Geri Dön

Construction of a biodegradable scaffold with enhanced biocompatibility for bone tissue engineering

Kemik doku mühendisliği için biyouyumluluğu arttırılmış biyobozunur doku iskelesi

PDF İndir

  1. Tez No: 507767
  2. Yazar: FULDEN CANDAR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Çeşitli hastalık, kaza ve travma durumlarında insan vücut dokularında deformasyonlar veya kayıplar meydana gelebilir ve bunların tedavisini sağlamak amacıyla kritik tıbbi müdahale gerekebilir. Bir hastanın kendisinden alınan dokunun vücudun başka bir bölgesine transplante edilmesi, başka bir insandan alınan dokunun transplantasyonu veya protez ile fiksasyon araçlarının kullanımı başvurulan en yaygın tedavi yöntemlerindendir ancak bu yöntemler donor yetersizliği, doku uyuşmazlığı veya implantın vücuttan çıkarılması için gerekebilecek cerrahi müdahale gibi çeşitli problemleri beraberinde getirebilmektedir. Doku mühendisliği, fonksiyonel doku ve organların yenilenmesini hedefleyen mevcut tedavi yöntemlerine bir alternatiftir. Doku fonksiyonunu onarmayı ve iyileşmesine destek olmayı amaçlayan; mühendislik ile doğa bilimlerinin birlikte çalışıldığı bir alandır. Doku iskeleleri hücre ekimini, tutunmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını kolaylaştırmak için üç boyutlu kalıplar olarak kullanılır. Çeşitli biyolojik moleküllerin salımı yoluyla dokuda gerçekleştirilmek istenen işlemler çeşitlendirilebilir ve/veya hızlandırılabilir. Doku mühendisliğinde kullanılan biyomalzemeler genel olarak sentetik polimerler, doğal polimerler ve seramikler olarak üç grupta incelenir. Doğal polimerler biyoyumlu ve biyobozunur yapıda olmaları ile birlikte sınırlı mekanik özelliklere sahiptir. Sentetik polimerler kolayca işlenilebilen yapıdadır ancak yeterli biyouyumluluk gösteremeyebilir. Doku iskelelerinin üretiminde, hücre ile dokuların doğal yapı ve karakteristiklerinin gözönünde bulundurulmaması, vücudun doku iskelesini hem biyouyumluluk hem de mekanik özellikler bakımından kabul etmemesine yol açabilmektedir. Seramik malzemelerin biyouyumluluğu göreceli olarak yüksektir ancak işlenmeleri genellikle zordur. Kemiğin yapısında bulunan hidroksiapatit gibi seramik malzemeler bu alanda en çok kullanılanlar arasındadır. Farklı gruplara ait bileşenlerin birlikte kullanılmasıyla, amaca uygun olarak belirlenen özelliklerin aynı yapı içerisinde toplanması mümkündür. İdeal doku iskelesinin elde edilebilmesi için seçilen biyomalzemenin bağışıklık yanıtına sebebiyet vermemesi gerekmektedir. Ayrıca doku iskelesinin mekanik stabilitesi ve yüzey kimyası ilgili dokuya uygun olmalıdır. Mekanik bütünlük, özellikle kemik ve kıkırdak dokuda, implantasyon süresi ve fonksiyonun gerçekleştirilebilmesi için gereken iyileşme süresi göz önünde bulundurularak belirlenmelidir. Vücut hücrelerinin bu doku iskelesi üzerine tutunması ve kendi hücre dışı matrislerini üretmesi beklenmektedir. Hücrelerin penetrasyonu, besin maddelerinin hücreler ile hücre dışı matrikse difüzyonu ve hücresel atıkların hücre dışına atılabilmesi için gözeneklilik oranı ve bağlantılı gözenek yapısı önemlidir. Geometrik özellikleri, gözenek yarıçapı ve gözeneklilik özellikleri belirlenebilen biyofonksiyonel doku iskelelerinin, yüksek oranda vaskülarize olmuş dinamik bir yapı olan kemik dokularda kullanımı gelecek vadetmektedir ve bu sebeple gözenekli doku iskelelerinin kullanımı oldukça yaygındır. Kemik doku mühendisliğinde ipek fibroinin kullanım potansiyelini konu alan yayın sayısında son yıllarda kararlı bir artış gözlemlenmektedir. İpek fibroin yüksek oksijen geçirgenliği, biyouyumluluğu, ayarlanabilen biyobozunurluk oranı, kimyasal kompozisyonu ve mekanik özellikleri ile tercih edilen, FDA onaylı bir biyomalzemedir. İpek fibroin çeşitli doku iskelesi formlarında üretilebilir. Poli(ekaprolakton) (PCL) ve poli-l-laktik (PLLA) asit polimerleri biyouyumluluk, biyobozunurluk özellikleri ile kemik doku mühendisliğinde kullanıma uygundur. PLLA, mekanik dayanımı iyi olmasına rağmen sert ve kırılgan yapı gösterir. Bununla birlikte PLLA hidrolizi sonucunda vücutta asidik bozunma ürünleri ortaya çıkmaktadır. PCL ile PLLA'in birlikte kullanımı, ortaya çıkan yapının mekanik direnç özelliğinin daha iyi olmasını sağlar ve doğal pH'ın korunmasına yardımcı olur. Üç boyutlu biyomimetik doku iskelelerinin üretiminde çözücü uçurma (solvent casting-particulate leaching), faz ayırma (phase separation), gaz köpüklendirme (gas foaming), hızlı prototipleme (rapid prototyping) ve elektroeğirme (elektrospinning) kullanılan yöntemlerden bazılarıdır. Elektroeğirme farklı biyopolimerlerin birlikte kullanımına olarak veren, yüksek gözenekliliğe sahip ve fonksiyonel üç boyutlu doku iskelelerinin üretiminde kullanılan, uygulanabilirliği yüksek ve pratik bir yöntemdir. Bu çalışmada elektroeğirme yöntemi kullanılmıştır. Elektroeğirme cihazının başlıca bileşenleri güç kaynağı, mekanik pompalama sistemine yerleştirilen enjektör ve toplayıcı alandır. Polimer çözeltisi enjektöre beslenerek elektrik alan uygulandığında, enjektörün ucunda konik damlacık (Taylor cone) meydana gelir. Elektrostatik yük, damlacığın yüzey gerilimini aştığında iletken toplayıcı alana doğru bir polimer jet akışı oluşur. Çözücü buharlaşır ve nanoiplikler alan üzerinde birikmeye başlar. Yüzey alanı – hacim oranının yüksek olması, hücre tutunmasının arttırır. Polimer çözeltisinin konsantrasyonu, iletkenliği, viskozitesi gibi özellikler prosesi etkilemektedir. Bu çalışmanın amacı, nanoiplik yapılı doku iskelesinin doğal bir polimer olan ipek fibroin proteini ile kaplanması sonucunda daha hidrofilik bir yüzey elde edilerek, hücrelerin doku iskelesine tutunma ve doku iskelesi üzerinde çoğalma davranışlarının gözlemlenmesidir. Bu amaçla, elektroeğirme yöntemi ile üretilen PCL/PLLA nanoiplik yapısı ipek fibroin