Geri Dön

Interaction between micro and nano patterned polymeric surfaces and different cell types

Mikro ve nanodesenli polimerik yüzeylerlerle farkli hücre tipleri arasındaki etkileşim

PDF İndir

  1. Tez No: 318949
  2. Yazar: HAYRİYE ÖZÇELİK
  3. Danışmanlar: DR. CELESTİNO PADESTE, PROF. DR. VASIF HASIRCI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Tıbbi Biyoloji, Bioengineering, Polymer Science and Technology, Medical Biology
  6. Anahtar Kelimeler: Mikro ve Nanodesenli Yüzeyler, Çekirdek Deformasyonu, HücreTutunması (Yapışması), Çekme (Asılma) Kuvveti, Malzeme (Yüzey) Sertliği, NanosütunDizisi, Micro and Nanopatterned Surfaces, Nucleus Deformation, Cell Adhesion, CellAlignment, Tugging Force, Substrate Stiffness, Nanopillar Array
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 158

Özet

Mikro ve nanodesenli yüzeyler hücrelerin tutunma (yapışma), yönlenme ve farklılaşmamekanizmalarını incelemekte kullanılan ve temel hücre biyolojisi, kök hücre biyolojisi vedoku mühendisliği alanlarına önemli ölçüde katkı olanağı tanıyan güçlü deneysel araçlardır.Bu çalışmada mikro ve nanodesenli polimerik yüzeylerle farklı hücre tipleri arasındakietkileşimler incelenmiştir. Fotolitografi yöntemiyle üç tip mikro sütun üretilirken, nanometreboyutundaki sütunlar bir dizi biçiminde, elektron ışını litografisi (EBL) yöntemiyle üretilmiştir.Orjinal silisyum şablonların polidimetilsiloksan (PDMS) kopyaları yapılmıştır. In vitroçalışmalarda kullanılacak poli(L-D,L-laktik asit) [P(L-D,L)LA] ve poli(L-D,L-laktik asit): poli(laktik-co-glikolik asit) [P(L-D,L)LA:PLGA] karışımı polimerik filmler çözücü uçurmayöntemiyle hazırlanmıştır. Elde edilen filmler ışık mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu(AFM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi yöntemlerle incelenmiştir.Mikro sütunların yarattığı fiziksel kısıtlamalara (etkilere) maruz kalmaları sonucu hücrelerinçekirdeklerinde oluşan deformasyonu incelemek amacıyla Tip 1 ve Tip 2 sütunlarkullanılmıştır. Bu yüzeyler birbirine uzaklığı farklı sütunlarla kaplıdır. Tip 1 simetrik (X ve Yyönünde) dağılım gösteren sütunlarla kaplıyken, Tip 2'de sütunlar asimetrik olarak dağılmışve sütunlar arası uzaklık artmıştır. Beş hücre tipindeki, iki kanser hücre hattı (MCF7 ve Saos-2), bir sağlıklı kemik hücresi hattı (hFOB1.19), bir kök hücresi (kemik iliği kökenlimezemşimal kök hücresi, BMSC) ve biyomalzeme testi standartı olan fibroblast (L929),çekirdek deformasyonu floresan mikroskobu ve SEM kullanılarak incelenmiştir. Saos-2 andMCF7 hücrelerinin çekirdeklerinin en çok deformasyona uğrayan çekirdekler olduğubulunmuştur. Çekirdek deformasyonu ve çekirdek zarının bütünlüğü Anti-Lamin A boymasıile incelenmiştir. Hücrelerin mikro sütunlarla ilişkisi fokal adhezyon kompleksi (FAC)boyanarak gösterilmiştir. Desenli ve düz yüzeylerin ıslanabilirliği belirlenmiştir. Desenyoğunlaştıkça (Tip 1'de birbirine yakın duran sütunlardaki gibi) hidrofobik özellik artmıştır. Sudamlasının davranışında olduğu gibi, hücreler en çok Tip 1 sütunlarının üstündeyayılmışlardır. Film taban alanına yayılan hücrelerin sayısı Tip 2 üstünde daha yüksektir.Elde edilen nitel (kalitatif) bulguları destelemek için çekirdek deformasyonu görüntü analiziyoluyla ölçülmüştür. Deforme olan hücrelerin sıklığı (frekansı) deforme olanların toplamhücre sayısına