Piezomimetic ceramic production for bone biomaterial development
Kemik biyomalzemeleri geliştirme amaçlı piezomimetik seramik üretimi
- Tez No: 841507
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Bioengineering, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Kemik; organik proteinler, inorganik kristal moleküller, iyonlar ve hücreler dahil olmak üzere çeşitli bileşenlerden oluşan kompozit bir dokudur. Bu kompozit yapı, kemik özelliklerinin daha ayrıntılı olarak anlaşılması ve çeşitli alanlarda kullanılmak üzere kemik benzeri biyomalzemelerin geliştirilmesi için çalışılmaktadır. Kemiğin karmaşık yapısı nedeniyle, biyomalzemelerde kemiğin tüm özelliklerini taklit etmek zordur. Kemiğin doğasını anlamak için bu karmaşık yapıyı taklit etmek önemlidir. Kemik biyomalzemeleri, in-vivo implant olarak veya in-vitro doku geliştirilme amacıyla kullanılabilir. Bu amaçla farklı türde malzemeler, örneğin polimerler, seramikler, metaller ve biyolojik moleküller kullanılmaktadır. Bu malzemeler, kemiğin fiziksel ve / veya kimyasal yapısını taklit eden ve kullanıldığı bölgede katı bir destek sağlayan malzemelerdir. Kemiğin yapısal özelliklerinin yanı sıra, kemik hücrelerinin tutunması, büyümesi ve farklılaşması için kemiğin yüzey özelliklerinin de önemli olduğu literatürde belirtilmiştir. Bu durum, kemik topografisini taklit eden materyaller için alan açmıştır. Bazı çalışmalar, fiziksel veya kimyasal yöntemlerle düzensiz yüzey yapısı oluşturmaya odaklanırken, bazı çalışmalar da, kemik yüzeyinin polimerler gibi belirli malzemelere doğrudan geçirilmesi üzerine odaklanmıştır. Kemik, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin yanı sıra oldukça önemli olan elektriksel özelliklere de sahiptir. Mekanik stres altında elektrik akımları ve elektrik alanları üretir. Bu özelliği ile kemik, piezoelektrik malzeme özelliği sergiler. Kemikte gözlemlenen bu piezoelektrik etki, kollajen molekülleri tarafından üretilir ve kemik yapım ve yıkım metabolizmaları üzerinde önemli etkilere sahiptir. Kalsiyum, bakır gibi yüklü iyonlar, hücreler arası sıvılar, aktin filamentler gibi hücre iskeleti proteinleri, voltaj bağımlı kapılar ve büyüme faktörleri gibi elektrik yüklü makromoleküller, kemikte oluşan elektrik alanlardan etkilenir ve kemik iyileşmesine katkıda bulunurlar. Bu sebeple kemiğin elektriksel özelliklerini taklit ederek daha etkili kemik biyomalzemeleri geliştirmek mümkün olmaktadır. Malzeme bilimindeki ilerlemelerle birlikte, kemiğin elektriksel özelliğini taklit etmek amacıyla biyouyumlu piezoelektrik malzemeler geliştirilmektedir. Piezoelektrik malzemeler, dışarıdan uygulanan mekanik etkiler sonucunda elektrik akımları ve elektrik alanlar üretebilir. Bu bilgiler ışığında, kemik doku mühendisliğinde hem topografik hem de piezoelektrik özelliklerin önemli olduğu açıkça görülmektedir. Bu tezde, bahsedilen özellikler bir araya getirilerek yeni bir malzeme türü geliştirilmiştir. İlk olarak, kemik yüzeyi topografyasını sert metal yüzeye aktarmak için yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bu metaller, ana kalıp olarak kullanılarak, kemik yüzeyini taklit eden ve piezoelektrik özelliklere sahip seramik malzemeler üretilmek için kullanılmıştır. Kemik yüzey taklidine sahip malzeme üretiminde, kemik şablonları olarak kortikal kemikler kullanılmıştır. Kemiklerin yüzey sertliğini korumak amacıyla çapraz bağlayıcı olarak di-sodyum tetraborat (boraks) kullanan bir yöntem geliştirilmiştir. Böylece kemikler, yüzey yapısında bir hasar oluşturulmadan hücresizleştirilmiştir. Ek olarak, kemiklerin daha etkili bir şekilde temizlenmesi için çalışmada yeni bir yöntem olarak ani vakum değişimini temel alan vakum açma kapama tekniği kullanılmıştır. Bu teknik ile, kullanılan temizleyici özellikli çözeltinin kemiğin iç kısımlarına da nüfuz etmesi sağlanmıştır. Elde edilen kemik yapılarından kemik yüzey topografisini taklit eden metal yüzeyler üretmek için, kayıp mum tekniği kullanılmıştır. Bu teknik, birden çok yüzey transfer aşaması içermektedir. Kemik yüzeyi, metallerin döküm sıcaklığı gibi bir