solüsyonu ile kaplanmıştır. Kaplamada dip coating yöntemi kullanılmıştır. Bu teknik ile belirli nanoyapılara sahip biyofonksiyonel çok ince film yüzey kaplamaları yapılabilmektedir. PCL/PLLA nanofiber yapının elde edilebilmesi için, çözücü olarak metanolkloroform (1:3 v/v) belirlenmiş ve 1:1 oranında kullanılan polimerler 4 saat süre ile karıştırılmıştır. Değişik konsantrasyonlar (%9-11 (w/v)) çalışılmış ve elde edilen yapıların taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntüleri alınmıştır. Literatürde çapı 1 µm'den az olan fiberlerin nanofiber olarak değerlendirilmesi ve çalışmaların bu yönde ilerlediği gözönünde bulundurularak, çapı 998.1 ± 246.0 nm olan PCL/PLLA (%10 w/v) nanofiberin kullanılmasına karar verilmiştir. İpek fibroin ekstraksiyonu ile canlı vücudunda bağışıklık sisteminin reaksiyonuna sebebiyet veren serisin proteinleri uzaklaştırılmış ipek fibroin solüsyonu elde edilmiştir. PCL/PLLA (10 %w/v) nanofiberleri üzerine ipek fibroin solüsyonu ile sırasıyla 1 kat, 2 kat ve 3 kat olacak şekilde kaplanmıştır. Deneyler sonunda 3 kat kaplama yapılmış, 24 saat karıştırma ile hazırlanan %10 (w/v) konsantrasyonundaki nanofiberin hücre tutunması ve büyümesi için uygun olduğu gözlemlenmiştir. İpek fibroinin konformasyonal değişikliğini gerçekleştirmek ve β-sheet kristalin yapı oluşumunu sağlamak için hazırlama aşamasında %50 (v/v) metanol ile muamele işlemi uygulanmıştır. Fourier Transform Infrared Spektrofotmetre (FTIR) cihazı ile ipek fibroin kaplama işlemi ve metanol muamelesinin kimyasal yapıya etkisi incelenmiştir. Elde edilen spektrum, kaplama işleminin konformasyonel değişikliğe sebep olmadığını, bununla birlikte metanol ile muamelenin doku iskelesinde β-sheet yapısı oluşturduğunu göstermiştir. Doku iskelelerine ekilmiş insan osteoblast hücrelerinin (hfOB) doku iskelesi üzerinde çoğalmasını ve yüzeyin kimyasal karakteristiklerinin etkisini incelemek amacıyla 1, 4. ve 7. günlerde MTS analizi yapılmıştır. En fazla hücre çoğalması PCL/PLLA nanofiberi üzerinde, en az çoğalma ise metanol ile muamele edilmiş ipek fibroin kaplı PCL/PLLA nanofiberi üzerinde görülmüştür. Hidrofilik özelliklerinin belirlenmesi için PCL/PLLA (136°), ipek fibroin kaplı PCL/PLLA (86°) ve metanol ile muamele edilen ipek fibroin kaplı PCL/PLLA nanofiberlerinin (79°) su temas açısı ölçümleri yapılmıştır. Hidrofilik özellik arttıkça, hücre tutunmasının azaldığı gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Injuries, accidents or diseases may cause deformity or loss of human body tissues that require critical medical intervention to facilitate their recovery process, regeneration or replacement. Conventional synthetic scaffolds which are made of polymers, ceramics and metals, in which the construction does not regard the native structure and characteristics of cell and tissue, leads mechanical mismatch and/or poor integration. Tissue engineering is an alternative for these treatment methods, aiming to regenerate functional tissues and/or organs. New biofunctional scaffolds with recreated geometry and porosity for treatment of bone, which is a highly vascularized and dynamic tissue, are promising but also presents significant challenges to be overcome. The aim of this study is to evaluate the effects of a natural biopolymer, silk fibroin, as a coating material for bone tissue engineering. For this, a nanofibrous scaffold prepared by electrospinning of PCL (poly-ε-caprolactone) / PLLA (poly-l-lactic acid) blend was coated with silk fibroin solution and the constructs were characterized. PCL/PLLA solutions of different concentrations (9 to 11 %w/v) were prepared with 1:1 polymer ratio, in methanol/chloroform mixture (1:3 v/v). Scanning electron microscopy (SEM) micrographs demonstrated that uniform nanofibers were obtained by each PCL/PLLA concentration. The average fiber diameter prepared from PCL/PLLA (10 %w/v) solution was 998.1 ± 246.0. PCL/PLLA (10 %w/v) chosen considering many studies which include fibers having a diameter less than 1 µm are broadly regarded as nanofiber and having great potential in medical applications. To obtain silk fibroin in solution form, firstly proteins that cause immune reaction were eliminated, by an extraction method. The scaffold was coated with silk fibroin solution as 1 layer, 2 layers and 3 layers applying dip coating technique. Three layers of silk fibroin coated PCL/PLLA (10 %w/v) nanofibers prepared with 24 h mixing was chosen for cell culture. Methanol treatment was applied to induce conformational transition and obtain β-sheet crystalline state of fibroin which is more stable. The effect of methanol treatment on the silk fibroin conformational structure was evaluated by FTIR analysis. β-sheet conformation partially observed in silk fibroin proteins. Neverthless, silk fibroin coating did not cause any conformational change on PCL/PLLA (10 %w/v) blend nanofibers. For biological evaluation, the proliferation of human osteoblast cells (hfOB) were seeded on prepared scaffolds and MTS analysis was applied at 1st, 4th and 7th days to examine the proliferation of cells on different surfaces. Surface wettability has a significant effect on cell adhesion and proliferation. Cell culture studies showed that silk fibroin coated scaffolds (with or without methanol treatment) led less cell proliferation. A correlation is observed between water contact angle measurements and decreased cell attachment with the increasing hydrophilicity. Highest cell proliferation was observed on hydrophobic PCL/PLLA nanofiber mats (136°). Silk fibroin coated (86°) and further methanol treated substrates (79°) demonstrated improved hydrophilicity but cell proliferation was decreased with increasing hydrophilicity.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    683675

