Geri Dön

Improving bone tissue integration of hard tissue implants using bioactive materials

Biyoaktif malzemeler kullanılarak sert doku implantlarının kemik doku entegrasyonunun artırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 867049
  2. Yazar: GİZEM KEREM
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  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: 61

Özet

Birçok farklı malzemelerden yapılan sert doku implantları tıbbi uygulamalarda özellikle kemik dokunun kendini yenileme özelliğinin mümkün olmadığı kemik ve diş eksikliklerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Fiziksel ve kimyasal özellikleri dolayısıyla metalik ve seramik malzemeler yaygın olarak implant malzemesi olarak kullanılmaktadır. Sertlik dereceleri, sağlamlıkları ve aşınma dirençleri gibi özellikleri metalik ve seramik malzemeleri kemik doku implantlarında kullanılmaları için uygun kılmaktadır. Özellikle titanyum ve titanyumların alüminyum ve zirkonyum gibi metallerle yaptığı alaşımlar yoğunluklarının az olması ve biyouyumlulukları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. İmplant olarak uygulanan materyalin vücut içinde alerjik bir tepkiye yol açmamalıdır. İmplantların alerjik reaksiyona sebep olmaları veya yabancı cisim olarak algılanıp etraflarının bağ dokuyla kaplanmaları implantların vücut içindeki fonksiyonlarını gerçekleştirmelerini engelleyebilir, başarısız olmalarını sağlayabilir. Böyle başarısız implant uygulamalarından sonra implantın değiştirilmesi veya onarımı gibi ikincil ameliyatlar uygulanabilir. Son zamanlarda malzeme teknolojilerinin gelişmesiyle biyolojik uyumlulukları yüksek malzemelerin metalik implantların özelliklerini geliştirmek için çalışmalar yapılmaktadır. Titanyum implant yüzeylerinin uygulandıkları yatak dokuyla uyumlu olmaları, uygulandıkları dokuda iyileşmeyi hızlandırıcı etki göstermeleri, antibakteriyel özellik kazanmaları, kemik bağlanmasını artırmaları ve kemik oluşumunu desteklemeleri gibi gelişmiş fonksiyonlara sahip olmaları için uygulamalar yapılmaktadır. Bu uygulamalar şu şekilde gruplandırılıp örneklendirilebilir: hidroksiapatit (HA) kaplama ve titanyum oksit kaplama gibi fizyokimyasal aktivasyon işlemleri, asitle aşındırma ve kanal açma gibi morfolojik yüzey değiştirme işlemleri, biyopolimer kaplama, kemik morfojenik protein veya benzeri indükleyici kimyasalların immobilizasyonu gibi biyokimyasal aktivasyon işleri. Bu çalışmada kitosan mikrokürelere suda çözünebilen deksametazon yüklemesi yapılıp 2. sınıf titanyum yüzeylerin kaplanarak kemik doku entegrasyonun artırılması amaçlanarak deneyler yapılmıştır. Farklılaşma potansiyeli yüksek olduğu için SAOS-2 hücre hattı uygulamaların yapılacağı hücreler olarak seçilmiştir ve deksametazonun hücrelerin mineralizasyon seviyesini artırması, hazırlanan biyoaktif yüzeylerde yaşayıp çoğalması ve osteojenik farklılaşma belirteci olan alkalin fosfataz enzim aktivasyonunu artırması beklenmektedir. Bu