden deterministik mukavemetler yerine, güvenilirlik tahmini için Weibull analizi gibi olasılıksal yaklaşımları gerektirir.^[21]^[20]

Özellik	Alümina (Al₂O₃)	Zirkonya (Y-TZP)	Örnek Kaynak
Young Modülü (GPa)	~380	~200	AZoM, MatWeb
Basınç Dayanımı (GPa)	2,5–4	~2	AZoM, CoorsTek
Kırılma Tokluğu (MPa·m¹/²)	3–5	5–10	AZoM, MatWeb
Vickers Sertliği (HV)	1800–2000	1200–1400	AZoM, MatWeb
Yoğunluk (g/cm³)	3,9	6,0	AZoM
Termal Genleşme (×10⁻⁶/K)	8	10	Standart seramik verileri, ScienceDirect

Biyolojik ve Biyouyumluluk Özellikleri

Biyoseramikler, entegrasyon mekanizmalarını ve uzun vadeli performanslarını belirleyen farklı biyouyumluluk seviyeleri aracılığıyla canlı dokularla etkileşime girer. Alümina ve zirkonya gibi inert biyoseramikler, minimal kimyasal reaksiyonlar ortaya çıkarır ve çevreleyen yumuşak doku tarafından lifli kapsülleme ile sonuçlanarak kararlı ancak bağlayıcı olmayan bir arayüz oluşturur. Hidroksiapatit (HA) ve biyoaktif camlar dahil olmak üzere biyoaktif biyoseramikler, kemik mineralini taklit eden ve konak dokulara doğrudan kimyasal yapışmayı kolaylaştıran bir hidroksikarbonat apatit (HCA) tabakası oluşturarak doku bağlanmasını aktif olarak teşvik eder. Trikalsiyum fosfat (TCP) gibi emilebilir biyoseramikler, kontrollü bozunmaya uğrar ve doku büyümesini ve nihayetinde artık implant malzemesi kalmadan doğal kemik ile yer değiştirmeyi destekleyen iyonlar salar.^[1]^[2]

Bu etkileşimlerin altında yatan temel mekanizmalar arasında, hücre tanıma ve yapışmasını etkileyen biyolojik bir korona oluşturan biyoseramik yüzeyindeki ilk protein adsorpsiyonu yer alır. Biyoaktif ve emilebilir sınıflar için, gelişmiş hücre yapışması (özellikle osteoblastların) osteokondüksiyona (implant yüzeyi boyunca kemik büyümesine rehberlik etme) ve belirli formülasyonlarda progenitör hücrelerin kemik oluşturan soylara farklılaştığı osteoindüksiyona yol açar. İyon salınımı bu süreçleri daha da yönlendirir; örneğin biyoaktif camlar, osteojenik gen ekspresyonunu yukarı düzenleyen, osteoblast çoğalmasını artıran ve osteokalsin aktivasyonu gibi yollarla biyomineralizasyonu uyaran Ca²⁺ ve Si⁴⁺ iyonlarını serbest bırakmak için çözünür.^[22]^[23]^[24]

Biyouyumluluk, sitotoksisite, duyarlılık, implantasyon ve hemouyumluluk genelinde güvenliği sağlamak için ISO 10993 standartları aracılığıyla titizlikle değerlendirilir. Sitotoksisite testleri (ISO 10993-5), in vitro elüsyon veya temas yöntemleri yoluyla doğrudan hücre hasarını değerlendirirken, duyarlılık deneyleri (ISO 10993-10) kobay maksimizasyon testi gibi modeller kullanarak gecikmiş aşırı duyarlılığı tespit eder. İmplantasyon çalışmaları (ISO 10993-6) zaman içindeki in vivo doku tepkilerini izler ve hemouyumluluk değerlendirmeleri (ISO 10993-4), vasküler uygulamalar için hemoliz ve tromboz riski dahil olmak üzere kan etkileşimlerini değerlendirir. Biyoaktif camların benzersiz bir yönü, simüle edilmiş vücut sıvısında (SBF) belirli bileşimler için 1–12 saat içinde meydana gelen hızlı HCA tabakası oluşumudur; bu, osseointegrasyonu hızlandırır ancak aşınma partiküllerinden kaynaklanan inflamasyon gibi riskleri azaltma ihtiyacını vurgular.^[25]^[26]

Sınıfa özgü farklılıklar, değişen biyolojik profillerin altını çizer; zirkonyanın biyoinertliği, onu lifli izolasyon ve düşük reaktivite ile mekanik rollerle sınırlandırır ve kaplamalar olmadan entegrasyonu potansiyel olarak sınırlar; oysa HA’nın doğal osteokondüktivitesi, apatit aracılı bağlanma yoluyla güçlü kemik apozisyonu ve doku büyümesini mümkün kılar. Bununla birlikte, biyoseramiklerden kaynaklanan partikül aşınması sınıflar arasında zorluklar yaratır; çünkü birikintiler makrofajları TNF-α ve IL-1β gibi pro-inflamatuar sitokinleri serbest bırakmaları için aktive ederek, tasarımla en aza indirilmezse kronik inflamasyonu ve osteolizi teşvik eder.^[27]^[28]

Tarihçe

Erken Gelişmeler

Doğal seramiklerin cerrahi uygulamalarda kullanımı, kemik onarımı için mercan ve Paris alçısı gibi malzemelerin kullanıldığı eski zamanlara kadar uzanır. 1920’lerde, mercan türevi hidroksiapatit, Eliyahu tarafından 1923’te bildirilenler gibi kemik grefti prosedürlerinde kullanılarak doğal malzemelerden sentetik biyoseramiklere geçişi sağladı.^[29] Kemiği taklit eden gözenekli yapısı nedeniyle değer verilen mercan, 20. yüzyıldan önce kemik kusurlarını doldurmadaki uygulamasına dair tarihsel kayıtların da kanıtladığı gibi, erken greftleme prosedürlerinde kullanılmıştır. Benzer şekilde, 1892’de Heinrich Dreesmann, kemik boşluklarını tedavi etmek için Paris alçısının (kalsiyum sülfat hemihidrat) ilk klinik kullanımını bildirmiş, emilebilir özelliklerini ve kemik rejenerasyonunu desteklemedeki ilk başarısını göstermiştir.^[29]^[30]

