Geri Dön

Design, fabrication and characterization of light-responsive functionalized hydrogel for tissue engineering applications

Doku mühendisliği uygulamaları için ışığa duyarlı fonksiyonelleştirilmiş hidrojelin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 771751
  2. Yazar: SYEDA RUBAB BATOOL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Kimya Mühendisliği, Bioengineering, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 154

Özet

Uyaranlara duyarlı hidrojeller, çeşitli fiziksel ve kimyasal uyaranlara yanıt olarak dikkat çekici ölçüde bir hacim geçişi gibi benzersiz özellikler nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu hidrojeller, dışardan gelen sinyaller sayesinde, malzeme özellikleri üzerinde önemli derecede ayrıcalıklı özelliklere sahip olmuştur. Hidrojel özellikleri üzerindeki hassas kontrol ve tıbbi cihazlardaki önemli ilerlemeler, doku mühendisliği uygulamaları için geliştirilmiş metodolojilerle sonuçlanmıştır. Bu tezde, doku mühendisliği uygulamaları için biyolojik olarak uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilen uyaranlara duyarlı hidrojeller geliştirmeyi amaçladık. Çalışma boyunca serbest radikal fotopolimerizasyon ve fotodimerizasyon reaksiyonları gibi farklı hidrojel üretim yöntemleri incelenmiştir. Tezin ilk bölümünde, polimerlerin ışığa duyarlı antrasen ile işlevselleştirildiği geleneksel hidrojel oluşturma yöntemini takip ettik. Glikan bazlı aljinat hidrojelleri, biyotıp için duyarlı davranış ve ayarlanabilir özelliklere sahip yeni araçlar yaratmada büyük potansiyele sahip olmuştur. Bununla birlikte, hidrojellerin özelliklerinin üzerindeki hassas kontrol ve ayarlanabilirlik, bu materyallerin klinik translasyonu için büyük engeller oluşturmaktadır. Terapötik moleküllerin seçici salınımı için pH'a duyarlı antrasen ile modifiye edilmiş glikan bazlı hidrojellerin sentezini bildirdik. Hidrojeller, vinil gruplarının eş zamanlı fotopolimerizasyonu ve antrasenin fotodimerizasyonu yoluyla çapraz bağlanmıştır. Bu jellere antrasenin dahil edilmesi, antrasen gruplarının dimerizasyonu/dedimerizasyonu yoluyla jel/sol durumları arasında çapraz bağlanma ve geçiş üzerinde tersine çevrilebilir kontrole yol açmaktadır. Kemoterapötik ilaç doksorubisin yüklü hidrojeller daha sonra ilacın %85'inin pH 2'de 6 gün boyunca antrasen-konjuge hidrojellerden salındığı bir kanser mikro-ortamının taklidi olan yerde test edildi. Antrasen katılımı ile jelleşme üzerindeki kontrol, modüldeki değişiklikler yoluyla gözlemlendi; burada depolama modülü, fotopolimerizasyon ve fotodimerizasyon sırasında antrasen konjugasyonu ile sırasıyla iki ve beş kat arttı. Ayrıca, hücre hayatta kalma analizi, antrasen konjugasyonunun, sağlıklı fibroblastlar üzerinde önemli toksisiteye neden olmadan kanser hücresi canlılığını seçici olarak tehlikeye atabileceğini ortaya koydu. Bu çalışma, antrasen ve aljinat ile pH ile tetiklenen terapötiklerin verilmesine bağlı çapraz bağ yoğunluğunun ışıkla indüklenen kontrolünü birleştirmektedir. Yaklaşım, yüksek hassasiyetle çoklu kontrolün gerekli olduğu sistemler için geçerli olacaktır. Ayrıca, toksik başlatıcıların yokluğunda tek ve çift çapraz bağlı antrasen-fonksiyonel kitosan bazlı hidrojellerin sentezini bildirdik. Tekli çapraz bağlama, antrasenin dimerizasyonu yoluyla elde edilirken, ikili çapraz bağlı hidrojel, iyi bilinen bir B2 vitamini olan toksik olmayan başlatıcı riboflavin varlığında antrasenin dimerizasyonu ve metakrilatlanmış-kitosan'ın serbest radikal fotopolimerizasyonu yoluyla oluşturulmuştur. Reolojik analizle belirlendiği gibi, hem tek hem de çift çapraz bağlı hidrojellerin elastik olduğu bulunmuştur. Çift çapraz bağlı hidrojellerin, tekli çapraz bağlı hidrojellerden daha yüksek Young modülü sergilediğini gözlemledik. Tekli ve çift çapraz bağlı hidrojellerin modülleriyle sırasıyla 