maksatla kitosan mikroküreler tek emülsiyon çapraz bağlama yöntemiyle üretilmiştir. Çapraz bağlayıcı olarak gluteraldehit kullanılmıştır. Dexamethasone (DEX) yüklemesinin optimum şekilde yapılması için birçok farklı protokol uygulanmıştır. Kullanılan çapraz bağlayıcının yüzdesi ve miktarı ile çapraz bağlama süresi faktörleri değiştirilerek başarılı bir yükleme gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmalar yapılırken DEX iki farklı şekilde kürelerle buluşturulmuştur. Birincisi ilaç solüsyonu kitosan kürelerin üretim aşamasında eklenmiştir, ikincisi ise kitosan küreler üretildikten sonra ilaç solüsyonunun içinde bekletilerek difüzyon metoduyla ilacın yüklenmesi beklenmiştir. Üretim aşamasında DEX yükleme denemeleri başarılı olamamıştır o yüzden üretim sonrası yükleme metodu seçilerek ilerlenmiştir. Üretimden sonra kurutulan küreler ilaç yükleme için hazır hale getirilmiştir. Küreler 1 ml ilaç solüsyonunun içinde 48 saat boyunca 37 derecede bekletilmiştir. Bekletilen küreler santrifüjlenerek üzerindeki ilaç yükleme sıvısı konsantrasyon belirlemek için spektrofotometre kullanılarak 242 nm dalga boyunda incelenmiştir. Kürelerden kontrollü ilaç salım profillerinin incelenmesi için fosfat tamponlu tuz çözeltisinin (PBS) içerisine koyulmuştur. Belirli saat aralıklarıyla alınan örneklerdeki ilaç miktarı 242 nm dalga boyunda spektrofotometre ile ölçülmüştür. Kümülatif salım miktarı hesaplamalar sonucunda elde edilmiş ve grafiği çizilmiştir. İlaç yükleme verimi %50,16 olarak hesaplanmıştır. İlacın yaklaşık olarak 12 saatte enkapsüle ettiği ilacın yaklaşık olarak %32,6'sını saldığı gözlemlenmiştir. Kürelerin salım profili incelendikten sonra titanyum yüzeylere kaplama işlemine geçilmiştir. Titanyum örnekler birçok kimyasal ve fiziksel işlemden sonra üzerlerine kitosan küre kaplama aşamasına geçilmiştir. Piyasada satılan titanyum grade 2 olarak bilinen titanyum kullanılmıştır. Titanyum plakalar kimyasal parlatma, oksitleme, ve silanizasyon işlemlerinden geçirildikten sonra kurumaya bırakıldı ve kitosan kaplamaya kadar bu şekilde saklandı. Kaplamaya başlamadan önce titanyum örnekler gluteraldehit solüsyonunda bekletilerek aktive edildi, sonra suyla yıkanarak kurumaya bırakıldı. Kaplama yapmak için kitosan küreler titanyum örneklerin bir yüzeyine ince bir film şeklinde sürülerek kaplandı. Titanyum örnekler bir gece boyunca liyofilizatöre konularak üzerindeki kitosan kürelerin kurutulması sağlandı. Serbest haldeki dexamethasone yüklenmiş ve yüklenmemiş kitosan mikroküreler ile bunlarla kaplanmış titanyum yüzeyler Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) kullanılarak incelendi. Titanyum yüzeyler kaplama işlemi öncesi ve sonrası optik profilometre kullanılarak analiz edildi. Hücre kültürü çalışmaları için SAOS-2 hücre hattı seçilmiştir. Bu hücre hattı osteosarkoma olarak adlandırılan mineralizasyon potansiyeli yüksek kemik kanseri hücre hattıdır. Deksametazon (DEX) etkisini anlamak için