1920’lerden 1950’lere kadar ortopedi uygulamaları, korozyon ve toksisite endişeleri nedeniyle ağırlıklı olarak metalik implantlardan seramiklere doğru kaymaya başladı ve ilk deneyler biyouyumlu alternatiflere odaklandı. 1930’larda, Vitallium (bir kobalt-krom alaşımı), Strock kardeşlerin 1937’de insan çenelerine Vitallium vidalarını başarılı bir şekilde yerleştirmesiyle dental ve ortopedik implantlar için önemli bir malzeme olarak ortaya çıktı; bu, metalik doğasına rağmen dayanıklı implant tasarımında temel bir adımdı. Eş zamanlı olarak, 1950’lerin sonlarında S. Sandhaus’un dental vidalar için yaptığı gibi ön alümina (alüminyum oksit) deneyleri, metallere göre iyileştirilmiş aşınma direncini vurgulayarak seramik uygulamaları için zemin hazırladı.^[31]^[32]

1960’lar, Larry L. Hench’in 1969’da hidroksilapatit tabakası oluşumu yoluyla kemiğe benzersiz bir şekilde bağlanan silika bazlı bir bileşim (%46,1 SiO₂, %24,4 Na₂O, %26,9 CaO, %2,6 P₂O₅) olan 45S5 Biyocam’ı keşfetmesiyle örneklenen biyoaktif malzemelerde çok önemli atılımlar getirdi. Lifli kapsülleme olmadan doğrudan doku tutunmasını gösteren in vivo testlerde ilk kez rapor edilen bu yenilik, odağı aktif olarak konak kemikle bütünleşen malzemelere kaydırdı.^[33]

1970’ler ve 1980’lerde, hidroksiapatit (HA, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), M. Jarcho gibi araştırmacıların 1970’lerin ortalarında hayvan modellerinde osteokondüktif özelliklerini gösteren çalışmalarıyla sentetik bir kemik ikamesi olarak ortaya çıktı ve bu da kusur doldurma için klinik deneylere yol açtı. Eş zamanlı olarak alümina seramikler yük taşıyan uygulamalarda ilerledi; Almanya’da Peter Griss, Pierre Boutin’in 1970’te Fransa’daki metal-polietilen çiftlerine kıyasla aşınma kalıntılarını azaltan çimentolu seramik-seramik tasarımını temel alarak, 1974’te ilk çimentosuz alümina total kalça protezlerini implante etti. 1985 yılına gelindiğinde, sıcak izostatik presleme (HIP), kalça bileşenlerinde gelişmiş kırılma tokluğu için HIP Vitox®’un ticarileştirilmesini sağlayarak alümina yoğunluğunu artırdı. Bu dönemler, daha yoğun mikroyapılar için rafine sinterleme teknikleri ve sitotoksisite ve osseointegrasyonu değerlendirmek için ISO 10993 öncüleri gibi standartlaştırılmış biyouyumluluk test protokolleri dahil olmak üzere malzeme bilimi ilerlemelerinden etkilendi.^[34]^[35]

Modern Dönüm Noktaları

1990’lar, ABD Gıda ve İlaç Dairesi’nin (FDA) 1995’te ortopedik implantlar üzerinde plazma püskürtmeli hidroksiapatit (HA) kaplamalar için onayıyla başlayan biyoseramik klinik çevirisi için çok önemli bir dönemi işaret etti; bu, doğrudan kemik-implant bağlanmasını kolaylaştırarak ve implant gevşeme oranlarını azaltarak osseointegrasyonu iyileştirdi.^[36] Bu on yıl boyunca, zirkonya bazlı seramikler, daha önceki alümina alternatiflerine kıyasla üstün kırılma tokluğu (10 MPa·m¹/²’ye kadar) ve azaltılmış aşınma kalıntısı sunarak, böylece implant ömrünü uzatarak total kalça artroplastisi için femoral başlar olarak tanıtıldı.

2000’lerde biyoseramikler, ekstraselüler matrisi taklit etmek ve kemik ve yumuşak doku onarımı için hücresel çoğalmayı desteklemek üzere tasarlanmış biyoaktif camlar ve kalsiyum fosfat iskeleler ile doku mühendisliğinde rejeneratif uygulamalara doğru ilerledi. Klinik olarak, orta kulak kemikçikleri için biyocam implantlar rutin kullanıma girdi ve uzun vadeli çalışmalarda %90’ı aşan başarı oranlarıyla işitsel işlev restorasyonunu destekleyen biyouyumluluk ve biyoaktivite gösterdi.

2010’lar, yük taşıyan uygulamalarda besin difüzyonu ve vasküler büyüme için gözenekliliği korurken mekanik mukavemeti artırmak üzere karbon nanotüpler veya silika gibi nanomalzemeleri içeren biyoseramik nanokompozitlerde ve gözenekli iskelelerde yeniliklere tanık oldu. Biyoaktif cam bileşimleri, anjiyojenik ve antibakteriyel etkiler yoluyla kronik ülser kapanmasını destekleyerek yara iyileşmesi uygulamaları için Avrupa Birliği’nde onaylanmıştır.

