Bone tissue engineering with mesenchymal stem cell seeded scaffold assisted perfusion bioreactors
Mezenkimal kök hücre ekilmiş doku iskelesi destekli perfüzyon biyoreaktörlerle kemik doku mühendisliği
- Tez No: 478478
- Danışmanlar: PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (Tübitak) Projesi No: 214M100 tarafından maddi olarak desteklenmiştir. Bu tez çalışmasında, durağan hücre kültürü ve dinamik yaklaşım olan perfüzyon biyoreaktörlerinde farklı ebat ve farklı boyuttaki doku iskelelerine dayanan hücre kültürü çalışmalarının insan mezenkimal kök hücreleri (hMSC) üzerindeki üreme ve osteojenik farklılaşmanın potansiyelinin araştırılması amaçlanmıştır. Deneysel çalışmaların ilk aşamasında, kitosan-hidroksiapatit süpergözenekli hidrojel (kitosan-HA SGPH) doku iskeleleri, köpükleşme ajanı olarak sodyum bikarbonat (NaHCO3) ve çapraz bağlayıcı olarak glioksal kullanılarak hazırlanmıştır. Mikrodalga destekli gaz köpükleşme tekniği, in vitro çalışmalarda yüksek verim ve daha yüksek tekrarlanabilirlik elde etmenin yanında doku iskelelerinin üretiminin hızlandırılmasını desteklediğinden tercih edilmiştir. Deneysel çalışmanın ikinci aşamasında, olası bir sızıntının önlendiği ve besin maddeleri / atık madde difüzyon sorunlarının çözülebildiği, uzun vadeli dinamik kültür çalışmaları ile sürdürülebilir sterilite sağlayan perfüzyon biyoreaktör sisteminin kurulumu gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın bir sonraki safhasında, hMSC'ler kullanılarak farklı akış hızlarında ve farklı boyutlarda doku iskeleleriyle (P3D-6: 0.1 mL/dk, P3D-6: 0.2 mL/dk; P3D-10: 0.27 mL/dk) 21 gün süreyle dinamik hücre kültürü çalışmaları gerçekleştirilmiş ve kültürün 3, 6, 9, 12, 15 ve 18. günlerinde ortam değişiklikleri yapılmıştır. Hücre kültürü çalışmalarının 7, 14 ve 21. günlerinde hücre canlılığı ve çoğalmasını gözlemlemek için MTT (3-[4,5-Dimethylthiazol-2-yl]-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) analizi gerçekleştirilmiş ve SEM (Taramalı Elektron Mikroskopisi) analizi ile hücre morfolojileri ve penetrasyonları gözlemlenmiştir. Hücre kültürü çalışmalarının sonunda insan mezenkimal kök hücrelerinin Kolajen1 (COL1), Runt İlişkili Transkripsiyon Faktörü 2 (RUNX2), Osteokalsin (OCN) ve Osteopontin (OPN) ekspresyon düzeylerini belirlemek için RT-PCR (Gerçek Zamanlı Polimeraz Zincir Reaksiyonu) analizi yapılmıştır. Tez çalışmasının son bölümünde, perfüzyon biyoreaktörde akış ve kütle transferi simülasyon çalışmaları COMSOL yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modelin doğruluğu, doku iskelesi olmayan bir biyoreaktörde düşük ve yüksek akış hızı uygulamaları için geliştirilen modellerle test edilmiştir. Ardından, farklı akış hızlarında ve farklı boyutlarda üretilmiş olan geçirgen doku iskeleleri varlığında perfüzyon biyoreaktörün akış modeli ve kütle transferi modeli ortaya konulmuştur. Tez kapsamında yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) modelleme çalışmalarından elde edilen sonuçların deneysel bulguları desteklediği görülmüştür. Tüm analizler ve bulgular ışığında perfüzyon biyoreaktöründe 0.1 ve 0.2 mL/dk akış hızı ve 3mm çapında ve 6mm yüksekliğindeki doku iskeleleri ile yapılan dinamik kültür yaklaşımının insan mezenkimal kök hücrelerinin osteojenik farklılaşmasını desteklediği gösterilmiştir. Buna ek olarak, CFD yaklaşımının, farklı çalışma parametreleri göz önüne alındığında, mühendislik ürünü kemik yamalarının in vitro üretiminde başarılı sonuçlar elde edilmesinde belirleyici faktör olduğu sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
