Geri Dön

Fabrication of polymer-bioactive glass nanocomposite materials in bone tissue engineering applications

Kemik doku mühendisliği uygulamaları için polimer–biyoaktif cam nanokompozit malzemelerin üretilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 445072
  2. Yazar: SEZA ÖZGE GÖNEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SADRİYE OSKAY, DOÇ. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Bioengineering, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 148

Özet

Kemik; mekanik destek sağlayan, mineral deposu olarak davranan, hareketi sağlayan kas kasılmalarını destekleyen, yük taşıyan ve iç organları koruyan oldukça karmaşık bir doku olup, zarar gördüğünde belirli bir ölçüye kadar kendini yara izi olmaksızın yenileyebilmektedir. Ancak, hasarın oldukça ciddi olduğu durumlarda, kemiğin onarılması ve yenilenmesi için otojenik ve allojenik kaynakların kullanılmasına bir alternatif oluşturan kemik doku mühendisliği yaklaşımına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yaklaşım; hücre dışı matrisi taklit eden, üzerinde hücrelerin tutunduğu ve çoğaldığı geçici bir destek görevi gören yapı iskelelerinin kullanımına dayanmaktadır. Yakın geçmişte, nanopartikül, nanolif ve nanocompozit şeklindeki biyomalzemelerin kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılması oldukça ilgi uyandırmaktadır. Özellikle, kemik rejenerasyonu için arzu edilen özelliklere sahip, çapları birkaç mikron ile birkaç nanometre arasındaki liflerden oluşan yapı iskeleleri oluşturmak için elektrospinning yöntemi kullanılmaktadır. Elektrospinning yöntemi; basit ve etkili bir araç olup temel olarak hücre dışı matrise yapısal benzerliği, geniş bir malzeme yelpazesi ile çalışılabilmesi, cihazın kurulumunun basit ve ucuz olması gibi özellikleri nedeniyle son zamanlarda kemik doku mühendisliği uygulamalarında ilgi görmektedir. Hücre dışı matrisin lifli yapısını taklit etmek amacıyla en uygun malzeme seçilirken, malzemenin özelliklerinin yapı iskelesinin özelliklerini belirleyeceği de dikkate alınmalıdır. Şimdiye kadar, sentetik veya doğal olanlar dahil olmak üzere birçok farklı polimer araştırılmıştır. Ancak, ideal bir yapı iskelesi için gerekli tüm özelliklerin tek bir malzeme ile sağlanması mümkün değildir. Kemiğin hücre dışı matrisi, organik ve inorganik maddelerden oluşan bir nanokompozit olduğundan; polimerlerin ve biyoaktif seramiklerin birlikte kullanılması ile daha iyi mekanik özelliğe, hidrofilikliğe, osteoiletkenliğe, osteoendüktiviteye ve hücresel afiniteye sahip yapı iskelelerinin üretilmesi beklenmektedir. Bununla birlikte; tek bir malzeme içerisinde her iki bileşen de içerildiğinden, organik kısmın esnekliğine ve iyi şekillendirilme yeteneğine; inorganik kısmın ise, ısıl kararlılığına, yüksek mukavemetine ve kimyasal direncine sahip olunacaktır. In vitro ve in vivo çalışmalar, organik/inorganik kompozit yapı iskelelerinin, osteoblastların ve mezenkimal kök hücrelerinin tutunmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını desteklediğini ve kemik iyileşmesini kolaylaştırdığını göstermiştir. Bunlara ek olarak; ideal bir yapı iskelesi geliştirebilmek için malzemelerin damarlaşmayı (anjiyogenez) hızlandırması ve osteoblastlar ile endotel hücrelerin çoğalmasını teşvik etmesi de gereklidir. Bu nedenle; anjiyogenezi uyaran malzemelerin geliştirilmesi de oldukça önemlidir. Bu bağlamda; yapı iskelesine ek işlevler (yani, anjiyojenik ve antibakteriyel etkileri) sağlamak için terapötik metalik iyon salınımı da yapan bir malzeme geliştirmek etkili ve ucuz bir yaklaşımdır. Stronsiyum, osteoklast bağlantılı kemik erimesini inhibe ederken osteoblast ilişkili kemik oluşumunu teşvik eden ikili bir etki gösterdiğinden; bakır ise, hem antibakteriyel aktiviteye hem de anjiyojenezi geliştirme etkisine sahip olduğundan stronsiyum ve/veya bakır salınımı yapan malzemelerin yapı iskelesi olarak kullanılmalarının etkili bir yaklaşım olduğu düşünülmektedir. Bu bağlamda; bu doktora tezi kapsamında gelişmiş anjiyojenez potansiyeline sahip ve antibakteriyel özellik gösteren çok fonksiyonlu nanokompozit yapı iskelelerinin elektrospinning yöntemi kullanılarak geliştirilmesi hedeflenmiştir. Doğal ve sentetik polimerler tek başlarına istenilen bütün özellikleri sağlayamazlar. Bu nedenle; iki biyopolimer (jelatin ve sodyum aljinat) ile bir