2020’lere girerken, doğrudan mürekkep yazma (DIW) gibi 3D baskı teknikleri, 2023’te kraniyofasiyal rekonstrüksiyonda karmaşık geometrileri destekleyen özelleştirilmiş, emilebilir implantlar için 200 μm’nin altındaki çözünürlüklere ulaşarak hidroksiapatit iskelelerin üretimini mümkün kıldı. Eş zamanlı olarak, kök hücrelerle entegre edilmiş biyoseramikler, kemik kusuru onarımı için klinik öncesi modellerde osteogenezi ve vaskülarizasyonu destekleyen kalsiyum silikat iskelelere ekilen mezenkimal kök hücreler gibi gelişmiş rejeneratif potansiyel göstermiştir. 2024 tarihli kapsamlı bir inceleme, vertebroplasti uygulamaları için fizyolojik koşullar altında iyileştirilmiş enjekte edilebilirliklerini ve sertleşme sürelerini vurgulayarak kalsiyum fosfat çimentolarındaki ilerlemenin altını çizdi. 2020 sonrası, implantla ilişkili enfeksiyonlarla mücadele etmek için vankomisin gibi terapötikler için kontrollü salınım mekanizmalarını içeren ilaç salan biyoseramikler çoğaldı.

Bu gelişmeler, biyoaktif seramik testi için ISO 23317 gibi düzenleyici standartların yanı sıra ortopedik implant talebini yılda %5-7 oranında artırması öngörülen küresel yaşlanan nüfus tarafından yönlendirildi.

İşleme ve Üretim

Geleneksel Yöntemler

Biyoseramiklerin üretimi için geleneksel yöntemler, öncelikle hammaddeleri biyomedikal uygulamalar için uygun yoğun veya gözenekli yapılara dönüştüren toz bazlı işlemleri içerir. Toz hazırlama, tipik olarak mikrometre aralığında tek tip partikül boyutları elde etmek için hidroksiapatit (HA) veya alümina gibi seramik malzemelerin sentezi veya rafine edilmesiyle başlar. Yaygın teknikler arasında, partikül boyutunu azaltmak ve homojenliği artırmak için bilyeli değirmenler veya aşındırma değirmenleri kullanılarak tozların öğütülmesi, genellikle sonraki adımlarda yoğunlaşmayı teşvik etmek için bağlayıcılar, yağlayıcılar ve sinterleme yardımcılarının (örneğin, CaCl₂ veya Na₂Si₂O₅) dahil edilmesi yer alır.^[37]^[38] HA gibi biyoaktif fazlar için, kalsiyum nitrat ve fosforik asit gibi öncülerin hidrolizini içeren sol-jel işlemi gibi kimyasal sentez yöntemleri yaygın olarak kullanılır; bu işlem, 800–1000°C civarındaki sıcaklıklarda kurutulup kalsine edilen bir jel oluşturarak kontrollü stokiyometriye sahip yüksek saflıkta tozlar verir.^[39]^[37]

Ham gövdenin (green body) oluşturulması, karışımın tam yoğunlaşma olmadan istenen geometriye şekillendirildiği toz hazırlamayı takip eder. Teknikler arasında, topaklanmamış bir seramik bulamacının suyu emen gözenekli alçı kalıplara döküldüğü ve fazla slipin boşaltılmasından sonra ham gövdeyi oluşturan bir konsolide tabaka bıraktığı slip döküm yer alır. Enjeksiyon kalıplama, karmaşık şekiller için soğutulmuş metal kalıplara enjekte edilen viskoz bir hammadde oluşturmak üzere tozu organik bağlayıcılarla karıştırırken, tek eksenli veya izostatik presleme, peletler veya çubuklar gibi basit formlar üretmek için 50–200 MPa basınç altında kuru veya nemli tozları kalıplarda sıkıştırır. Bu yöntemler, katkı maddeleriyle bir arada tutulan ve çatlamayı önlemek için dikkatle kullanılması gereken %40–60 gözenekliliğe sahip kırılgan bir ham gövde ile sonuçlanır.^[40]^[37]

Sinterleme, tipik olarak kirlenmeyi en aza indirmek için kontrollü atmosferler altındaki bir fırında ısıl işlem yoluyla ham gövdeyi yoğunlaştırır. Geleneksel basınçsız sinterleme, gövdeyi 1000–1600°C’ye ısıtarak difüzyon güdümlü partikül bağlanmasına ve doğrusal boyutlarda %20–30’luk bir büzülmeye izin verir; bu, nihai toleransları elde etmek için kalıp tasarımında öngörülmelidir. Alümina gibi yüksek yoğunluklu inert biyoseramikler için sıcak izostatik presleme (HIP), eşzamanlı ısı (1600°C’ye kadar) ve gaz basıncı (100–200 MPa) uygulayarak artık gözenekleri ortadan kaldırır ve %99’u aşan yoğunluklara ulaşır. Biyoaktif iskelelerde gözeneklilik, başlangıç toz yüklemesi ayarlanarak veya yapısal bütünlüğü korurken hücre büyümesini teşvik eden kurbanlık şablonlar dahil edilerek %10–50’ye ayarlanabilir.^[41]^[42]^[43]

İşlem sonrası süreçler, sinterlenmiş biyoseramiği hassas uyum ve yüzey özellikleri için iyileştirir. Karbür veya elmas aletlerle uç frezeleme gibi işleme teknikleri, implantlar gibi bileşenleri şekillendirir, ancak HA’da kırılgan kırılma malzeme kaldırmaya hakim olduğundan, yüzey altı hasarı en aza indirmek için süper sert aletler gerektirir. Elmas aşındırıcılarla parlatma, eklem uygulamalarında aşınmayı azaltmak için pürüzsüz yüzeyler (Ra < 0,1 μm) elde eder. Kaplama yöntemleri arasında, HA tozlarının yüksek hızlı bir plazma jetinde eritildiği ve osseointegrasyonu artırmak için titanyum alt tabakalar üzerine 50–200 μm kalınlıklarında biriktirildiği plazma püskürtme yer alır; güç (20–40 kW) ve gaz akışı gibi işlem parametreleri kaplama kristalliliğini ve yapışmasını kontrol eder.^[44]^[45]^[37]