oranı olarak belirlenmiştir. Çekirdek deformasyonunun şiddetini ölçmek içinçekirdeklerin yuvarlaklığı (circularity) değerlendirilmiştir. Çekirdek deformasyonuna ek olarakmikro sütunların etkilediği hücrelerde çekirdek alanının hücre toplam alanına oranı görüntüanaliziyle belirlenmiştir. Sonuçlar kanser hücrelerinin daha çok deforme olabildiklerinigöstermiştir. Mikroskobik değerlendirmeler, hücre ve çekirdek deformasyonu ölçümlerindeelde edilen verilerle uyum içindedir. Buna ek olarak, sonuçlar kanser hücrelerinin dahayumuşak olduklarını öngören beklentilerle de uyumludur.Araştırmanın ikinci kısmında hücrelerin yüksek en-boy oranına sahip Tip 3 mikrosütun dizileriüstünde, mikro sütunları çekerken (veya mikro sütunlara asılırken) uyguladıkları kuvvetlerincelenmiştir. Tip3 mikro sütunlar hem P(L-D,L)LA hem de 60:40 oranında P(L-D,L)LA vePLGA karışımı kullanılarak üretilmiştir. Her iki malzemenin mekanik özellikleri çözücüuçurma tekniğiyle yapılan filmlerde çekme testiyle belirlenmiştir. Hücresel çekme (asılma)davranışı sonucu Tip 3 mikrosütunlarındaki deformasyonlar sert ve daha yumuşak filmlerde,floresan mikroskobu ve SEM ile çalışılmıştır. Sütunların tepe merkez noktalarının yerdeğiştirmesi SEM fotoğrafları kullanılarak ölçülmüştür. Sert yüzeyde her iki hücre tipimikrosütunları aynı ölçüde eğmiştir. Öte yandan, daha yumuşak olan karışım yüzeyinde,sütunlardaki en büyük yer değiştirme Saos-2 hücresinde gözlenmiştir. Bu değer hemhücrenin sert yüzeyde neden olduğu yer değiştirmeden hem de L929 hücresinin nedenolduğundan daha yüksektir. Yüzey sertliğinin kök hücresinin farklılaşacağı hücre tipinibelirleyebildiği rapor edilmiştir. Yüzey sertliğinin BMSC'nin kemiğe farklılaşmasındakietkilerini incelemek amacıyla ostepontin üretimi mikroskobik olarak belirlenmiştir. BMSC P(LD,L)LA sütunları üstünde çoğaltıldığında, bu hücrelerde kemiğe farklışmanın arttığıbulunmuştur.Araştırmanın son kısmında, farklı bölgeler oluşturmak amacıyla birbirine uzaklığı sistemli birbiçimde değiştirilmek süretiyle elde edilen nano sütunlardan oluşan diziler, BMSC ve Saos-2hücrelerinin ayrımsal tutunmalarını (yapışmalarını) belirlemek için hücre tutunması veyönlenmesi bağlamında incelenmiştir. Bu hücrelerin nano sütun dizileri üstündeki yapışmatercihleri görüntü analiziyle ölçülmüştür. BMSC ve Saos-2 hücreleri nanosütunların yoğunolduğu bölgelerde birbirinin tamamen tersi biçimde davrandıkları gözlenmiştir. BMSC enyoğun nanosütun kaplı bölgelerden kaçınıp desensiz bölgeleri kaplamıştır. Öte yandanSaos-2, en yoğun nanosütun kaplı bölgelerde çoğalıp desensiz bölgeleri neredeysetamamen boş bırakmıştır. Ayrıca, BMSCs and Saos-2 hücrelerinin sütunlar arası kısa uzaklıkyönünde uzanım gösterdikleri bulunmuştur. Hem BMSCs hem de Saos-2 hücreleri sütunlararası uzaklığın, x veya y yönünde >1.5 ?m olduğunda yönlenmeye başlamaktadır. Fizikselve kimyasal ipuçlarının etkilerini daha iyi anlamak amacıyla yüzeyin proteinle kaplanması vemalzeme sertliğinin değiştirilmesi iki ek parametre olarak test edilmiştir. Fibronektinkaplaması sonrasında, P(L-D,L)LA film yüzeyinde kaplamadan önce hücrelerin kaçındığıyoğun sütun kaplı bölgeler BMSC hücreleri tarafından doldurulmuştur. Benzer biçimde,yüzey sertliğinin azaltılması, öncesinde BMSC hücrelerinin kaçındığı bölgeleri tutunma içindaha kabul edilebilir hale getirmiştir.

