Hybrid 3D bioprinting of functionalized structures for tissue engineering
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 658439
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHATTİN KOÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 209
Özet
Doku mühendisliği, hasarlı dokuları yenilemek için yöntem ve teknolojiler geliştirmeyi amaçlayan disiplinler arası bir araştırma alanıdır. Doku oluşumunun uyarılması için insan mikro ortamında bulunan hücreler ve biyoaktif moleküllerin kullanılmasına dayanan birleşik bir biyomateryal platformudur. Bu nedenle, fonksiyonel bir doku eşleniği geliştirmek için konakçı dokunun biyokimyasal, biyofiziksel ve mekanik yönleri dahil olmak üzere çok sayıda faktör dikkate alınmalıdır. Travmalar, yaralanmalar ve yanıkların neden olduğu ciddi yaralarda veya deri kaybında insan vücudu dokuyu tüm işlevsellik ve özelliklerle tam olarak yenileyemez. Bu nedenlere gereksinim duyulan deri nakilleri, küresel olarak sağlık sistemi için bir yüktür. Zayıf mekanik özellikler, yara izi, gecikmiş hücre ve biyomolekül infiltrasyonu ve vaskülarizasyonun olmaması, deri yenilenmesi için halen ele alınması gereken ana zorluklardır. Üç boyutlu (3B) biyobasım, yani eklemeli imalat (AM) olarak da bilinen katmanlı imalat yöntemi, biyomalzemelerin bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelleri kullanılarak istenen geometride kontrollü olarak yerleştirilebilmesi ile altın standart bir teknik olarak kabul edilir. Biyomalzemelerin seçilmesi ve mimari tasarımın geliştirilmesi ile birlikte, 3D biyobasım, fonksiyonel doku rejenerasyonuna doğru uzun ve karmaşık yolculuğu kolaylaştırabilir. Bu bağlamda, doğal hücre dışı matrisi (ECM) taklit eden küçük liflerin üretimi, iyi mekanik ve biyokimyasal özelliklere sahip işlevsel malzeme seçimi, işlevselliği artırmak için biyoaktif moleküllerin malzemeye dahil edilmesi ve bu malzemenin basılabilirliği, başarılı iskele üretiminin ön koşul faktörleridir. Bu çalışmada, özellikle cilt dokusu mühendisliği için işlevselleştirilmiş yapılar için yenilikçi hibrit 3B biyo-basım yöntemleri geliştirildi. Bu çerçevede, ilk olarak, özel bir 3B basım işlemi olan eriyik-elektro basım (3B-MEW) parametrelerinin fiber çapı üzerindeki etkisini, yanıt yüzey metodolojisini (RSM) tahmin aracı olarak kullanarak optimize edildi. Daha sonra polikaprolaktonu (PCL) biyobozunma oranı ve hidrofilikliğini artırmak için polipropilen süksinat ile kopolimerize edildi ve antibakteriyel özellikleri indüklemek için gümüş nitrat eklendi ve son olarak ekstrüzyon tabanlı bir yazıcı kullanılarak 3 boyutlu yazdırıldı. Karmaşık yapıda hidrojel iskelelerinin 3D biyo-basım hazırlamak için, sırasıyla reolojik modifiye edici ve stabilizatör olarak Laponite RDS ve kalsiyum klorürün dahil edilmesiyle formüle edilen Pluronic PF127'ye dayalı bir kompozit destek banyosu sistemi kullanıldı. Destek banyosunun reolojik özellikleri, destek banyosu içine bir ekstrüzyon sistemi aracılığıyla karmaşık hidrojel yapılarının biyo-basım yapılmasını ve yüksek derecede geri kazanılabilirliğini kolaylaştıran tiksotropik davranış gösterdi. Ardından, deri eşlenik dokusu için hibrit MEW-hidrojel iskele yapısı üretildi. Bu bağlamda ilk olarak MEW ile üretilen iskelelerinin geometrisinin damarlanma için kordon benzeri yapı oluşumuna etkisi 0-90 ve 60-120 derece yönelimlere ve bal peteği şekline sahip farklı ağ iskeleleri kullanılarak araştırıldı. Üretilen PCL iskelelerinin içine hücre yüklü jelatin hidrojeller sızdırılarak hibrit yapı oluşturuldu ve sonuçlar, daha iyi mekanik ve in vitro özellikler için petek yapısının potansiyelini ortaya koydu. Son aşamada, yara iyileşmesi için işlevselleştirilmiş bir hibrit MEW-hidrojel iskelesi üretildi. PCL-biyoaktif camın işlevselleştirilmiş bir ağ yapısı, MEW aracılığıyla yaratıldı ve fibroblast ve vasküler endotel büyüme faktörlerini içeren bir jelatin hidrojel, ağlı yapı iskelesi içine dökülerek çapraz bağladı. Hibrit yapı iskeletlerinin in vivo implantasyonu, yara kapanması ve histolojik değerlendirmeye göre iyileşmiş parçaların hızlanması ve işlevselliği için umut verici sonuçlar gösterdi.