Bu yüksek sıcaklık işlemlerinin önemli bir sınırlaması, β-trikalsiyum fosfat (β-TCP) gibi emilebilir biyoseramikler üzerindeki etkileridir; burada 1125°C’nin üzerindeki sıcaklıklar, α-TCP gibi daha az kararlı ancak daha hızlı emilebilir formlara faz dönüşümlerini indükleyerek potansiyel olarak bozunma oranlarını hızlandırır ve kontrollü emilim gerektiren uygulamalarda biyolojik performansı etkiler.^[41]

İleri Teknikler

Katmanlı imalat teknikleri, gözeneklilik ve mimari üzerinde hassas kontrol ile karmaşık, hastaya özel yapıların oluşturulmasını sağlayarak biyoseramik üretiminde devrim yaratmıştır. Ekstrüzyon tabanlı bir yöntem olan doğrudan mürekkep yazma (DIW), %40-60 hacimce katı yüklemesine sahip seramik mürekkeplerin, son doku mühendisliği uygulamalarında gösterildiği gibi birkaç santimetre boyutunda iskelelerin yüksek çözünürlüklü baskısına izin verdiği gözenekli hidroksiapatit (HA) iskeleleri üretmek için özellikle etkilidir.^[46]^[47] 2020 sonrası gelişmeler arasında, klinik öncesi modellerde osteogenezi ve kemik rejenerasyonunu artırmak için 3D baskılı biyoseramik iskelelere büyüme faktörlerinin entegrasyonu yer almaktadır.^[48] Işık tabanlı bir eklemeli işlem olan stereolitografi (SLA), diş restorasyonları için yüksek yoğunluklu zirkonya biyoseramiklerin üretiminde üstündür ve bağlayıcı giderme ve sinterlemeden sonra 50 μm altı özellik çözünürlüğü ve 1000 MPa’yı aşan eğilme mukavemetleri elde eder.^[49] 2024 itibariyle, vat fotopolimerizasyonundaki son gelişmeler, gelişmiş mekanik özelliklere sahip yüksek hassasiyetli zirkonya diş kuronlarının üretimini iyileştirmiştir.^[50] Bu teknikler, düzensiz kusurlar için özelleştirme ve uyarlanmış mikroyapılar yoluyla gelişmiş biyoaktivite gibi avantajlar sunsa da, 100 μm’nin altındaki çözünürlüklere ulaşma ve klinik hacimler için üretimi ölçeklendirme konusunda zorluklar devam etmektedir.^[51]

Nanofabrikasyon yöntemleri, yüzey alanını ve biyoentegrasyonu artırmak için nano ölçekli özellikleri dahil ederek biyoseramik tasarımını daha da ilerletir. Sol-jel işlemi, metal alkoksitleri hidrolize ederek homojen jeller oluşturup, ardından bunları implant üzerindeki kaplamalar için ideal olan 100 nm’nin altındaki partikül boyutlarına sahip nanoyapılı matrislere kalsine ederek biyoaktif cam takviyeli polimerler gibi nanokompozitlerin sentezini mümkün kılar.^[52] Elektrospinning, biyoaktif cam gibi malzemelerin sol-jel öncülerinin, ekstraselüler matris topografisini taklit eden nanoliflere (çapları 100-500 nm) eğrildiği ve kemik doku mühendisliğinde hücre yapışmasını ve çoğalmasını teşvik eden biyoseramik lifler üreterek bunu tamamlar.^[53] Bu yaklaşımlar, toplu seramiklere kıyasla üstün mekanik takviye ve biyoaktiviteye sahip malzemeler sağlar, ancak işlem sonrası elyaf kırılmasını önlemek için optimizasyon gerektirir.

Dondurarak kurutma ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) gibi ek teknikler, gözeneklilik ve ince film uygulamaları için özel ihtiyaçları ele alır. Dondurarak kurutma veya buz şablonlama, bulamaçların yönlü dondurulması ve ardından süblimleştirilmesi yoluyla kalsiyum fosfatlar gibi biyoseramiklerde hiyerarşik gözeneklilik yaratır ve iskelelerde besin taşınmasını ve vaskülarizasyonu kolaylaştıran hizalanmış gözenekler (10-100 μm) ile sonuçlanır.^[54] CVD, hidroksiapatitin ince filmlerini 600-800°C’de gaz fazı reaksiyonları yoluyla alt tabakalara biriktirerek, implant osseointegrasyonunu artırmak için yüksek kristallikte yapışkan kaplamalar (1-10 μm kalınlığında) üretir.^[55] Her iki yöntem de biyolojik performansı iyileştiren kontrollü mikroyapıları mümkün kılar, ancak ölçeklenebilirlik işlem süreleri ve ekipman maliyetleri ile sınırlı kalır.

Uygulamalar

Ortopedik ve Dental Kullanımlar

Biyoseramikler, özellikle eklem protezleri için yük taşıyan implantlarda ortopedik uygulamalarda çok önemli bir rol oynamaktadır. Alümina ve zirkonya seramikleri, yüksek sertlikleri, kimyasal kararlılıkları ve düşük aşınma oranları nedeniyle total kalça ve diz artroplastilerinde yaygın olarak kullanılmakta ve metal bileşenlere uygun alternatifler haline gelmektedir.^[1]^[56] Kalça protezlerinde, polietilen veya seramik asetabular kaplarla eşleştirilen alümina femoral başlar, metal-polietilen yataklara kıyasla önemli ölçüde azaltılmış aşınma gösterir ve çalışmalar 10 yıllık takipten sonra yaklaşık %50 daha az doğrusal aşınma penetrasyonu bildirmiştir.^[57] Zirkonya ile sertleştirilmiş alümina kompozitleri, kırılma tokluğunu daha da artırarak bu implantların yüksek stresli ortamlarda dayanıklılığını artırır.^[58] Diz artroplastileri için, ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen ile eklem yapan çimentolu alümina veya zirkonya seramikler, 1990’lardan bu yana 500’den fazla hastada minimum aşınma kalıntısı oluşumu ile olumlu klinik sonuçlar göstermiştir.^[59]

