Geri Dön

Optical characterization of collagen in solution by using double integrating sphere system

Çift toplayıcı küre sistemi kullanılarak çözeltideki kolajenin optik nitelendirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 700260
  2. Yazar: ZEYNEP İREM ÖZCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ, PROF. DR. MURAT GÜLSOY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 73

Özet

Optik sistemler ve teknikler fizikte, biyolojide, tıpta tanı, tedavi yaklaşımı olarak ve ayrıca dokuların optik özelliklerinin nitelendirilmesi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde ışık temelli tedaviler ve uygulamalar, kanser ve kanser benzeri hastalıkları ortadan kaldırmak için çok önemli uygulamalardır. Laser ile uygulama yapılırken dokulara zarar vermemek çok önemlidir ve laserden sadece ilgili bölge etkilenmelidir. Işık etkilerini optimize etmek için optik nitelendirme çalışmaları yapılmalı ve bu alandaki literatür geliştirilmelidir. Laser uygulamalarında, termal etkiler dokuların optik özelliklerinde değişikliklere neden olabileceği gibi laser uygulamasının başarısını da etkileyebileceğinden, termal hasar da dikkate alınmalıdır. Bu nedenle laser uygulaması sırasındaki sıcaklık değişimleri dikkate alınarak dokuların optik özellikleri değerlendirilmelidir. Optik özellikler denildiğinde temel olarak yansıma, geçirgenlik, soğurma ve indirgenmiş saçılma katsayıları akla gelmektedir. Yansıma, bir ortamdan yansıyan ışık yoğunluğunun ortama gelen ışık yoğunluğuna oranıdır. Geçirgenlik, bir ortamdan diğerine iletilen ışık yoğunluğunun ortama gelen ışık yoğunluğuna oranıdır. Soğurma, ışık-doku uygulamaları için çok önemli bir parametredir ve bir doku veya ortamdan geçerken ışık yoğunluğunun azalması olarak tanımlanır. Saçılma, elektromanyetik dalga yayılımının orijinal yönden bir veya daha fazla farklı yöne sapmasıdır. Saçılma katsayısı, mesafe başına saçılan fotonların oranı olarak tanımlanır. Optik özelliklerin belirlenmesi için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemler temel olarak Işınımsal Taşıma Denklemi'nin (RTE) yaklaşık analitik çözümleri ve sayısal çözümlerine dayanmaktadır. Denklemin sayısal çözümlerine yinelemeli teknikler de denir. Bu çalışmada optik özelliklerin belirlenmesinde yinelemeli tekniklerden olan çift toplayıcı küre sistemi kullanılmıştır. Bu teknikte doku ve numunelerin yansıma ve geçirgenlik değerleri ölçülür. Kürelerin iç duvarları (içi boş) yansıtma değeri yüksek malzemelerle kaplanmıştır. Numune iki küre arasına yerleştirilir. Işığın geçtiği birinci küre yansıma, ikinci küre ise geçirgenlik değerlerini bulmak için kullanılır. Işık ilk toplayıcı küreye ulaştığında, kürenin duvarlarından yansımaya başlar, dedektörler aynı anda ışık yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak yansıma ve geçirgenlik değerlerini ölçer. Ters ekleme-katlama (IAD) yöntemi, Scott Prahl ve diğerleri tarafından yansıma ve geçirgenlik ölçümlerinden dokuların veya ortamların absorpsiyon ve saçılma özelliklerini tahmin etmek için geliştirilmiştir.“Ters”, optik özelliklerden yansıma ve geçirgenliği hesaplama sürecinin tersine çevrilmesi anlamına gelir;“Toplama-katlama”, ışınımsal taşınım denklemini çözmek için kullanılan yöntemi ifade eder. Bu yinelemeli yöntemde, çeşitli optik özellikler tahmin edilir, yansıma ve geçirgenlik değerleri hesaplanır. Bu değerler ölçülen değerlerle karşılaştırılır. Değerler eşleşirlerse, bir numunenin optik özellikleri (soğurma, indirgenmiş saçılma katsayısı vb.) bulunur. Bu çalışmada optik özelliklerin değerlendirilmesinde çift toplayıcı küre sistemi ve ters ekleme-katlama yöntemi kullanılmıştır. Doğada kolajen, farklı hayvan kaynaklarında bulunan en yaygın protein türüdür. Vücuttaki birçok dokuya yapısal destek sağlar. Yirmiden fazla tip olmasına rağmen, tip I, II ve III tek başına insan vücudundaki tüm kolajenin %80-90'ını oluşturur. Tip I deri, kemik, tendon, dentin ve bağ gibi yapılarda en sık görülen tiptir. Tüm kolajen türleri, üçlü sarmal yapı oluşturan polipeptit zincirlerinden oluşsa da, küçük bölümlerde farklılık gösterdikleri için farklı üç boyutlu şekillere katlanmalarına neden olabilir. Bu yapılar hidrojen bağları ve polipeptit çapraz bağları ile korunur. Denatürasyon sıcaklığında, molekülleri birbirine bağlayan bu hidrojen bağları ve polipeptit zincirleri koparak üçlü sarmalın açılmasına neden olur. Sonuç olarak, kolajen jelatin adı verilen homojen olmayan bir proteine dönüşür. Denatürasyon sıcaklığı dokudan dokuya değişir. Çok sayıda çalışma, kolajen veya kolajenden zengin dokuların sıcaklığa bağlı denatürasyon özelliklerini