Özet (Çeviri)
Tissue engineering is an interdisciplinary field of research aiming at developing methods and technologies for regenerating damaged tissues. It relies on a combinatory platform of biomaterials with cells and bioactive molecules to resemble the human microenvironment to stimulate tissue constructs. Hence, numerous factors, including biochemical, biophysical, and mechanical aspects of the host tissue, have to be taken into account for developing a successful tissue replacement. Skin replacements caused by traumas, injuries, and burns are a burden to the healthcare system globally. The human body cannot fully regenerate the tissue with all the functionalities and features in severe wounds or skin loss. Poor mechanical properties, scarring, delayed cell and biomolecules infiltration, and non/poor vascularization are the main challenges yet to be addressed. Three-dimensional (3D) bioprinting, also known as additive manufacturing (AM), a layer-by-layer fabrication method, is regarded as a gold standard technique with the ability of controlled deposition of biomaterials in the desired geometry by using computer-aided design (CAD) models. Together with the development of biomaterials and architecture design, 3D bioprinting could ease the long and complicated journey towards functional tissue regeneration. In this context, the fabrication of small fibers mimicking natural extracellular matrix (ECM), selection of functional material with good mechanical and biochemical properties, the inclusion of bioactive molecules to enhance functionality, and printability are prerequisite factors of successful scaffold fabrication. In this work, novel hybrid 3D bioprinting approaches have been developed for functionalized structures, mainly for skin tissue engineering. Within this framework, we first optimized the effect of printing parameters on fiber diameter for Melt Electrospinning Writing (MEW), a special 3D printing process, using response surface methodology (RSM) as a predictive tool. Then we copolymerized polycaprolactone (PCL) with polypropylene succinate to improve its degradation rate and hydrophilicity and functionalized it with silver nitrate to induce antibacterial properties, and finally, it was 3Dprinted using an extrusion-based printer. For preparing hybrid 3D bioprinting, we used a composite support-bath system based on Pluronic PF127 was formulated with the inclusion of Laponite RDS and calcium chloride as rheological modifier and stabilizer, respectively. The rheological characterization of support-bath showed thixotropic behavior with a high degree of recoverability which facilitated bioprinting of complex hydrogel structures within the support-bath through an extrusion system. Then, we fabricated a polymer-hydrogel construction using MEW-casting for skin tissue substitute. In this context, we first investigated the geometrical effect of melt electrowritten scaffolds on cord-like structure formation for pre-vascularization. Mesh scaffolds with 0-90and 60-120 degree orientations and honeycomb shape were explored and cell-laden gelatin hydrogels were infiltrated inside those PCL scaffolds, and the results suggested the potential of honeycomb structure for better mechanical and invitro properties. In the final stage, a functionalized hybrid MEW-hydrogel scaffold for wound healing was fabricated. A functionalized mesh structure of PCL-bioactive glass was created via MEW, and a gelatin hydrogel comprising basic fibroblast and vascular endothelial growth factors was cast within the mesh scaffold. In vivo implantation of hybrid scaffolds showed promising results for accelerating and functionality of the healed parts according to wound closure and histological evaluation.
Benzer Tezler
- 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
2024
Bilim ve TeknolojiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHATTİN KOÇ
- 3D bioprinting of osteochondral inteface tissue
3B biyobasım ile osteokondral arayüz dokusu
EFSUN ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
BiyomühendislikSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHATTİN KOÇ
- 3D bioprinting of hybrid bone grafts with an inherent controlled delivery system
Kontrollü salım sistemi içeren hibrid kemik greftlerinin 3B biyobaskılamayla üretimi
MERİÇ GÖKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
BiyomühendislikAnkara ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. PINAR HURİ
- Rejeneratif ve rekonstrüktif tıp uygulamaları için deselülerize insan dermal hücre dışı matriksini içeren deri greftlerinin 3B baskı teknolojisi kullanılarak üretimi
Fabrication of skin grafts containing decellularized human dermal extracellular matrix using 3D printing technology for regenerative and reconstructive medicine applications
SULTAN GÖLPEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyolojiAnkara ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FADİME KIRAN
DOÇ. DR. BİLLUR SEZGİN KIZILOK
- Biyolojik uygulamalarda kullanılabilecek polimerik akıllı malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of smart polymeric materials for biological applications
ELİF YÜCE ERARSLAN
Doktora
Türkçe
2021
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN EMİK
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYÇA BAL ÖZTÜRK