Metalik ortopedik implantlar üzerindeki hidroksiapatit (HA) kaplamalar, implant ile konak kemik arasında doğrudan kimyasal ve biyolojik bağlanmayı kolaylaştırarak, iyileşmeyi hızlandırarak ve inflamasyonu azaltarak osseointegrasyonu destekler.^[60] Plazma püskürtme veya sol-jel yöntemleriyle uygulanan bu kaplamalar, yük taşıyan bölgelerde implant stabilitesini artırmak için 30 yılı aşkın süredir klinik olarak kullanılmaktadır.^[61] Biyoaktif cam malzemeler, spinal füzyon prosedürlerinde osteokondüktif kemik grefti ikameleri olarak hizmet eder ve ergen idiyopatik skolyoz hastaları üzerindeki retrospektif çalışmaların kanıtladığı gibi, enfeksiyon risklerini artırmadan otogreftlerle karşılaştırılabilir füzyon oranları elde eder.^[62] Cisimler arası füzyonlarda, küresel biyoaktif cam macunları etkili boşluk doldurma sağlar ve çok seviyeli düzeltmeleri destekler.^[63]

Belirli örnekler bu biyoseramiklerin performansını vurgulamaktadır. Total kalça artroplastilerindeki alümina femoral başlar birçok durumda 20 yılı aşan uzun ömür sergiler; hibrit alümina-alümina konfigürasyonları kullanıldığında sağkalım oranları 25 yılda %93 ve 13,5 yılda %96’dır.^[64]^[65] Enjekte edilebilir bir biyoseramik sınıfı olan kalsiyum fosfat çimentoları, ortopedik kusurlarda emilebilir kemik boşluğu dolguları olarak kullanılır, doğal kemik mineralizasyonunu taklit eder ve optimize edilmiş gözeneklilik yoluyla biyobozunurluğu destekler.^[66] 2020’lerde, β-trikalsiyum fosfat kompozitlerine dayalı olanlar gibi yük taşıyan biyoseramik iskeleler, osteoporoz tedavisi için geliştirilmiş, hedeflenen ilaç dağıtımı ve mekanik destek yoluyla kemik rejenerasyonunu artıran özelleştirilmiş 3D baskılı yapıları mümkün kılmıştır.^[67]

Diş hekimliği uygulamalarında zirkonya biyoseramikler, doğal diş görünümüyle yakından eşleşen metal içermeyen bir alternatif sunarak kuronlar ve köprüler gibi protetik restorasyonlarda biyouyumlulukları, estetik özellikleri ve mukavemetleri nedeniyle tercih edilir.^[68] Hidroksiapatit bazlı malzemeler, endodontik boşlukları kapatmak ve onarmak için kök kanal dolgularına dahil edilir ve periapikal iyileşmeyi ve dentin ile entegrasyonu desteklemek için biyoaktivitelerinden yararlanılır.^[69] Biyocam formülasyonları, kusurlarda kemik ve yumuşak doku büyümesini uyararak periodontal rejenerasyona yardımcı olurken, kalsiyum silikat varyantları hayati pulpa tedavilerinde yüksek sızdırmazlık yeteneği ve antimikrobiyal etkiler gösterir.^[70] Zirkonya ve HA kaplı varyantlar dahil olmak üzere biyoseramik ile güçlendirilmiş dental implantlar için klinik başarı oranları 5-10 yıl içinde yaklaşık %95’e ulaşmakta ve 1.900’den fazla vakanın sistematik incelemelerinde kümülatif sağkalım %90’ı aşmaktadır.^[71]

Gelişmekte Olan ve Tıbbi Olmayan Kullanımlar

Gözenekli biyoseramikler, özellikle biyoaktif camlar, terapötik uygulamalarda kontrollü ilaç salınımı için etkili taşıyıcılar olarak ortaya çıkmıştır. Bu malzemeler, teikoplanin gibi antibiyotikleri kapsüllemek ve kademeli olarak serbest bırakmak için nanogözenekli yapılarından yararlanır; ilk gün yaklaşık %20 ve yedi gün boyunca %29’a varan ilk salınım oranlarına ulaşırken, bor katkılı varyantlar salınımı aynı sürede %3-5’e kadar yavaşlatarak enfeksiyon kontrolü için sürekli teslimatı artırır.^[72] Benzer şekilde, katkılı biyoaktif camlar, doksorubisin gibi kemoterapötiklerin salınımını kolaylaştırır; kompozitler, sistemik maruziyeti en aza indirirken lokalize kanser tedavisini hedefleyerek asidik pH seviyelerinde 72 saat boyunca %52’ye varan salınım sağlar.^[68]

Doku mühendisliğinde, biyoseramik iskeleler, kök hücre entegrasyonu için biyouyumlu çerçeveler sağlayarak kıkırdak rejenerasyonunu destekler. Stronsiyum bakır tetrasilikat/β-trikalsiyum fosfat (WES-TCP) iskeleleri gibi üç boyutlu baskılı kompozitler, tavşan kemik mezenkimal kök hücrelerinin çoğalmasını teşvik eder, yedi gün içinde SOX-9 ve COL II gibi kıkırdağa özgü genleri yukarı düzenler ve sürekli iyon salınımı yoluyla 12 hafta sonra osteokondral kusurlarda üstün in vivo rejenerasyon gösterir.^[73] Bu iskeleler, kondrosit tutunmasını ve ekstraselüler matris üretimini artırarak, olumsuz immün tepkiler ortaya çıkarmadan hiyalin benzeri kıkırdak oluşumunu destekler.^[68]

