Bone tissue engineering using macroporous PHA-PLA and PHBV scaffolds produced by additive manufacturing and wet spinning
Islak eğirme ve eklemeli üretim tekniği ile üretilmiş makro gözenekli PHA-PLA ve PHBV hücre taşıyıcılarıyla kemik doku mühendisliği
- Tez No: 442056
- Danışmanlar: PROF. DR. VASIF NEJAT HASIRCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoloji, Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Biology, Bioengineering, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Kemik doku mineral depolama, kan hücresi üretmek, vücuttaki organları koruma ve desteklemek ve vücut hareketlerini sürdürme gibi önemli rollere sahiptir. Buna ek olarak, kemik doku kalsiyum ve fosfat iyonlarının depolayarak ve kanın içerisinde bulunan önemli elektrotların konsantrasyonunu kontrol ederek homeostazı düzenler. Travma, tümör, kaynamayan kemik kırıkları ve osteoporoz gibi hastalıklar her yıl milyonlarca insanı etkileyen kemik kayıplarına neden olmaktadır. Otogreft ve allogreft gibi uygulamaların güncel klinik tedavilerde donörde bırakılan bölgesel hasar, immünolojik red, hastalık buluşması (enfeksiyon) açısından sınırlamalara sahiptir. Kemik doku mühendisliği yaşam bilimi ve mühendislik prensiplerini kullanarak kemik hasarlarının iyileşmesinde umut verici yaklaşımlar sunmaktadır. Hasarlı kemik dokunun yenilenmesi ve onarılması için kemik doku mühendisliğinin temel bileşenleri hücre iskeleleri, sinyal molekülleri ve hücrelerdir. Bu çalışmanın amacı, kemik hasarlarının tedavisi için uygun bir mimariye sahip üç boyutlu bir yapı geliştirmektir. Bu amaç için, PHBV ve PHA-PLA polimerleri ıslak eğirme ve erimiş biriktirilmiş modelleme tekniği (FDM) ile hücre iskeleleri üretilmesi için kullanılmıştır. Erimiş biriktirilmiş modelleme tekniği gözenek boyutu, gözeneklerin dağılımını ve iskelelerinin üç boyutlu yapısını kontrol edebilme yeteneğine sahiptir. Bu nedenle FDM ürünlerinin özellikleri önceden belirlenmiştir. PHBV polimeri sadece ıslak eğirme tekniği ile üretim için kullanılırken, PHA-PLA karışımı hem ıslak eğirme hem de erimiş biriktirme modelleme tekniği ile üretim için kullanılmıştır. Sonuçlar ıslak eğirme tekniği ile üretilen PHBV ve PHA-PLA hücre iskelelerinin FDM ile üretilmiş PHA-PLA hücre iskelelerine göre rastgele dağılmış liflerden dolayı daha yüksek gözenekliliğe ve gözenek büyüklüğüne sahip olduğunu göstermiştir. Diğer taraftan, FDM ile üretilmiş hücre iskelele liflerinin belirli noktalarda temas etmesi ve düzenli gözenekli yapısından dolayı ıslak eğirme tekniği ile üretilmiş iskelelere göre daha yüksek sıkışma özelliğine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Oksijen plazma uygulaması iskelelerin hidrofilikliğini iyileştirirken, aynı zamanda hasarlı bölgede bulunan endotel hücrelerin yapışma ve çoğalmasını arttırıcı etkiye sahip ELP-REDV sekansları ile iskelelerin yüzeylerini kaplamak için kullanılmıştır. Optimum oksijen plazma uygulama zamanı ve gücü PHBV iskeleler için 4 dakika 50 W ve PHA-PLA iskeleler için 2 dakika 50 W olarak belirlenmiştir. Oksijen plazma uygulamasının etkisi ve yüzeyin ELP-REDV sekansları ile kaplanması gonyometre, atomik kuvvet mikroskobu, Fourier dönüşüm Infrared (Kızılötesi) spektroskopisi (FTIR-ATR) ve Toluidini mavi boyaması ile karakterize edildi. Temas açı ölçümü ile hücre iskelelerinin hidrofilikliğinin arttığı ve oksijen plazma uygulamasından sonra orta derecede su sever yüzeyler elde edildiği gözlemlenmiştir. FTIR-ATR analizi sonucuna göre yüzeyde amid I ve amid II bağlarının oluşmuş ve yüzey ELP-REDV sekansı ile kaplanmıştır. Ayrıca, oksijen plazma uygulaması ve yüzeyin ELP-REDV sekansı ile kaplanması yüzeyde vadi ve tepelerin oluşmasına ve yüzey pürüzlülüğünün değişmesine neden olmuştur. İzole edilmiş tavşan kemik iliği kök hücreleri, hücre iskelelerine ekilerek hücre yapışması, çoğalması ve farklılaşması gibi hücre davranışları in vitro ortamda kemik dokusu için incelendi. Erimiş modelleme yöntemi ile üretilmiş iskelelerde hücre yayılmasını sağlayacak geniş lif kalınlıklarından dolayı, ıslak eğirme ile üretilmiş iskelelere oranla daha yüksek hücre çoğalması gözlemlenmiştir. Bu da erimiş modelleme ile üretilmiş iskelelerin hücre çoğalması için daha uygun yüzeyler sağladığınıx göstermektedir. Ayrıca, iskelelerinin yüzeyinde bulunan ELP-REDV dizilerinin varlığı hücre yapışması ve çoğalmasını arttırıcı etkiye sahiptir. Hücrelerin alkalin fosfat aktivitesi erimiş modelleme tekniği ile üretilmiş iskelelerde ıslak eğirme ile üretilmiş iskelelere göre daha yüksek orandadır. Bunun nedeni hücrelerin erimiş modelleme ile üretilmiş iskelelerde daha çok çoğalmasıdır. Ayrıca, üç hafta farklılaşma faktörü içeren kültür ortamında kalan hücrelerin osteopontin sentezlediği gözlemlenmiştir. Bu protein osteoblastik farklılaşmanın geç evresinde olgun osteoblastlar tarafından sentezlendiği için osteojenik farklılaşma gözlemlenmiştir. Hızlı tarama mikroskop görüntüleri hücrelerin çoğalıp, iskelelerin içirisine doğru göç ettiğini ve mineral biriktirdiğini gösterdi. Ayrıca, iskeleler üzerinde kalsiyum birikimi gözlemlenmiştir. FDM ile üretilmiş PHA-PLA ve ıslak eğirme ile üretilmiş PHBV ve PHA-PLA iskeleleri kemik doku mühendisliği alanında kullanmak için önemli bir potansiyele sahip olduğu sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Bone supports and protects