This study was financially supported by Turkish Scientific and Research Council (Tübitak) Project no: 214M100. In the present thesis study, it was aimed to investigate the potential of proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) in perfusion bioreactors. In the first step of this study, chitosan-hydroxyapatite superporous hydrogel (chitosan-HA SPHC) scaffolds were prepared by using sodium bicarbonate (NaHCO3) as a foaming agent and glyoxal as a cross-linking agent. The microwave assisted gas foaming technique has produced tissue scaffolds that are faster to obtain, in high yield and higher reproducibility in vitro studies. In the second step of the experimental study, the installation of the perfusion bioreactor system, in which leakage and diffusion problems can be solved and which provides sustainable sterility through long-term dynamic culture studies has been completed. At the next stage of the study, dynamic cell culture studies were carried out for 21 days using hMSCs at different flow velocities and tissue scaffolds of different sizes (P3D-6: 0.1 mL/min, P3D-6:0.2 mL/min; P3D-10: 0.27 mL/min) and media changes were made on certain days (days 3, 6, 9, 12, 15 and 18) of the culture. MTT (3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5 diphenyltetrazolium bromide) analysis was performed to observe viability and proliferation of cells on certain days of cell culture studies. SEM (Scanning Electron Microscopy) analysis was performed to observe cell morphologies and penetrations. At the end of the cell culture studies, RT-PCR (Real Time Polymerase Chain Reaction) analyzes were performed to determine the expression levels of Collagen1 (Col1), Runt Associated Transcription Factor 2 (RUNX2), Osteocalcin (OCN) and Osteopontin (OPN) genes in hMSCs. In the last part of the thesis study, flow and mass transfer simulation studies were carried out in the perfusion bioreactor using COMSOL software. The accuracy of the model was tested with models developed for low and high flow rates in a bioreactor without a tissue scaffold and in the presence of a non-porous tissue scaffold. Affterwards the flow model and mass transfer model in perfusion bioreactor in the presence of a permeable tissue scaffold took place. The results obtained from the Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling studies conducted within the scope of the thesis seem to support the experimental findings. In the light of all these analyzes and findings, it has been shown that the dynamic culture approach performed with P3D-6 scaffolds at 0.1 mL/min and 0.2 mL/min flow rates support the osteogenic differentiation of hMSCs in the perfusion bioreactor. In addition, it can be seen that the CFD approach is the decisive factor in achieving successful results in vitro production of engineered bone grafts when different operating parameters are considered.
Benzer Tezler
- Kemik doku mühendisliği uygulamaları için, bor bileşenli polimer doku iskelelerin mezenkimal kök hücreler ile birlikte geliştirilmesi
Co-development of boron compound polymer tissue scaffolds with mesenchymal stem cells for bone tissue engineering
GÜNNAZ ÇAPAN
- Sequential growth factor delivery from polymeric scaffolds for bone tissue engineering
Kemik doku mühendisliği amaçlı sıralı büyüme faktörü salan polimerik doku iskeleleri
PINAR YILGÖR
Doktora
İngilizce
2009
BiyomühendislikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESRİN HASIRCI
PROF. DR. VASIF HASIRCI
- Osteokondral doku mühendisliğinde tabakalı hibrit yapıların geliştirilmesi
Development of layered hybrid structures in osteochondral tissue engineering
SELCAN GÜLER AKSAKALOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM VARGEL
- Kemik doku onarımı için hidroksiapatit/peptit amfifil bazlı nanokompozit doku iskelelerinin geliştirilmesi
Development of hydroxyapatite/peptide amphiphile based nanocomposite scaffolds for bone tissue repair
SONER ÇAKMAK
Doktora
Türkçe
2015
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- Bone tissue engineering application with the vasculogenesis inducing biphasic scaffold
Damarlanmayı arttırıcı çift fazlı doku iskelesi ile kemik doku mühendisliği uygulaması
NERGİS ABAY AKAR
Doktora
İngilizce
2018
BiyoteknolojiYeditepe ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GAMZE KÖSE