Özet (Çeviri)

Micro and nanopatterned surfaces are powerful experimental platforms for investigating themechanisms of cell adhesion, cell orientation, differentiation and they enable significantcontributions to the fields of basic cell and stem cell biology, and tissue engineering. In thisstudy, interaction between micro and nanopatterned polymeric surfaces and different celltypes was investigated. Three types of micropillars were produced by photolithography(Type 1-3), while nanometer sized pillars were produced in the form of an array by electronbeam lithography (EBL). Replica of silicon masters were made of polydimethylsiloxane(PDMS). Polymeric [P(L-D,L)LA and a P(L-D,L)LA:PLGA blend] replica were prepared bysolvent casting of these on the PDMS template and used in in vitro studies. The finalsubstrates were characterized by various microscopic methods such as light microscopy,atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM).In order to investigate deformation of the nucleus in response to the physical restrictionsimposed by micropillars, Type 1 and Type 2 pillars were used. These substrates werecovered with pillars with different interpillar distances. While Type 1 is covered withsymmetrically (in X-Y directions) distributed pillars, Type 2 pillars were distributedasymmetrically and the inter-pillar distances were increased. Nuclei deformation of five celltypes, two cancer cell lines (MCF7 and Saos-2), one healthy bone cell (hFOB1.19), onestem cell (bone marrow origined mesemchymal stem cells, BMSCs) and one standardbiomaterial test cell type, (L929) fibroblasts was examined by using fluorescencemicroscopy and SEM. The nuclei of Saos-2 and MCF7 cells were found to be deformed mostdrastically. Nucleus deformation and intactness of nuclear membrane was examined by Anti-Lamin A staining. The interaction of the cells with micropillars was visualized by labellingfocal adhesion complexes (FAC). Wettabilities of patterned and smooth surfaces weredetermined. As the patterns become denser (closer micropillars, Type 1) the hydrophobicityincreased. Similar to water droplets, the cells were mostly spread at the top of the Type 1pillars. The number of cells spread on the substrate surface was much higher on Type 2patterned films. In order to support these qualitative findings, nucleus deformation wasquantified by image analysis. Frequency of nucleus deformation was determined as the ratioof deformed to the total number of nuclei (%). In order to quantify the intensity of nucleideformation, their circularity was evaluated. In addition to nucleus deformation, alterations inthe ratio of cell area-to-nucleus area in response to micropillars were determined by imageanalysis. The results indicated that cancerous cells were more deformable. The qualitativemicroscopic evaluation and the data obtained by quantification of the nucleus and cellulardeformation were in good agreement. In addition, the findings were consistent withexpectations which suggest that cancerous cells are ?softer?.In the second part of the research the force applied by the cells on arrays of micropillars withhigh aspect ratios (Type 3 substrates) during tugging at the pillars was investigated.Micropillars were produced using P(L-D,L)LA as well as a 60:40 blend of P(L-D,L)LA withPLGA. The blend is a material with lower stiffness than P(L-D,L)LA. The mechanicalproperties of the two materials were determined by tensile testing of solvent cast films.Deformation of Type 3 micropillars by the cellular tugging force of Saos-2 and L929 wasstudied by fluorescence and SEM microscopy, both on stiff and softer substrates.Displacements of the centers nodes of the pillars were evaluated from SEM micrographs. Onthe stiff surface, the two cell types bent the pillars to the same extent. On the other softersubstrate (blends), however, the maximum displacements observed with Saos-2 cells werehigher than the ones caused on the stiffer substrate or the ones caused by L929 cells. It isreported that stiffness of the substrate can determine stem cell lineage commitment. In orderto examine the effects of change of substrate stiffness on osteogenic differentiation ofBMSCs, osteopontin (OPN) expression was determined microscopically. It was found thatosteogenic differentiation is enhanced when BMSCs are cultured on P(L-D,L)LA Type 3pillars.In the last part of research, arrays of nanopillars whose interpillar distances systematicallyvaried to form different fields were examined in terms of adhesion and alignment in order todetermine the differential adhesion of BMSCs and Saos-2 cells. The difference in theiradhesion preference on nanopillar arrays was quantified by image analysis. It was observedthat BMSCs and Saos-2 cells behaved in an opposite manner with respect to each other onthe fields with the highest density of nanopillars. The BMSCs avoided the most denselynanopillar covered fields and occupied the pattern free regions. The Saos-2, on the otherhand, occupied the most densely nanopillar covered fields and left the pattern free regionsalmost unpopulated. It was also found that both BMSCs and Saos-2 cells aligned in thedirection of the shorter distance between the pillars. Both BMSCs and Saos-2 cells started toalign on the pillars if the distance in any direction was >1.5 ?m. To better understand theeffects of chemical and physical cues, protein coating and material stiffness were tested astwo additional parameters. After fibronectin coating, the surfaces of P(L-D,L)LA films with thehighly dense pillar covered fields, which were avoided when uncoated, were highlypopulated by the BMSC. Similarly, decreasing the stiffness of a surface which was normallyavoided by the BMSCs made it more acceptable for the cells to attach.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    401362