9.2±1.0 kPa ve 26±2.8 kPa olarak ölçülmüştür. Bunun sonunda çift çapraz bağlı hidrojeldeki (2.2x107 µm3) hücre hacminin değeri, tek çapraz bağlı hidrojeldekinden daha fazla (4.9x106 µm3) olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, CellTiter-Glo tahlili yoluyla her iki hidrojelin 3T3-J2 fibroblast hücrelerine karşı sitotoksisitesini araştırdık. Son olarak, hidrojel modülünün hücre morfolojisi üzerindeki etkisini değerlendirmek için immünofloresan boyaması yapıldı. Bu çalışma, chitosanın antrasen ile işlevselleştirilmesini kapsamlı bir şekilde sunup, toksik olmayan başlatıcı riboflavin kullanarak antrasenin dimerizasyonu ve serbest radikal fotopolimerizasyonu yoluyla çapraz bağlanma derecesini modüle etmektedir. Ayrıca hidrojel özelliklerindeki değişiklikler yoluyla hücre davranışını da etkilemektedir. Tezin ikinci bölümünde yeni bir teknik tanıtılmış ve herhangi bir foto başlatıcı veya yardımcı başlatıcı olmadan doğal ve sentetik polimerlerden foto çapraz bağlı hidrojeller sentezlenmiştir. Serbest radikal polimerizasyon yoluyla biyouyumlu ve toksik olmayan hidrojellerin sentezlenmesi için çok basit ve kolay bir yöntem geliştirilmiştir. Geliştirilen prosedürün potansiyeli hem doğal hem de sentetik polimerlere karşı gösterilmiştir. Bunun için akrilatlı aljinat, kitosan, jelatin, hyaluronik asit ve polietilen glikol (PEG) formları kullanılmış ve reolojik analizle belirlendiği üzere UV (365 nm) ve görünür (430 nm) ışık altında mekanik olarak sağlam hidrojeller geliştirilmiştir. Ayrıca UV ışığı çapraz bağlı hidrojellerin daha yüksek çapraz bağlanma sergilediğini ve görünür ışıkla çapraz bağlı hidrojellere kıyasla yüksek Young modülü gösterdiğini gözlemledik. Hücre canlılığı analizi, geliştirilen hidrojellerin fibroblast hücrelerine karşı toksik olmadığını göstermektedir. Bu hidrojellerin biyomedikal potansiyeli, NIH-3T3 fibroblast hücrelerinin ve kemik iliği kaynaklı mezenkimal kök hücrelerin (rBM-MSC'ler) hyaluronik asit (HA) bazlı hidrojel içinde kapsüllendiği iki model hücre hattının kapsüllenmesiyle daha da araştırılmıştır. Hücrelerin artan büyüme hızı, çapraz bağlama prosedürünün hücreler için toksik olmadığını göstermektedir. Bu çalışmanın kapsamı, terapötiklerin sürekli salımı için daha da genişletildi. DOX, HA bazlı hidrojele başarıyla yüklendi. Görünür ışık bazlı çapraz bağlı hidrojelde UV bazlı hidrojele kıyasla açık gözenekli yapısı nedeniyle maksimum yükleme %97 olarak gözlendi ve hızlandırılmış bir salım hızı görüldü. Bu tür başlatıcı içermeyen hidrojel için başka bir potansiyel uygulama, tezin bu bölümünde de incelenen vaskülarizasyon olabilir. Gelişmiş damar mühendisliği, fonksiyonel ve klinik olarak ilgili doku yapılarının geliştirilmesinde önemli bir adımdır. Anjiyogenez için in vitro modeller yapmak için çeşitli hidrojel bazlı kültür sistemleri kullanılır. Burada, fonksiyonel vasküler ağların tübüler oluşumu için UV (365 nm) ve görünür ışık (430 nm) altında başlatıcı içermeyen foto çapraz bağlı jelatin bazlı hidrojeller geliştirdik. Ayrıntılı reolojik analiz, Gel-MA hidrojellerinin doğada sağlam ve viskoelastik olduğunu ortaya çıkarmıştır. Maruz kalan ışığın türüne bağlı olarak Gel-MA hidrojelin mekanik özelliklerini ayarladık. Bu sayede sert ve yumuşak Gel-MA hidrojelleri elde ettik. Hidrojel modülünün hücre şekli ve tübüler oluşum üzerindeki etkisini izlemek için immünofloresan etiketleme kullanılmıştır. Sert hidrojel ile karşılaştırıldığında yumuşak Gel-MA hidrojelinde daha yüksek tübüler oluşum bulduk. Ayrıca, büyüme faktörlerinin varlığında ve yokluğunda tübüler oluşumunu da araştırdık ve beklenildiği gibi büyüme faktörlerinin varlığında tübüler oluşumun çok daha yüksek olduğunu bulduk. Geliştirilen hidrojelin sitotoksisitesi, CellTiter-Glo testi kullanılarak HUVEC'lere karşı değerlendirilip toksik olmadığı bulunmuştur.