sentetik polimer (poli(ε-kaprolakton)) deneysel çalışmalarda kullanılan üzere seçilmiş ve yapı iskeleleri bunların ikili karışımlarından (jelatin/poli(ε-kaprolakton) ve jelatin/sodyum aljinat) hazırlanmıştır. Jelatin ve sodyum aljinat, hücre dışı matrisin ana bileşenlerinden kolajen ve glikozaminoglikan ile benzerlik göstermektedirler. Buna ek olarak; biyobozunurluk, biyouyumluluk, hidrofilik olma ve nispeten düşük maliyetle ticari kullanılabilirlik gibi birçok avantaja sahip olduklarından, biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Öte yandan; poli(ε-kaprolakton) ise, biyouyumluluk, biyolojik olarak rezorbe edilebilirlik, ucuzluk ve birçoğunun Gıda ve İlaç İdaresi tarafından onaylı olması gibi bazı benzersiz özelliklere sahiptir. Üretilen lif çapı; proses değişkenleri (uygulanan gerilim, polimer çözeltisinin akış hızı, iğne ucu ve toplayıcı arasındaki açıklık, iğnenin çapı, kolektör tipi), çözelti değişkenleri (polimerin molekül ağırlığı, polimer çözeltisinin derişimi, çözücü tipi) ve çevre koşulları (sıcaklık ve bağıl nem) gibi faktörlerden farklı ölçülerde etkilenmektedir. Elde edilen malzemenin mekanik, elektrik, optik, vb. gibi özellikleri, ortalama lif çapına bağlı olarak değişiklik gösterdiğinden, bu faktörlerin ortalama lif çapı üzerindeki etkilerinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Bu nedenle; bu çalışmada, kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılma potansiyeline sahip nanokompozit yapıda bir malzemenin elektrospinning yöntemi kullanılarak hedeflenen lif çapına sahip olarak üretilmesi için istatistiksel bir deney tasarım yönteminin (yanıt yüzey yöntemi gibi) kullanılması amaçlanmıştır. Yanıt yüzey yöntemi; istatistiksel yöntemlerden yararlanarak, bağımsız değişkenler ile yanıt değişkenleri arasındaki ilişkiyi belirleyen ve deneysel veriyi ampirik bir modele dönüştüren grafiksel bir yöntemdir. Üç ya da daha fazla faktöre sahip ikinci dereceden yanıt yüzey modeli için Box–Benkhen tasarım yöntemi, merkezi kompozit tasarım yöntemine kıyasla daha üstündür. Bu nedenle; Box–Benkhen tasarım yönteminin kullanılması yoluyla malzeme ve proses değişkenlerinin lif çapı üzerindeki etkilerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu doktora tezi kapsamında verilen ilk iki makale polimerik yapı iskelelerinin hazırlanması için en uygun çözelti değişkenlerinin belirlenmesini amaçlamıştır. Sonuç olarak; 80–250 nm lif çapına sahip jelatin/poli(ε-kaprolakton) yapı iskeleleri başarılı bir şekilde üretilmiş; polimer konsantrasyonu ve karışım çözeltisindeki jelatin çözeltisi miktarı arttıkça lif çapının arttığı belirlenmiştir. Çözücü bileşiminin ise, lif çapı üzerinde istatistiksel olarak önemli bir etkisi görülmemiştir. Benzer şekilde; 68–166 nm lif çapına sahip jelatin/sodyum aljinat yapı iskeleleri de farklı yüzey morfolojilerine sahip olarak üretilmiştir. Jelatin konsantrasyonu, karışım çözeltisindeki jelatin çözeltisi miktarı ve çözücü içerisindeki asetik asit oranı arttıkça lif çapının arttığı belirlenirken; çözücünün etanol içerip içermemesine bağlı olarak aljinat konsantrasyonunun etkisi farklılık göstermiştir. Bu iki çalışma vasıtasıyla çözelti değişkenlerinin belirlenmesinin ardından; stronsiyum veya bakır katkılı biyoaktif cam parçacıkları başarıyla jelatin/poli(ε-kaprolakton) yapı iskeleleri içerisine başarıyla dahil edilerek iyon salınımı özelliğine de sahip nanokompozit yapı iskeleleri üretilmiştir. Biyoaktif cam içeriği arttıkça, ortalama lif çapı ve biyoaktivite artmıştır. Ancak, iyon salınımı stronsiyum içeren nanokompozit yapı iskelelerinde 5.4–10.1 mg/g; bakır içeren nanokompozit yapı iskelelerinde 0.34–1.87 mg/g olarak tespit edildiğinden; biyoaktif camların SrO ve CuO içeriklerinin yükseltilmesinin yapı iskelelerinin osteojenik, anjiojenik ve antibakteriyel potansiyelini geliştirmek için etkili bir yöntem olabileceği düşünülmektedir. Bunlara ek olarak; nanokompozit yapı iskelelerinin hazırlanması için en uygun proses değişkenlerinin belirlenmesine yönelik de çalışmalar yürütülmüş olup bu çalışmalar henüz yayınlanmadığı için bu tez kapsamında yer verilmemiştir. Ayrıca, stronsiyum veya bakır iyonu salınımı özelliğine sahip jelatin/sodyum aljinat nanokomposit yapı iskeleleri de başarıyla üretilmiş olup bu çalışmalar da henüz yayınlanmadığı için bu tez içerisinde yer almamıştır.