tanımlamaya odaklanmıştır. Kolajen denatürasyonunu inceleyen çalışmalar daha çok kolajenin yapısal değişikliklerini gözlemlemeye yönelik görüntüleme yöntemleri kullanmıştır. Denatürasyon sürecinin kolajenin optik özelliklerindeki değişimlerine odaklanan çalışma sayısı kısıtlıdır. Denatürasyon sürecinin optik açıdan değerlendirilmesi, laser kullanılan uygulamalarda (a) sıcaklık derecesi, (b) ısıya maruz kalma süresi, (c) kolajen içerikli doku mühendisliği ürünleri üretilirken ısıl işlemlerin ayarlanması ve (d) uygulanan laserin güç, dalgaboyu ve uygulama süresi gibi özelliklerin belirlenmesinde rehberlik eder. Cilt gibi kolajen bakımından zengin dokulara biyomedikal laser uygulamaları yapılırken, kolajenin optik özelliklerinin uygulamadan önce ve uygulama sırasında nasıl değiştiğinin bilinmesi başarılı sonuçların alınabilmesi için önemlidir. Bu çalışmanın birincil amacı, 532 nm ve 635 nm'de laserler kullanarak (a) farklı konsantrasyonlarda ve (b) farklı sıcaklıklarda kolajen çözeltilerinin optik özelliklerindeki değişiklikleri gözlemlemekti. İkincil amaç, optik özellikleri değerlendirirken kolajen tendonları çözmek için kullanılan asetik asit çözeltisinin optimal konsantrasyonunu belirlemekti. Bu tez çalışmasında kolajenin asidik çözeltilerdeki optik özellikleri (yansıma, geçirgenlik, soğurma ve indirgenmiş saçılma katsayıları), sıcaklık değişimi ile karakterize edilmiştir. Ayrıca 4 farklı konsantrasyonda asidik çözelti kullanılarak bu özelliklerin konsantrasyon bağımlılığı gösterilmiştir. Çift toplayıcı küreli optik sistem kullanılarak sıcaklığa bağlı optik özelliklerin değerlendirilmesine yönelik çalışmalar için üç grup olduğu söylenebilir. Birinci grup, özel yapım numune tutucuya sıcak su pompalayan su banyolu numune tutucu tasarımını içerir. Bu tasarımlarla ilgili sınırlamalar, (a) sıcaklık değişiminin hızlı yapılamaması ve (b) sistemin su kontrollü kısım içermesi nedeniyle optik bir sistemin yanında elverişsiz olmasıdır. İkinci grup sıcaklık kontrollü kutular içerir. Kapalı bir kutuda optik sistem kurmak zordur, bu zorluğun yanı sıra dedektörler ve küreler numunelerle birlikte ısıtılmak zorundadır. Bu ısı dedektörlerde gürültünün artmasına neden olabilir ve kaplama malzemesinin sıcaklık hassasiyeti ölçümlerde bazı problemlere neden olabilir. Son grup ise, optik sistem tasarımlarında ısıtıcı plakaların kullanımını içerir. Bununla birlikte, ısıtıcı plakaların boyut kısıtlamaları vardır, çünkü sinyal kaybı yaşanmaması amacıyla iki toplayıcı küre arasında için numune koymak için çok az boşluk kalmalıdır. Dolayısıyla bu tasarımın da toplayıcı kürelerle kullanımı zordur. Bu çalışmada kullanılan Peltier ısıtıcı ile tasarlanan numune tutucuda hareketli parça ve sıvı bulunmamaktadır. Bu numune tutucu ayrıca hızlı sıcaklık değişimi sağlar. Sıcaklık değişiminin kolajenin optik özellikleri üzerindeki etkisini gözlemlemek için, bir ısıtma-soğutma mekanizmalı numune tutucu aparat ve Arduino kontrollü sıcaklık kontrol ünitesi ile çift-toplayıcı-küreli optik sistem kullanıldı. Sıcaklık değişimi Arduino programının 'Serial Port' ekranından gerçek zamanlı olarak izlendi. Öncelikle sıcaklığa bağlı olarak, PicoScope isimli PC osiloskop cihazının yazılımı aracılığıyla kolajen çözeltisinin yansıma ve geçirgenlik değerleri bulundu. Ardından bulunan değerler tezin giriş bölümünde anlatıldığı şekilde normalize edildi. IAD yöntemi kullanılarak, soğurma ve indirgenmiş saçılma katsayıları hesaplandı. Sonuçlar, yansıma değerlerinin sıcaklıkla negatif korelasyona sahip olduğunu ve daha yüksek asit konsantrasyonlarındaki yansımanın daha düşük korelasyon sergilediğini gösterdi. Yansıma değerlerinin aksine, geçirgenlik değerlerinin sıcaklıkla pozitif korelasyona sahip olduğunu ve daha yüksek asit konsantrasyonundaki geçirgenlik değerlerinin daha düşük korelasyon gösterdi. Ayrıca, indirgenmiş saçılma katsayılarının sıcaklıkla negatif korelasyona sahip olduğu ve soğurma katsayılarının sıcaklıkla pozitif korelasyona sahip olduğu, ancak asidik çözeltilerin farklı konsantrasyonları için önemli bir değişiklik olmadığı bulundu. Sıcaklık değişiminin ışık yayılımı üzerindeki etkisini gözlemlemek için, daha önce elde edilen soğurma ve indirgenmiş saçılma katsayıları kullanılarak bir Monte Carlo simülasyonu yapıldı. Işık akışında değişimler gözlemlendi ve sıcaklığa bağlı olarak örneğin optik özelliklerindeki değişimlerin ışığın örnek içindeki akış ve yayılımını değiştirebileceğini gösterildi. Sonuç olarak, optik özellikler sıcaklıkla değişebilir ve daha güvenli biyomedikal laser uygulamaları için bu değişiklikler göz ardı edilmemelidir.