yüksek sıcaklığa maruz kaldığında bozulmaktadır. Bu sebeple kemik yüzey topografisini, düşük sıcaklıklarda kalıp olarak kullanılabilecek bir malzemeye geçirmek önemlidir. Hücresizleştirilmiş pozitif kemik yüzeyleri, kayıp mum tekniği kullanılarak, basınç ve düşük sıcaklık altında silikon kauçuk malzemelere hassas bir şekilde geçirilmiştir. Bu kauçuk malzemeler, kemik yüzey yapısını özel mum malzemelere aktarmak için kalıp olarak kullanılmıştır. Pozitif kemik yüzeylerini içeren mum malzemeler, dikey şekilde konumlandırılan bir mum çubuğa dizilerek mum ağacı oluşturulmuş, üzerine alçı dökülmüştür. Daha sonra alçının fırında ısıtılması ile, kemik yüzeyini içeren mum malzemelerin eritilmesi sağlanmıştır. Böylece kemik topografyasının negatif bir kopyası alçı malzemede oluşturulmuştur. Son adımda, negatif kemik topografisini içeren alçı içerisine vakum altında eritilmiş pirinç metal dökümü yapılmıştır. Böylece, pozitif kemik topografisi, metale geçirilmiştir. Üretilen bu metal kalıplar ana kalıp olarak kullanılmıştır. Teknikte kullanılan bileşenler değiştirilerek kemik yüzey yapısına sahip polimerik ya da metal malzemelerin üretilmesi de sağlanabilmektedir. Çalışmada, potasyum sodyum niobat (KNN), piezoelektrik özellikli seramik biyomalzeme olarak seçilmiş. Kemik yüzey yapısının seramik malzemeye yüksek verimlilikle geçirilmesi için KNN seramik üretiminde kullanılan tozlar bilyalı öğütücü kullanılarak mikron boyutuna indirilmiş. Üretilen metal ana kalıplar kullanılarak, hidrolik pres ile sıkıştırma aşamasında metallerin yüzey yapısı öğütülmüş KNN seramik tozuna geçirilmiş ve yeşil gövdeler (sinterlemeye hazır kalıp) oluşturulmuştur. Yeşil gövdeler, bütün ve sağlam seramik malzemeler oluşturmak için sıcaklık kontrollü koşullar altında sinterlenmiştir. Sinterlenmiş seramiklere piezoelektrik özellikleri güçlü bir elektrik alan altında kazandırılmıştır. Sonuçların analizinde stereo ışık mikroskobu, AFM (atomik kuvvet mikroskobu) ve SEM (taramalı elektron mikroskobu), XRD (X-Ray kırınım) analizi, elektriksel yük sayma ve mekanik sıkıştırma testleri kullanılmıştır. AFM, SEM ve stereo ışık mikroskobu ile üretilen metal ana kalıp ve seramik malzemelerin yüzey topografi görüntülemeleri yapılmıştı. XRD yöntemi ile üretilen seramik malzemelerin kristal yapısı gösterilmiştir. Bu çalışma için tasarlanan sistem ile mekanik stres altında malzemenin yük üretimi ölçülmüştür. Bu analizler sonucunda, kemik yüzey topografyasına sahip piezoelektrik özellikli KNN seramiklerinin başarılı bir şekilde üretildiğini göstermiştir. Topografik ve piezoelektrik özellikler birleştirerek, bu tür malzemeler için yeni bir terim olan“piezotopografi”terimi önerilmiştir.“Piezotopografi”, piezoelektrik özelliklere sahip işlevsel topografik yapıyı ifade eder.“Piezotopografik malzeme”, hem işlevsel yüzey yapılarına hem de piezoelektrik özelliklere sahip malzemeleri ifade eder. Taklit yüzey ve piezoelektrik özellikleri birleştirerek yeni bir terim olan“piezomimetik”terimi önerilmiştir.“Piezomimetik malzeme”, piezoelektrik özelliklere sahip işlevsel taklit yüzeyi bulunan malzemeleri ifade eder. Özetle, hem kemik yüzey yapısını içeren hem de kemiğin piezoelektrik özellikliğini taklit eden seramik malzemeler üretmek için yeni bir yöntem geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Bone is a composite tissue that contains various materials, including proteins, crystalline molecules, ions and cells. This complex structure is under study to gain a better understanding of bone properties, especially for the development of bone-like biomaterials that can be used for various purposes. The composite nature of the bone makes it difficult to mimic all of its properties in bone biomaterials. Bone biomaterials can be used as in-vivo implants or for in-vitro tissue development. Various types of materials, such as polymers, ceramics, metals and biological molecules, are used for these purposes. In addition to the structural properties of bone, it has been observed that the surface characteristics of the bone play a crucial role in the