Manyetik biyoseramikler, alternatif manyetik alanlar altında lokalize ısı üreterek kanser için hipertermi tedavisini mümkün kılar, sağlıklı dokuyu korurken tümör hücrelerini bozar. İkame edilmiş manyetitler ve spinel ferritler gibi biyouyumlu ferrimanyetik seramikler, partikül boyutuna ve bileşimine bağlı olarak ayarlanabilir ısıtma verimliliği sergiler, minimum alan kuvvetleriyle 42-45°C terapötik sıcaklıklara ulaşır ve hedeflenen teslimat için yüzey işlevselleştirilebilir.^[74] Bu yaklaşım kemoterapi ile sinerji oluşturarak, hücresel alımın termal olarak artırılması ve katı tümörlerde apoptoz indüksiyonu yoluyla ilaç etkinliğini artırır.^[74]

Biyomedikal bağlamların ötesinde, silisyum karbür (SiC) biyoseramikler, pH 1-14 arasındaki kimyasal eylemsizlikleri ve yüksek akış oranları nedeniyle çevresel ve endüstriyel uygulamalarda sağlam filtrasyon membranları olarak hizmet eder. Bu membranlar, petrol ve gaz operasyonlarındaki atık sudan askıda katı maddeleri, bakterileri ve yağları etkili bir şekilde uzaklaştırır ve polimerik alternatiflere kıyasla operasyonel ayak izlerini azaltan düşük kirlenme ve kompakt tasarımlar sunar.^[75] Su arıtımında, SiC filtreler, madencilik ve endüstriyel atık sularda sürdürülebilir yeniden kullanımı destekleyerek 10 m² başına 75 m³/saat verimle 250 nm gözeneklerle bakteri tutma sağlar.^[75]

Biyoseramikler, hibrit cihazlarda kullanımlarını genişleterek çok işlevli kompozitler oluşturmak için polimerler ve metallerle bütünleşir. Örneğin, titanyum alaşımları üzerindeki hidroksiapatit-kitosan kaplamalar, yük taşıyan implantlar için biyoaktiviteyi ve mekanik tokluğu artırırken, polikaprolakton-biyoseramik karışımları yumuşak doku onarımı için iskelelerde esnekliği artırır.^[68] Bu hibritler, biyoseramiklerin osteokondüktivitesini polimerlerin sünekliği ile birleştirerek, çeşitli uygulamalarda hem rejenerasyonu hem de yapısal bütünlüğü destekleyen cihazları mümkün kılar.^[68]

Ticarileştirme

Ana Ürünler ve Üreticiler

Biyoseramikler ticari olarak üç ana kategoride mevcuttur: inert, biyoaktif ve biyobozunur; her biri ortopedik ve dental implantlar gibi belirli tıbbi uygulamalar için uyarlanmıştır. Kimyasal kararlılıkları ve biyouyumlulukları ile değer verilen inert biyoseramikler, kalça bileşenleri gibi yük taşıyan implantlarda baskındır. Önde gelen örnekler arasında, total kalça artroplastisi ve diğer eklem protezleri için 2003 yılında tanıtılan, dünya çapında yaklaşık 6 milyon kalça implantına sahip modern alümina biyoseramik sınıfının bir parçası olarak yüksek kırılma tokluğu ve aşınma direnci sunan, zirkonya partikülleri ile güçlendirilmiş bir alümina matris kompoziti olan CeramTec’in BIOLOX®delta’sı yer alır.^[76]^[77] CoorsTek’in Permallon® alümina matris kompozitleri, kalça artroplastisinde femoral başlar ve asetabular kaplar için benzer inert özellikler sağlar ve 2005’ten bu yana 6 milyondan fazla bileşen implante edilmiştir.^[78] Diğer bir yerleşik inert ürün, biyolojik güvenliği ve mekanik güvenilirliği ile dikkat çeken, 1985’ten beri cerrahi implantlarda kullanılan yüksek saflıkta (%99,9) bir alümina seramik olan MAC Bioceramics’in HIP Vitox® ürünüdür.^[79]

Biyoaktif biyoseramikler, hidroksiapatit tabakaları oluşturan yüzey reaksiyonları yoluyla kemik entegrasyonunu destekler. 45S5 biyocam bileşimine dayanan NovaBone’un PerioGlas®’ı, klinik kullanımda içsel antimikrobiyal özellikler ve hızlı biyoaktivite sergileyen, periodontal ve dental kemik kusurları için partikül greft malzemesidir.^[80] Straumann’ın dental implantları, osseointegrasyonu ve biyoaktiviteyi artırmak, oral uygulamalarda kemik-implant temasını iyileştirmek için titanyum yüzeylerde hidroksiapatit (HA) kaplamalara sahiptir.^[81] Mo-Sci Corporation, doku bağlanması için iyonları serbest bırakmak üzere bozunan ve yara iyileşmesi ve ortopedik iskelelerde kullanılan silikat bazlı 45S5 ve Mirragen® gibi borat bazlı formülasyonlar dahil olmak üzere biyoaktif cam varyantları üretir.^[82]

Biyobozunur biyoseramikler kademeli olarak bozunarak uzun vadeli kalıntılar olmadan kemik rejenerasyonunu destekler. Dimension Inx’in CMFlex™ ürünü, oral ve maksillofasiyal kusurlar için kontrollü gözenekliliğe sahip 3D baskılı hidroksiapatit iskelelerinden oluşan, 2023 yılında dikkat çeken bir gelişmedir; Aralık 2022’de bu tür ilk sentetik rejeneratif kemik grefti olarak FDA onayı almıştır.^[83]^[84]