Özet (Çeviri)

The main driving idea of the study was to produce nano-scaled bioactive glass/polymer composite scaffolds with the inclusion of relevant ions in order to develop multifunctional scaffolds for bone tissue engineering. The originality of the study was related to the integration of several functions in a single advanced scaffold composite system based on specific compositions of bioactive glasses, providing a platform for the delivery of therapeutic ions, and biodegradable polymers as the backbone material. This new material was aimed to have the capacity, through engineered nanoparticles and tailored kinetic release of specific ions, to stimulate early angiogenesis and provide an ideal scaffold for cell recruitment and proliferation, thereby accelerating the bone repair process. In this context, nano-scaled materials from polymer blends (e.g., gelatin/sodium alginate and gelatin/poly(ε-caprolactone)), as well as their composites with bioactive glasses were fabricated with the use of electrospinning technique. In electrospinning technique, solutions containing blends of polymers without or with bioactive glass particles were prepared to be converted into electrospun nanofibers at the relevant conditions. For this purpose, the optimal solution parameters (i.e., concentration of each polymer solution, ratio of one polymer to another, and solvent composition) to produce polymeric scaffolds were first investigated by using Box-Behnken design technique. Secondly, the processing parameters (e.g., applied voltage, tip-to-collector distance, and feeding rate) were also optimized in order to conduct a stable electrospinning process and to have a desirable surface topography.Then, cross-linking treatment was also carried out for enhancing the surface properties of the obtained scaffolds. After that, microstructural and physical properties of the polymeric and nanocomposite scaffolds were determined by using scanning electron microscope, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectrophotometer, and differential thermal analyzer. Finally, a comprehensive in vitro simulated body fluid study was also evaluated to determine the bioactivity of the nanocomposite scaffolds. Furthermore, the release of therapeutic ions from the nanocomposite scaffolds was investigated by using inductively coupled plasma optical emission spectrometry. The overall results put forth that scaffolds obtained in this study could be promising candidates for bone tissue engineering applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    665222

    Bakır ve çinko içeren biyoaktif cam katkılı nanokompozit yapı iskelesi üretimi

    Fabrication of nanocomposite scaffold with copper and zinc doped bioactive glasses

    ZEYNEP ATASAYAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SADRİYE OSKAY

  2. Tez No

    898748

    Hybrid bioprinting of functionalized scaffolds for tissue engineering applications

    Doku mühendisliği uygulamaları için fonksiyonelleştirilmiş doku iskelelerinin hibrid üç boyutlu (3B) biyobasım

    MAHDIYEH ZAHRABI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilim ve TeknolojiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHATTİN KOÇ

  3. Tez No

    783108

    Design and characterization of aromatic thermosettingcopolyester resin for polymer matrix nanocomposites

    Aromatik termosetin tasarımı ve karakterizasyonupolimer matrisli nanokompozitler için kopoliester reçine

    METE BAKIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine MühendisliğiUniversity of Illinois at Urbana-Champaign

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. IWONA JASIUK

  4. Tez No

    900403

    Doku rejenerasyonunda kullanılmak üzere çinko katkılı biyoaktif cam ve doğal polimerler içeren iki tabakalı membranların elektroeğirme yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu

    Fabrication and characterization of double layered membranes containing zinc doped bioactive glass and natural polymers for tissue regeneration by electrospinning

    DİLAN ALTAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİL YÜCEL

    DOÇ. DR. YEŞİM MÜGE ŞAHİN

  5. Tez No

    658439

    Hybrid 3D bioprinting of functionalized structures for tissue engineering

    Başlık çevirisi yok

    SEYEDEH FERDOWS AFGHAH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    BiyomühendislikSabancı Üniversitesi

    Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHATTİN KOÇ

Geri Dön