growth and differentiation of certain bone cells. This has opened the area for bone topography mimicking materials. Some studies focus on formation of irregular surfaces through physical or chemical methods, while some other studies focus on direct imprinting of the bone surface topography onto certain materials like polymers. In addition to its physical and chemical properties, bone also has electrical properties, which has significant importance. Bone generates electrical currents and electric fields under mechanical stress. In terms of this property, bone shows the nature of a piezoelectric material. The piezoelectric effect observed in bone is produced by collagen molecules and has very important effects on the metabolism of bone growth. Charged ions, such as calcium, intercellular fluids, cytoskeleton proteins, voltage-dependent channels and macromolecules with electrical charges such as growth factors, all contribute to bone healing as they are influenced by the electrical fields generated in the bone. By mimicking the electrical properties of bone, it is possible to develop more effective bone biomaterials. With advancements in material science, biocompatible piezoelectric materials have been developed to mimic the electrical properties of bone. These piezoelectric materials can produce electrical currents and fields to in response to externally applied mechanical forces. In the light of this information, it is clear that both topography and piezoelectricity play a crucial role in bone tissue engineering. In this thesis, these properties were combined to develop new types of materials. First, a novel method was developed to transfer the topography of bone surfaces onto hard metal surfaces. Using these metals with surfaces as master molds, ceramics were produced to have both bone surface mimicking characteristics and piezoelectric properties. Cortical bones were used as bone templates for the bone mimicking materials production. Bones were decellularized with a developed method utilizing di-sodium tetraborate as a cross-linker, to preserve surface hardness of the bones. To produce bone mimicking metal surfaces, the positive bone surfaces were molded in silicone rubber under pressure and heat. These rubber molds were used for transferring bone surface structure to special wax. The molded wax materials were then used to create a negative copy of bone topography in plaster molds by using heated furnace. In the last step, the plasters were filled with brass metal under vacuum to imprint the negative bone topography onto metal as positive structures. After this step, the metal molds were used as master molds in a hydraulic press for transferring the surface topography of metals onto ball milled KNN (potassium sodium niobate) ceramic powder to form green bodies. The green bodies were sintered under temperature controlled conditions to produce intact ceramic materials. The piezoelectric properties of sintered ceramics were gained under a strong electric field. Stereo light microscopy, AFM (atomic force microscopy), SEM (scanning electron microscopy), XRD (X-Ray diffraction) analysis, charge counting and compression tests were used to analyze the results. The analysis has demonstrated the successful production of piezoelectric KNN ceramics with bone surface topography characteristics. By combining topographic and piezoelectric properties, a new term, «piezotopography» is proposed for these type of materials. «Piezotopography» refers to functional topographic structures which have piezoelectric properties. «Piezotopograhic material» refers to materials that possess both functional surface structures and piezoelectric properties. Additionally, by combining mimetic surface feature and piezoelectric properties, a new term, «piezomimetic» is proposed. «Piezomimetic material» refers to materials having functional mimetic surface which have piezoelectric properties. In summary, a new method has been developed to produce ceramics with both bone surface mimicry and piezoelectricity properties.