    Self-assembled monolayers on metal oxides: Applications in nanotechnology

    Başlık çevirisi yok

    OKTAY YILDIRIM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Kimya MühendisliğiUniversity of Twente

    PROF. DR. JURRIAAN HUSKENS

    PROF. DR. GUUD RIJNDERS

  2. Tez No

    438167

    Şekillendirilmiş lazer hüzmelerinin yüksek saçılmalı ortamla etkileşimleri

    Interactions of shaped laser beams with highly scattering media

    TANSU ERSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK

  3. Tez No

    216177

    Üç-boyutlu, biyobozunur/biyobozunur olmayan polimerik taşıyıcıların biyosinyallerle plazma modifikasyonu ve hücre kültür uygulamaları

    Plasma modification of 3D, biodegradable/nondegradable polymeric carriers by biosignals and their applications in cell culture

    HİLAL TÜRKOĞLU ŞAŞMAZEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    BiyokimyaHacettepe Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU

  4. Tez No

    676749

    Synthesis of poly(methyl methacrylate) reinforced by graphene nanoplates

    Grafen nano plakalar ile güçlendirilmiş poli(metil metakrilat) sentezi

    ELİF KOCAÇINAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  5. Tez No

    884259

    MEMS ile entegre mikro ısıtıcı ve IDE mikro sistemlerin fabrikasyonu ve nano kompozit yarı iletken gaz sensör uygulaması

    Fabrication of integrated micro heater and ide micro systems with MEMS and application of nano composite semiconductor GAS sensor

    HALİME İLBEYİİLİNGİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA MOROVA

    DOÇ. DR. CİHAT TAŞALTIN

Geri Dön