Özet (Çeviri)

Stimuli-responsive hydrogels have gained immense consideration due to the unique properties such as spectacular volume transition in response to a variety of physical and chemical stimuli. These hydrogels have been particularly effective, considering exceptional degree of authority over material properties because of external signals. The precise control over the hydrogel properties resulted in significant advancements in medical devices and improved methodologies for tissue engineering applications. In this thesis, we aimed to develop biocompatible and biodegradable stimuli-responsive hydrogels for tissue engineering applications. Different methods of hydrogel fabrication were studied throughout the study such as free radical photopolymerization and photodimerization reactions. In the first part of the thesis, we pursued the conventional method of hydrogel formation where polymers were functionalized with light-sensitive anthracene. Glycan-based alginate hydrogels have great potential in creating new vehicles with responsive behavior and tunable properties for biomedicine. However, precise control and tunability in properties present major barriers for clinical translation of these materials. We reported the synthesis of pH responsive anthracene modified glycan-based hydrogels for selective release of therapeutic molecules. Hydrogels were crosslinked through simultaneous photopolymerization of vinyl groups and photodimerization of anthracene. Incorporation of anthracene into these gels lead to reversible control on crosslinking and transition between gel/sol states through dimerization/dedimerization of anthracene groups. Chemotherapeutic drug doxorubicin-loaded hydrogels were then tested in a cancer mimetic microenvironment where 85% of the drug was released from anthracene-conjugated hydrogels at pH 2 for 6 days. Control on gelation with anthracene incorporation was observed through alterations in modulus, where storage modulus was increased two- and five-fold with anthracene conjugation during photopolymerization and photodimerization, respectively. Furthermore, cell survival analysis revealed that anthracene conjugation could selectively compromise cancer cell viability without inducing significant toxicity on healthy fibroblasts. This study combines light-induced control of crosslink density due to the anthracene and pH-triggered therapeutics delivery with alginate. The approach would be applicable for systems where multiple control is required with high precision. Further, we reported the synthesis of single and dual-crosslinked anthracene-functional chitosan-based hydrogels in the absence of toxic initiators. Single crosslinking was achieved through dimerization of anthracene, whereas dual-crosslinked hydrogel was formed through dimerization of anthracene and free radical photopolymerization of methacrylated-chitosan in the presence of non-toxic initiator riboflavin, a well-known vitamin B2. Both single and dual-crosslinked hydrogels were found to be elastic, as was determined through rheological analysis. We observed that the dual-crosslinked hydrogels exhibited higher Youngs modulus than the single-crosslinked hydrogels, where the modulus for single and dual-crosslinked hydrogels were measured as 9.2±1.0 kPa and 26±2.8 kPa, respectively resulting in significantly high volume of cells in dual-crosslinked hydrogel (2.2x107 µm3) compared to single-crosslinked (4.9x106 µm3). Furthermore, we investigated the cytotoxicity of both hydrogels towards 3T3-J2 fibroblast cells through CellTiter-Glo assay. Finally, immunofluorescence staining was carried out to evaluate the impact of hydrogel modulus on cell morphology. This study comprehensively presents functionalization of chitosan with anthracene, uses nontoxic initiator riboflavin, modulates the degree of crosslinking through dimerization of anthracene and free radical photopolymerization, and further modulates cell behavior through the alterations of hydrogel properties. In the second part of the thesis, a novel technique was introduced and photocrosslinked hydrogels were synthesized from natural and synthetic polymers in the absence of any photoinitiator or coinitiator. Very simple and facile method was developed to synthesize biocompatible and non-toxic hydrogels through free-radical polymerization. The potential of the developed procedure is shown against natural and synthetic polymers both. For this, acrylated forms of alginate, chitosan, gelatin, hyaluronic acid, and polyethylene glycol (PEG) were used and mechanically robust hydrogels were developed under UV (365 nm) and visible (430 nm) light as determined through rheological analysis. We also observed that the UV light-crosslinked hydrogels exhibited higher crosslinking and showed high Youngs modulus as compared to visible light-crosslinked hydrogels. Cell viability analysis shows that the developed hydrogels are non-toxic towards fibroblast cells. The biomedical potential of these hydrogels was further explored by encapsulating the two model cell lines where NIH-3T3 fibroblast cells and bone-marrow derived mesenchymal stem cells (rBM-MSCs) were encapsulated in the hyaluronic acid (HA)-based hydrogel. The enhanced growth rate of the cells shows that the crosslinking procedure is non-toxic to the cells. Scope of this study was further expanded to sustained release of therapeutics. DOX was successfully loaded into HA-based hydrogel. The maximum loading was observed as 97% and an accelerated release rate was seen in visible light-based crosslinked hydrogel due to the open pore structure compared to the UV-based hydrogel. Another potential application for such initiator-free hydrogel might be the vascularization which was also explored in this part of the thesis. Engineering of organized vasculature is a key step in the improvement of functional and clinically relevant tissue constructs. Various hydrogel-based culture systems are used to make in vitro models for angiogenesis. Here, we developed initiator-free photocrosslinked gelatin-based hydrogels under UV (365 nm) and visible light (430 nm) for the tubular formation of functional vascular networks. Detailed rheological analysis revealed that Gel-MA hydrogels were robust and viscoelastic in nature. We tuned the mechanical properties of Gel-MA hydrogel depending on the type of exposed light. By this way, we obtained stiff and soft Gel-MA hydrogels. Immunofluorescence labeling was used to track the impact of hydrogel modulus over the cell shape and tubular formation. We found higher tubular formation in soft Gel-MA hydrogel compared to the stiff hydrogel. Further, we also investigated the tubular formation in the presence and absence of growth factors and found that tubular formation was much higher in the presence of growth factors as expected. The cytotoxicity of the developed hydrogel was evaluated towards HUVECs by using the CellTiter-Glo assay and found to be non-toxic.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    894782

    Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi

    Development of nanocomposite material for artificial muscle applications

    AYŞE KÜBRA AYDINALEV

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN

  2. Tez No

    439401

    Işığa duyarlı organik alan etkili transistörlerin (fotoofet) yapımı ve karakterizasyonu

    Fabrication and characterization of photo-sensitive field effect transistors(photoofet)

    ZÜHAL ALPASLAN KÖSEMEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YERLİ

  3. Tez No

    335616

    ZnO based photo-thin-film-transistors with actively tunable photoresponse in the visible spectrum

    Görünür ışığa tepkisi aktif olarak ayarlanabilen ZnO bazlı foto-ince-film- transistörler

    LEVENT ERDAL AYGÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY

  4. Tez No

    350440

    Design, fabrication and characterization of subwavelength-scale distance sensors based on optical directional coupling

    Optik yönlü bağlaşım temelli dalgaboyu-altı mesafe ölçüm sensörlerinin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu

    SHAHAB BAKHTIARI GORAJOOBI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN

  5. Tez No

    246731

    Design, fabrication and characterization of surface plasmon resonance based MEMS displacement sensors

    Yüzey plazmon rezonansına dayalı MEMS yerdeğiştirme algılayıcılarının tasarım, üretim ve karakterizasyonu

    HASAN GÜNER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ÇIRACI

    YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA

Geri Dön