Kategori	Ana Ürün	Üretici	Birincil Uygulama	Dikkate Değer Özellikler
İnert	BIOLOX®delta	CeramTec	Kalça ve diz artroplastisi	Zirkonya takviyeli alümina, ~6M implantlı sınıfın parçası
İnert	Permallon®	CoorsTek	Kalça femoral başları	Alümina kompozit, 2005’ten beri >6M bileşen
İnert	HIP Vitox®	MAC Bioceramics	Cerrahi implantlar	%99,9 alümina, 1985’ten beri kullanımda
Biyoaktif	PerioGlas® (45S5 biyocam)	NovaBone	Dental kemik greftleme	Antimikrobiyal, hızlı HA tabakası oluşumu
Biyoaktif	HA-kaplı implantlar	Straumann	Dental implantlar	Gelişmiş osseointegrasyon
Biyoaktif	45S5 ve borat camları	Mo-Sci	İskeleler ve yara bakımı	İyon salan, biyobozunur varyantlar
Biyobozunur	CMFlex™ (3D baskılı HA)	Dimension Inx	Maksillofasiyal kusurlar	FDA onaylı 2022, gözenekli iskele

3D Systems gibi büyük üreticiler, kişiselleştirilmiş implantları mümkün kılan özel biyoseramik iskeleler için biyobaskı platformları ve biyomürekkepler aracılığıyla gelişmekte olan ürünlere katkıda bulunmaktadır.^[85] İmplantlar ve kaplamalar dahil olmak üzere dental biyoseramik bileşenler, yaygın benimsenmeyi yansıtacak şekilde yıllık 5 milyon adedin üzerinde üretim ölçeklerine ulaşmaktadır.^[86]

Pazar Eğilimleri ve Ekonomi

Küresel biyoseramik pazarının 2025 itibariyle 4,18–4,76 milyar ABD Doları olduğu tahmin edilmektedir ve tahminler %7,54’lük bir bileşik yıllık büyüme oranı (CAGR) ile 2030 yılına kadar 6,47 milyar ABD Dolarına büyüyeceğini göstermektedir.^[87]^[88] Bu genişleme, öncelikle implantlar ve protezler için tıbbi uygulamalardaki artan talep tarafından yönlendirilmektedir. Temel büyüme faktörleri arasında, 2050 yılına kadar 60 yaş ve üzeri yaklaşık 2,1 milyar kişiye ulaşması beklenen yaşlanan küresel nüfus yer almakta olup, bu durum eklem protezleri ve dental restorasyonlarda biyouyumlu malzemelere olan ihtiyacı artırmaktadır.^[89] Ek olarak, 2023’te dünya çapında yaklaşık 3,6 milyon diz protezi ve benzer hacimlerde kalça prosedürü ile ortopedik ameliyatlardaki artış, dayanıklı, biyoaktif çözümler sağlamada biyoseramiklerin rolünü vurgulamaktadır.^[90] Asya-Pasifik bölgesinde, artan sağlık bilinci ve harcanabilir gelirlerin körüklediği artan diş bakımı talebi, kuronlar ve köprüler için zirkonya gibi malzemelerin pazar tarafından benimsenmesini daha da artırmaktadır.^[91]

Bölgesel olarak, Kuzey Amerika, 2024’te 1,45 milyar ABD Doları değerinde olan ve gelişmiş sağlık altyapısı ve yüksek prosedür hacimleri ile desteklenen 2031’e kadar %6,2’lik bir CAGR ile büyüyen pazar payının yaklaşık %40’ına hakimdir.^[92] Avrupa, özellikle katı düzenleyici standartlar ve yüksek mukavemetli formülasyonlardaki yenilikler nedeniyle segmentin %10’un üzerinde CAGR ile genişlediği dental implantlar için zirkonya bazlı biyoseramiklerde gücünü korumaktadır.^[93]

Biyoseramik sektörünün ekonomik yönleri, malzeme maliyetleri ve üretim karmaşıklıklarından etkilenir; özel 3D baskılı biyoseramik implantlar, özelleşmiş üretim ve kişiselleştirme nedeniyle birim başına 1.000 ABD Dolarını aşabilir.^[94] Zirkonya varyantları için zirkonyum tedariğine güvenmek gibi tedarik zinciri güvenlik açıkları, küresel aksaklıklarla daha da kötüleşmiş, potansiyel olarak üreticiler için teslim sürelerini ve maliyetleri artırmıştır.^[95]

Özellikle, hidroksiapatit segmenti, kemik greftleme uygulamalarındaki osteokondüktif özellikleri sayesinde 2025 itibariyle %6,9’luk bir CAGR ile güçlü bir büyüme yaşamaktadır.^[96] COVID-19 sonrası toparlanma da, ertelenen elektif ameliyatların yeniden başlamasıyla talebi artırmış, bu da dünya çapında ortopedik ve dental prosedürler için biyoseramik kullanımında bir artışa yol açmıştır.^[97]

Gelecek Perspektifleri

Araştırmadaki Yenilikler

Biyoseramik araştırmalarındaki son gelişmeler, yük taşıyan biyomedikal implantlar için termomekanik performansı iyileştirmek üzere polilaktik asit (PLA) matrislerine alümina ve itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) takviyelerini entegre eden nanokompozitlere odaklanmıştır. 2023 tarihli çalışmalar, erimiş biriktirme modellemesi yoluyla PLA’ya ağırlıkça %8 YSZ dahil edilmesinin, biyouyumluluğu korurken ve daha iyi osteointegrasyon için gözenekliliği azaltırken eğilme mukavemetini %25’e kadar ve basınç modülünü %30’a kadar önemli ölçüde artırdığını göstermiştir. Bu takviyeler, PLA’nın doğal kırılganlığını azaltarak, bozunma oranlarından ödün vermeden ortopedik uygulamalar için uygun dayanıklı iskelelerin geliştirilmesini sağlar.^[98]^[99]