titanyum örnekler iki farklı şekilde kaplandı, birincisi deksametaon içermeyen kitosan kürelerle yapılan kaplama diğeri ise deksametazon yüklü kitosan kürelerle yapılan kaplamadır. Hücre proliferasyonunu anlamak için Dojindo hücre sayım kiti kullanılmıştır. Kaplamasız titanyumlar, ilaçsız ve ilaçlı kürelerle kaplı olan titanyumlar 12 kuyulu platelere yerleştirilmiştir ve kaplama olan yüzeyin üzerine hücre ekimi gerçekleşmiştir, kontrol grubu olarak aynı sayıda hücre plaka dibine ekilmiştir. Hücrelerin çoğalması ekimden sonra 1., 3., ve 7., günde kit talimatları doğrultusunda incelenmiştir. Kaplamasız titanyum yüzeyler ve küre kaplanmış yüzeylerin hücrelere toksik bir etkisinin olduğu gözlemlenmedi. Kontrol gubundaki hücrelerin titanyum yüzeylerde büyütülen hücrelere göre daha çok çoğaldığı gözlemlenmiştir. Her bir kaplanmış yüzey tipinde hücrelerin canlılığı en düşük 3. günde ölçülmüştür, bu hücrelerin yüzeylere adaptasyon için zaman harcadıkları şeklinde yorumlanmıştır. Hücre sayısı 3. günden itibaren artmaya devam etmiştir. Üçüncü güne bakıldığında, DEX içermeyen kürelerle kaplanmış titanyum yüzeylerdeki hücre canlılığının DEX içeren kürelerle kaplanmış titanyum yüzeylerdeki hücre canlılığından daha yüksek olduğu görüldü. Bu durumun nedeni, DEX'in hücreler üzerindeki farklılaştırıcı etkisi olabilir diye yorumlandı. DEX'in bir diğer etkisini gözlemlemek için Von Kossa (kalsiyum boyası) boyaması SAOS-2 hücrelerine uygulandı. Von Kossa mineralizasyon seviyesini belli eden kalsiyum tortularını siyah veya gri renge boyar. Mineralizayon geç dönem osteojenik farklılaşma belirteci olduğu için bu test hücre ekiminden sonra 7., 14., 21., ve 28. günlerde üreticinin protokolüne göre titanyum yüzeylere (DEX'li ve DEX'siz kitosan mikrokürelerle kaplanmış) uygulanmıştır. Deney sonucunde titanium yüzeyler görsel olarak incelenmiştir, 14. günden itibaren mineralizasyon gözlemlenmiştir ve 21. güne kadar öenmli ölçüde artış gözlemlenmiştir. Bunun nedeni salınan DEX miktarının ve salım süresinin hücrelerin daha fazla farlılaşması için yeterli olmadığı olarak yorumlanmıştır. İnkübasyonun 28. gününde uzun inkübasyon süresi nedeniyle muhtemel hücre kaybı olmuştur ve bu yüzden daha az mineralize yapı gözlemlenmiştir. Alkalin fosfataz enzimi (ALP) aktivitesi, erken dönem osteojenik farklılaşma belirteçlerinden biridir ve Alkalin Fosfataz Test Kiti kullanılarak ölçülmüştür. DEX yüklü ve DEX içermeyen kürelerle kaplanmış titanyum yüzeylere ekim yapıldı, kontrol grupları oluşturularak onlara da aynı sayıda hücre ekimi gerçekleştirildi. Alkalin Fosfataz enziminin aktivitesi inkübasyonun 4., 7., ve 14. günlerinde ALP aktivitesi test kitinin üreticisinin protokolüne göre ölçüldü ve grafiği oluşturuldu. DEX yüklü kitosan mikroküreler kaplı titanyum örneklere ekilen SAOS-2 hücreleri üzerindeki DEX etkisi, inkübasyonun 7. gününde net olarak gözlendi. Kontrol gruplarında ise sürekli artış eğiliminde olan ALP aktivitesi gözlemlendi.