Özet (Çeviri)

Optical systems and techniques are widely used in physics, biology and medicine as a diagnostic and therapeutic approach, as well as for characterizing optical properties of tissues. Today, light-based treatments and applications are very important applications to eliminate cancer and cancer-like diseases. It is very important not to damage the tissues while applying laser, and only interested area should be affected by the laser. Optical characterization studies should be conducted to optimize light effects and the literature in this field should be developed. Collagen is the most abundant type of protein in mammals. For biomedical laser applications on tissues such as skin which is collagen-rich, it is important to know the optical properties of collagen before the application and to know how they change during the application in order to obtain successful results. Optical properties of collagen in acidic solutions with different concentrations were estimated using inverse adding-doubling (IAD) method. Double integrating sphere system with a special sample heating apparatus and temperature control unit for screening the temperature were used to observe the effect of temperature change on optical properties of collagen. Temperature dependent optical properties of collagen solutions and concentration dependency of these optical properties were investigated in this study. The results showed that reflectance values were negatively correlated with temperature, and reflectance at higher acid concentrations showed lower correlation. Contrary to the reflectance values, the transmittance values were positively correlated with temperature, and the transmittance values at higher acid concentration showed a lower correlation. It was also found that the reduced scattering coefficients were negatively correlated with temperature and the absorption coefficients were positively correlated with temperature, but there was no significant change for different concentrations of acidic solutions. By using Monte Carlo simulation, the effect of optical property changes on light propagation through samples was demonstrated. Consequently, optical properties may vary with temperature and these variations should not be ignored for safer biomedical laser applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    660564

    Optical characterization of collagen denaturation via mueller matrix polarimetry and upright microscopy

    Kollajen denatürasyonunun mueller matris polarimetri sistemi ve mikroskop yoluyla optik nitelendirilmesi

    İREM DENİZ DERMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyofizikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ

    DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU

  2. Tez No

    529420

    Allantoin yüklü kitozan/kollajen skafoldların hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of allantoin loaded chitosan/collagen scaffolds

    GİZEM KARACA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Eczacılık ve FarmakolojiMarmara Üniversitesi

    Farmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKÇEN YAŞAYAN

  3. Tez No

    654722

    Biyomimetik yöntem ile hidroksiapatit sentezi ve uygulamaları

    Hydroxyapatite synthesis by biomimetic method and applications

    SERBÜLENT TÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    KimyaSakarya Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT ÖZACAR

    PROF. DR. CUMA BİNDAL

  4. Tez No

    353787

    Elektroüretimle nanolif eldesine etki eden faktörlerin ve jelatin-pektin içeren nanoliflerin model gıdaların reolojik özelliklerine etkilerinin incelenmesi

    Investigations on affecting parameters of electrospinning and rheological properties of model food systems containing electrospun gelatin-pectin nanofibers

    ALPARSLAN KUMRU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FİLİZ ALTAY

  5. Tez No

    874971

    Ekstrakte edilen doğal atıklardan biyoink hazırlanması ve mueller polarimetri yardımıyla karakterizasyonu

    Preparation of bioink from extracted natural wastes and characterization by muller polymimetry

    ABDULBAKİ BELET

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Biyomühendislikİstanbul Medeniyet Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT KAZANCİ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER POLAT

Geri Dön