Mechano-biology based optimal design and fabrication of multi-functional bone scaffolds
Mekanobiyoloji tabanlı optimal tasarım ve çok fonksiyonlu kemik iskelelerinin üretimi
- Tez No: 963507
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 175
Özet
Kemik iyileşmesi, birden fazla faktörün karmaşık etkileşimini içeren bir süreçtir. Biyoaktif moleküller ve hücrelerle birlikte kullanılan 3 boyutlu kompozit gözenekli doku iskeleleri, kemik dokusunun onarımı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kemik iyileşme sürecinin karmaşıklığı doğrudan iskele özellikleriyle ilişkilidir. Bu iskelelerin etkinliği, büyük ölçüde iyileşme sürecini etkileyen yapısal özelliklerine bağlıdır. Optimal bir kemik doku iskelesi,“uygun”mekanik, biyolojik ve kimyasal özelliklere sahip bir yapı olarak tanımlanabilir. Ancak etkili doku onarımı için ideal iskeleyi tanımlayan özel nitelikler hâlâ net değildir. Bu belirsizlik, doku rejenerasyonunda işlev-özellik ilişkilerinin daha derinlemesine incelenmesini ve aynı zamanda optimal kemik iskelesi tasarımı yapabilecek yöntemlerin geliştirilmesini kritik hâle getirmektedir. Bu tez, etkili kemik iskelelerinin tasarımıyla ilgili zorluklara yanıt vermeyi amaçlamaktadır. Bu kapsamda öncelikle, rijitlik, geçirgenlik ve duvar kayma gerilmesi gibi çoklu iskele metriklerini dikkate alan topoloji optimizasyonuna dayalı otomatik bir tasarım çerçevesi geliştirilmiş ve üretilebilir dereceli gyroid mikro yapılar oluşturulmuştur. Bu yöntemle, optimal rijitliğe, geçirgenliğe ve kontrollü WSS değerlerine sahip kemik iskeleleri tasarlanmış ve üretilmiştir. Ek olarak, optimum gözenek boyutuna sahip iskelelerin tasarımı için tam bağlı analiz modeline dayanan bir boyut optimizasyonu çerçevesi geliştirilmiştir. Bu analiz modeli, sonlu elemanlar yöntemi ile Darcy Kanunu ile katı mekaniğin tam bağlantılı şekilde birleştirilmesini, ayrıca mekanobiyoloji ve hücre difüzyonu dinamiklerinin dâhil edilmesini kapsamaktadır. Bu ikinci tasarım yaklaşımı ile, hücre difüzyonu ve doku rejenerasyonu süreçleri göz önünde bulundurularak, sınırlı duvar kayma gerilmesi sağlanırken aynı zamanda kemik oluşumunu maksimize edecek iskeleler tasarlanmıştır. Son olarak, bu tezde geliştirilen optimizasyon yaklaşımlarına dayanarak yeni iskele tasarımları üretilmiştir. Çoklu metriği karşılayan üretilebilir optimal iskele topolojilerinin ve tasarımlarının elde edilmesi, farklı tasarım gereksinimlerinin bütünleştiği kişiselleştirilmiş iskelelerin geliştirilmesine katkı sağlayacak ve kemik doku mühendisliğinde yenilikçi çözümlerle rejenerasyonu artıracaktır.
Özet (Çeviri)
Bone healing is a process with a complex interplay of several factors. 3-D composite porous tissue scaffolds in combination with bioactive molecules and cells have become popular for the repair of bone tissue. The complexity of the bone healing process can be directly linked to the scaffold characteristics. The effectiveness of these scaffolds is inherently tied to their structural characteristics, which significantly impact the healing process. An optimal bone tissue scaffold can be described as a structure possessing“suitable”mechanical, biological, and chemical properties. However, the specific attributes that define an ideal scaffold for effective tissue repair remain unclear. This gap highlights the critical need for methods capable of designing optimal bone scaffolds and for deeper exploration of property-functional relationships in tissue regeneration. This thesis aims to address these challenges associated with designing effective bone scaffolds by developing first an automated design framework using topology optimization of multi-objective scaffold metrics, including stiffness, permeability, and wall shear stress, and generating manufacturable graded gyroid microstructures. Using this framework, bone scaffolds with optimal stiffness, permeability, and controlled wall shear stress were designed and also fabricated. Additionally, a size optimization design framework based on fully coupled analysis model was developed for designing bone scaffolds with optimal pore size. Here, the FEA-based analysis model is based on coupling Darcy's Law and solid mechanics and incorporating mechano-biology and cell diffusion dynamics. Using the second design scheme, bone scaffolds were further designed to maximize bone regeneration while maintaining limited wall shear stress, taking into account cell diffusion and tissue regeneration processes. Finally, novel scaffold designs were fabricated based on the design frameworks developed in this study. Achieving manufacturable optimal scaffold topologies and designs satisfying multiple metrics will contribute to the development of personalized scaffolds that integrate the interplay of multiple design requirements, facilitating enhanced bone regeneration with innovative solutions in bone tissue engineering.
Benzer Tezler
- Yeni tip yüksek çözünürlüğe sahip florlu ball-type metalloftalosiyaninler: Sentezi, karakterizasyonu ve bazı fiziksel özelliklerinin araştırılması
New type of perfluoro ball-type metallo phthalocyanines with high solubility: Synthesis, characterization and investigation of their some physical properties
NİLÜFER KOÇYİĞİT
- Platon'da Daimōn ve Daımonıon ile irtibatı içerisinde epistēmē
Epistēmē in connexion to Daimōn and Daimonion in Plato
SEDA YALÇIN
- Supramoleküler uygulamalar için bazı poli benzenoid moleküllerin sentezi ve türevlendirilmesi
Synthesis and derivatization of some poly benezoid molecules for supramolecular applications
MUSA ERDOĞAN
- Investigation on the effects of mechanical forces on endothelial and monocytic cell behaviour by using microfluidic systems
Mikroakışkan sistemler kullanılarak mekanik kuvvetlerin endotel ve monosit hücre davranışı üzerine etkilerinin incelenmesi
SEMRA ZUHAL BİROL
Doktora
İngilizce
2018
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Toz metalurjisi ile kam imalatı ve imal edilen kamın kimyasal yapısının incelenmesi
Produce of cam by powder metallurgy and chemical analysis of cam with production by p/m metod
HAKAN UYGUNUÇARLAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiCumhuriyet ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHAN SELÇUK