organs of body, stores minerals, produces blood cells and enables the movement of body. In addition, bone regulates homeostasis by controlling the concentration of key electrolytes in the blood and in the storage of Ca+2 and PO43- ions. Trauma, tumor, nonunion fractures and diseases like osteoporosis lead to bone loss that affects millions of people. Current clinical treatments such as application of autograft and allograft for treatment of these problems are limited due to donor scarcity, donor site morbidity, disease transmission and rejection. Bone tissue engineering uses life science and engineering principles and presents a promising approach to treat bone defects. Scaffolds, signaling molecules, and cells are essential components of any tissue engineering application. The aim of this study was to develop three dimensional structures which have suitable architecture for the treatment of bone defects. For this purpose, two different polymers, PHBV and PHA-PLA, were used to produce scaffolds by using two different techniques, rapid prototyping (fused deposition modelling, FDM) and wet spinning. With FDM the pore size, pore distribution within the 3D structure of scaffolds can be controlled. Wet spinning produces scaffolds with pores that are random and nonhomogeneous in size and distribution. Thus, the properties of the FDM products are predetermined. PHA-PLA was used to make scaffolds using both methods while PHBVwas only wet spun. Results showed that wet spun PHA-PLA and PHBV scaffolds had similar porosity (77% and 75%), and pore size (300 μm and 250 μm). On the other hand, FDM PHA-PLA scaffolds have higher compressive property than wet spun scaffolds because fibers in a layer contact with fibers at the subsequent layer. Oxygen plasma treatment is known to improve the hydrophilicity of polymers and also increase surface reactivity to coat ELP-REDV on the surface of the polymer to promote endothelial cell attachment and increase proliferation of cells around the defect site. Optimum oxygen plasma treatment times and powers were determined as 4 min for PHBV scaffolds and 2 min for PHA-PLA scaffolds at 50W. The effect of oxygen plasma treatment and surface coating with ELP-REDV were shown by goniometer for contact angle, atomic force microscope for surface topography, FTIR-ATR, and Toluidine Blue staining for binding. It was seen that hydrophilicity of all scaffolds increased and moderately hydrophilic surfaces were obtained. FTIR-ATR analysis showed that surfaces of scaffolds were coated with ELP-REDV resulting in formation of amide I and amide II bands. Besides, oxygen plasma treatment and ELP-REDV attachment resulted in the increase of roughness (formation of valley and peaks) on the surfaces of samples and changed the surface roughness. Isolated rabbit bone marrow stem cells were seeded on scaffolds and cell behavior (attachment, proliferation and differentiation) were studied. High cell proliferation on FDM scaffolds was observed compared with wet spun scaffolds. This shows that FDM scaffolds can provide surfaces suitable for cell proliferation. Presence of ELP-REDV sequences enhanced cell attachment and proliferation on the scaffolds. Alkaline phosphatase activity on FDM scaffolds was higher than on wet spun scaffolds because of more cell proliferation on FDM scaffolds. Osteopontin staining showed that after culturing for 3 weeks in the differentiation medium, cells secreted osteopontin which show osteogenic differentiation because this protein is secreted by mature osteoblasts at the later stages of osteoblastic differentiation. SEM images showed that cells cultured on the scaffolds proliferated and penetrated into the scaffolds and deposited calcium containing minerals. Ca+2 deposition was observed on all types of scaffolds by Alizarin Red staining.It was concluded that FDM PHA-PLA and wet spun PHBV and PHA-PLA scaffolds have a significant potential for using bone tissue engineering.
Benzer Tezler
- Protein-based biocomposite cryogels as tissue engineering scaffolds
Doku mühendisliği doku iskelesi olarak protein bazlı biyokompozit kriyojeller
KÜBRA BURCU AKKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET MURAT ÖZMEN
- ß-estradiol yüklü doku iskeleleri ile in-vitro kemik doku mühendisliği
In-vitro bone tissue engineering with ß-estradiol loaded scaffolds
GÜLSEREN IRMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- Hibrit nanobiyomalzemeler içeren kemik doku iskelelerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of bone tissue scaffolds containing hybrid nanobiomaterials
DİCLE ERDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
BiyomühendislikPamukkale ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YUSUF ÖZCAN
PROF. DR. CEM GÖK
- Mikrodalga-destekli kitosan/hidroksiapatit doku iskelesi üretimi ve İn-vitro kemik doku mühendisliği
Microwave-assisted chitosan/hydroxyapatite scaffold production and In-vitro bone tissue engineering
MÜGE DAĞLI DURUKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- Preparation and characterization of polymeric hard tissue supports
Polimerik sert doku desteklerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
TUĞBA ENDOĞAN
Doktora
İngilizce
2013
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESRİN HASIRCI
PROF. DR. VASIF NEJAT HASIRCI