Silk-based biomaterials for regenerative medicine and energy harvesting
Rejeneratif tıp ve enerji hasadı için ipek tabanlı biyomalzemeler
- Tez No: 940308
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BATUR ERCAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Metallurgical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 203
Özet
Bu çalışma, vücuda entegre edilebilen ve kendi enerjisini üretebilen elektronik cihazlar için ipek bazlı biyomalzemeler kullanılarak triboelektrik nanojeneratörlerin (TENG) geliştirilmesini iki bölümde ele almaktadır. İlk bölümde, elektrokimyasal olarak modifiye edilmiş çinko kullanılarak TENG performansını artırmaya yönelik alternatif bir yaklaşım araştırılmaktadır. Çinko yüzeyinde ortalama çapı 97 ± 9 nm olan katmanlı bir yapıya sahip çinko hidroksit bazlı nanoteller üretilmektedir. Bu nanoyapıların ara katman olarak kullanıldığı ipek bazlı bir TENG dizayn edilerek, nanoyapıların olmadığı TENG ile kıyaslandığında voltajda 8 kat artış sağlanırken ~5 μW güç elde edilmektedir. Ek olarak, tasarlanan TENG sisteminin entegre edildiği bir dişlik, oklüzal kuvvet dağılımının ve çiğneme dinamiklerinin gerçek zamanlı izlenmesini sağlamakta, hızlı ve yavaş ısırma ile diş gıcırdatma hareketlerini ayırt edebilmektedir. Çalışmanın ikinci bölümünde, indüklenmiş pluripotent kök (iPS) hücrelerin kardiyomiyojenik farklılaşması ve simüle edilmiş kalp hareketinden enerji elde edilmesi araştırılmaktadır. Mekanik, bozunma ve biyolojik özellikleri optimize edilmiş ipek fibroin bazlı gözenekli iskeleler, iPS hücrelerin kardiyomiyositlere farklılaşmasını desteklemekte ve ayrıca TENG elektrotları olarak kulanılabilmektedir. Karbon nanofiberlerin eklenmesi, iskelelere 0.021 ± 0.006 S/cm miktarında elektriksel iletkenlik kazandırırken mekanik özelliklerin hassas bir şekilde ayarlanmasına olanak tanımaktadır. Geliştirilen TENG sistemi, simüle edilmiş kalp hareketleri altında 0.37 × 10⁻³ mW/m² maksimum güç üretmektedir. Elde dilen bulgular, gözenekli ipek fibroin doku iskelelerinin enerji hasadı sağlayabilecek kalp yamaları olarak potansiyelini ortaya koymaktadır. Özetle bu tez, farklı formlardaki ipek bazlı biyomalzemelerin kendi enerjisini üretebilen implante edilebilir ve giyilebilir cihazların geliştirilmesi için kullanılabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This study can broadly be divided into two parts, each addressing the use of silk fibroin-based biomaterials in developing triboelectric nanogenerators (TENGs) for body-integrated self-powered electronic devices. In the first part, an alternative approach to enhancing TENG performance is explored using electrochemically modified zinc. Nanowires with a layered zinc hydroxide-based structure and an average diameter of 97 ± 9 nm are produced on the zinc surface. Incorporating these nanostructures as an intermediate layer in a silk-based TENG system offers a simple, reproducible method for enhanced TENG output with a nearly 8-fold increase in output voltage generating approximately 5 μW power. Additionally, a mouthguard integrated with the designed TENG system enables real-time monitoring of occlusal force distribution and bite dynamics, distinguishing between fast and slow biting as well as grinding. The second part of this study investigates the cardiomyogenic differentiation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) and the energy harvesting from simulated cardiac motion. Silk fibroin-based porous scaffolds, optimized for mechanical, degradation, and biological properties, facilitate iPSC differentiation into cardiomyocytes and also serve as TENG electrodes. Incorporating carbon nanofibers brings electrical conductivity into the scaffolds (0.021 ± 0.006 S/cm) and allows for precise tuning of their mechanical properties. The resulting TENG system generates a peak power output of 0.37 × 10⁻³ mW/m², under simulated cardiac motions, showing the potential of scaffolds as cardiac patches that simultaneously allow energy harvesting. Overall, this thesis demonstrates the potential of silk fibroin-based biomaterials for both implantable and wearable self-powered devices.
Benzer Tezler
- Mechanically strong hyaluronic acid-based hydrogels
Yüksek mekanı̇k dayanımlı hyalüronı̇k ası̇t hı̇drojellerı̇
BURAK TAVŞANLI
- Üstün mekanik özelliklere sahip ipek fibroin iskeletlerinin yüksek fibroin konsantrasyonlarında üretimi
Production of silk fibroin scaffolds with remarkable mechanical properties at high fibroin concentrations
CANER AKINCI
- Yumuşak doku mühendisliği uygulamaları için serisin/keratin temelli hibrit yapılarının geliştirilmesi
Development of sericin/keratin based hybrid structures for soft tissue engineering applications
ELİF BEYZA DEMİRAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAVUZ EMRE ARSLAN
- Rejenere ipek fibroini/hücresizleştirilmiş omurilik meninks kaynaklı doku mühendisliği yapı iskelelerinin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of regenerated silk fibroin/decellularized spinal meninges-derived tissue engineered scaffolds
TUĞÇE KURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
BiyomühendislikÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAVUZ EMRE ARSLAN
- Improvement of the properties of electrospun silk fibroin nanoweb
İpek proteini fibroinden elektrospinning yöntemi ile üretilen nanowebin özelliklerinin iyileştirilmesi
NURAY KIZILDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YEŞİM BECEREN