    Biyobasım ve doku mühendisliğiyle sinoviyal sıvıdan elde edilecek kök hücrelerle kıkırdak defekti onarımı

    Repair of cartilage defects with stem cells derived from synovial fluid with bioprinting and tissue engineering

    ESRA DURSUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    BiyomühendislikSağlık Bilimleri Üniversitesi

    Doku Mühendisliği Anabilim Dalı

    DOÇ. DR. ERKAN TÜRKER BORAN

  2. Tez No

    485213

    Functionalized nanofiber based scaffold in nerve tissue engineering

    Sinir doku mühendisliğinde işlevselleştirilmiş nanofiberlerin kullanımı

    İREM AYŞE KANNECİ ALTINIŞIK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK

    PROF. DR. GAMZE KÖSE

  3. Tez No

    450947

    Construction of a functional biodegradable bone tissue engineering scaffold for enhanced biomineralization

    Biyomineralizasyonu tetikleyen, fonksiyonel ve biyobozunur bir kemik doku mühendisliği iskelesi yapımı

    İNAS ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK

  4. Tez No

    238371

    Stem cell based nerve tissue engineering on guided constructs

    Yönlendirilmiş yapılar üzerinde kök hücre temelli sinir doku mühendisliği

    DENİZ YÜCEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Biyoteknoloji Bölümü

    DOÇ. DR. GAMZE TORUN KÖSE

    PROF. DR. VASIF HASIRCI

  5. Tez No

    817996

    Investigation of mechanical properties of small caliber fibrous vascular grafts

    Küçük çaplı fibröz vasküler greftlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi

    SUZAN ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İPEK YALÇIN ENİŞ

Geri Dön