Özet (Çeviri)

Hard tissue implants which made of different materials are used widely in medical applications in bone and tooth deficiencies. Metallic and ceramic materials are preferred as hard tissue implants because of their strength and toughness. Due to low density, high corrosion resistance and biocompatibility properties of titanium and titanium alloys, their usage as an implant has gradually increased. Implant materials should not cause an immunogenic reaction in the body and also in recent years thanks to new technologies in biomaterial field there are some applications to improve interaction in a positive way between implant and implantation tissue. Some morphological changing applications like grooving and acid etching, some physicochemical activation treatments like hydroxyapatite (HA) coating and titanium oxide (TiO2) coating, some biochemical activation treatments like coating with biopolymers and immobilization of bone morphogenic proteins and inducer chemicals are studied on titanium surface to improve bone formation, bone bonding and antibacterial property. At this study, titanium (grade 2) surfaces are chosen to increase its bone tissue integration by designing bioactive surface by using chitosan microspheres as a natural polymer and water-soluble dexamethasone (DEX) as an inducer for SAOS-2 cell differentiation. Chitosan microspheres were produced by using single emulsion-crosslinking method. Different amount of glutaraldehyde with different percentages was used as a crosslinker agent to obtain optimum DEX loading into chitosan microspheres. Crosslinking time parameter was also changed for optimization. Dexamethasone loading was tried in two ways first one is adding drug into dissolved chitosan solution then produce chitosan microspheres, second one is adding produced chitosan microspheres into the drug solution. DEX was loaded into chitosan microspheres via diffusion. After optimization process, chitosan microspheres were produced by using glutaraldehyde as a crosslinker. Chitosan microspheres were placed into DEX solution for loading process. Drug release studies were performed by using DEX-loaded chitosan microspheres, and released amount of DEX was determined. Drug loading efficiency was found as 50.16% and release of DEX was observed for 12 hours and the released amount of the loaded DEX was calculated as ~32.6%. Before chitosan microsphere coating onto titanium surfaces, they were treated chemically (polished, oxidized and silanized to produce amino groups on titanium surfaces). Then the samples were activated by glutaraldehyde and coated with chitosan microspheres. Then, titanium samples were lyophilizated and become ready for use. DEX-loaded, DEX-free chitosan microspheres and titanium samples coated with microspheres were all characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and optic profilometry and confirmed before further experiments. To understand the effect of DEX-loaded chitosan coated titanium surfaces on cells, cell profileration assays were done using SAOS-2 cell lines, which have high mineralization potential. Bare titanium samples and chitosan microspheres coated samples (both DEX-loaded and DEX-free) did not show any toxic effect on the cells. Viability of cells on each type of coated surfaces was measured lowest at 3rd day, commented as that those cells might spent their time for the adaptation onto the surfaces. After 3rd day, it was observed that the number of cells continued to increase. Viability of cells on titanium surfaces coated with chitosan microspheres without DEX was observed higher than viability of cells from DEX-loaded chitosan microspheres coated titanium samples at 3rd day. The reason of this situation could be differantiation effect of DEX on cells. Alkaline phosphatase (ALP) activity is one of the early markers of osteogenic differentiation, so ALP activity of chitosan microspheres coated titanium samples was measured, as well. DEX effect on SAOS-2 cells, which were seeded onto DEX-loaded chitosan microspheres coated titanium samples was observed clearly at 7th day of incubation. On the other hand, as the mineralization is a late marker of osteogenic differentiation process, mineralization level of SAOS-2 cells, which were seeded on chitosan microspheres (with and without DEX) at 7, 14, 21, and 28 days of incubation was visualized by using Von Kossa (Calcium Stain) kit. Titanium surfaces were examined visually. The mineralization was observed after 14 day of incubation and significantly increased till the day 21. The reason of this could be released amount and releasing time of DEX have not been enough for further differantiation of SAOS-2 cells. At the 28th day of incubation, Von Kossa staining shows much less mineralized structure possibly cell loss because of the long incubation time.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    654216

    Çinko esaslı antibakteriyel biyobozunur malzemelerin üretimi ve yüzey özelliklerinin mikro ark oksidasyon yöntemiyle geliştirilmesi

    Production of zinc based antibacterial biodegradable materials and improvement of surface properties by the micro arc oxidation process

    AYBÜKE AYDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN YILMAZER

  2. Tez No

    837060

    5-fluorourasil için polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzeme üretimi ve kinetik çalışmaları

    Production and kinetic studies of polymer/bioceramic and graphene oxide containing drug carrier materials for 5-fluorouracil

    EBRU KAHRAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI

  3. Tez No

    709368

    Biyomedikal metalik alaşımların grafen temelli malzemelerile kaplanarak özelliklerinin geliştirilmesi

    Improving properties of biomedical metallic alloys by coating with graphene-based materials

    AYSEL OKTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ

  4. Tez No

    910869

    Dental implant (Ti6Al4V) ve abutment montajlarında farklı sistem alternatifi olarak mekanik sıkıştırıcıların araştırılması ve sonlu elemanlar analizi

    Investigation and finite element analysis of mechanical compressors as different system alternatives in dental implant (Ti6Al4V) and abutment installations

    MEHMET ONUR YAĞIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Diş HekimliğiSakarya Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞADUMAN ŞEN

  5. Tez No

    853235

    Dip coating of metal implants with antibacterialpolymer matrix for the prevention of implantassociated infections

    İmlantla ilişkili enfeksiyonların önlenmesi için metalimplantların antibakteriyel polimer matrisli daldırmakaplaması

    EMİNE HİLAL ALTINTOP

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mühendislik Bilimleriİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DİDEM ŞEN KARAMAN

Geri Dön