Çok işlevli biyoseramikler, özellikle ilaç salan iskeleler ve kendi kendini iyileştirme mekanizmaları yoluyla önemli bir yenilik olarak ortaya çıkmıştır. Titanyum alt tabakalar üzerinde, hidroksiapatit ve biyoaktif cam içeren üç boyutlu baskılı çok katmanlı kaplamalar, vankomisin gibi antibiyotiklerin kontrollü salınımını sağlayarak, in vitro ortamda osteogenezi teşvik ederken %90’ın üzerinde bakteri inhibisyonu sağlar. Kendi kendini iyileştiren biyoseramikler, iskelelere gömüldüğünde çatlama üzerine aktive olan ve iyileştirici ajanlar salarak hayvan modellerinde kemik rejenerasyonunu destekleyen kalsiyum polifosfat içeren mikrokapsüller kullanır. Bu tasarımlar, biyoseramikleri pasif desteklerden aktif terapötik platformlara genişletir.^[100]^[101]

Rejeneratif tıpta biyoseramikler, dental pulpa onarımı gibi doku rejenerasyonunu desteklemek için hidrojel ile entegre edilmektedir. Jelatin metakriloil hidrojel içindeki biyoaktif cam nanopartiküllerinin enjekte edilebilir kompozitleri, pulpa rejenerasyonunu ve yeniden sinir sistemine bağlanmayı (re-innervation) teşvik eder. Gözenekli biyoaktif camlar, mezenkimal kök hücrelerde BMP-2 ekspresyonu için plazmid DNA yükleyerek gen teslimatı için vektörler olarak hizmet eder ve osteojenik farklılaşmayı artırır.^[102]^[103]

2025 itibariyle araştırmalar, vaskülarizasyon stratejilerine artan vurgu ile kemik rejenerasyonu için 3D baskılı iskelelerde devam eden ilerlemeyi vurgulamaktadır. Son gelişmeler, deneysel veri setlerinin analizi yoluyla malzeme keşfini hızlandırarak biyoaktiviteyi iyileştirmek için biyoseramik bileşimlerinin yapay zeka güdümlü optimizasyonunu içerir.^[1]

Bu alandaki araştırmalar, enjekte edilebilir biyoseramik sistemler gibi sağlık hizmetlerinde gelişmiş biyomalzemeler için milyonlarca kaynak ayıran AB Horizon Europe programları ve rejeneratif iskeleler ve çok işlevli tasarımlar üzerindeki projeleri destekleyen biyomalzeme inovasyonu için yılda 50 milyon doları aşan NIH hibeleri dahil olmak üzere önemli uluslararası fonlardan yararlanmaktadır.^[104]^[105]

Zorluklar ve Fırsatlar

Biyoseramik geliştirmedeki birincil zorluklardan biri, ortopedik implantlar gibi yük taşıyan uygulamalarda kullanımlarını kısıtlayan doğal kırılganlıkları ve düşük kırılma tokluğu ve eğilme mukavemeti gibi sınırlı mekanik özellikleridir. Örneğin Hidroksiapatit (HA), mükemmel biyoaktivitesine rağmen kırık fiksasyonu için yetersiz basınç dayanımı sergiler. Benzer şekilde, trikalsiyum fosfat (TCP), yüksek stresli ortamlardaki etkinliğini engelleyen düşük mekanik mukavemetten muzdariptir. Bu sınırlamalar, malzemelerin seramik doğasından kaynaklanır; bu da genellikle zayıf aşınma direncine ve bozunma oranları ile doğal kemik rejenerasyonu arasında bir uyumsuzluğa yol açarak optimal olmayan doku entegrasyonuna neden olur.^[106]^[68]^[107]

Üretim ve ölçeklenebilirlik, yüksek üretim maliyetleri ve 3D baskı gibi işlemler sırasında gözeneklilik ve mikroyapı üzerinde hassas kontrol sağlamadaki zorluklar dahil olmak üzere ek engeller sunar. Doğrudan mürekkep yazmada (DIW), yüksek katı yüklemesi bulamaç viskozitesini artırarak ekstrüzyonu zorlaştırırken, dijital ışık işleme (DLP) biyoaktiviteyi azaltabilen kürleme sonrası işlem gerektirir. Uzun vadeli klinik verilerin eksikliği ve katı onay süreçleri gibi düzenleyici zorluklar, özellikle kompozit biyoseramikler için laboratuvardan kliniğe geçişi daha da engellemektedir. Dental uygulamalarda, seramik kaplamalardaki mikrosızıntı gibi sorunlar bu endişeleri şiddetlendirmektedir.^[106]^[68]^[107]

Mekanik eksikliklerin üstesinden gelmek için takviyeler ve yenilikçi üretim teknikleri yoluyla biyoseramik kompozitlerin ilerletilmesinde fırsatlar bol miktarda bulunmaktadır. Örneğin, karbon liflerinin HA iskelelerine dahil edilmesi, kortikal kemik taklidi için uygun gelişmiş basınç dayanımı göstermişken, TCP’de magnezyum veya stronsiyum ile iyonik doping osteogenezi ve bozunma ayarını iyileştirir. 4D baskı ve uyarıcıya duyarlı tasarımlar, fizyolojik değişikliklere uyum sağlayan dinamik implantlar için potansiyel sunar ve gadolinyum katkılı HA’yı entegre eden teranostik platformlar, kombine görüntüleme ve terapiyi mümkün kılar. Biyoseramik nanopartiküllerin hücre göçünü ve canlılığını artırdığı yara iyileşmesinde gelişen uygulamalar, daha geniş biyomedikal potansiyeli vurgulamaktadır. İşlem sürelerini azaltan hızlı sol-jel sentezi ile desteklenen bu yenilikler, seçici lazer sinterleme (SLS) gibi katmanlı imalat yoluyla kişiselleştirilmiş iskeleler vaat etmektedir.^[106]^[68]^[107]