Geri Dön

Mechano-biology based optimal design and fabrication of multi-functional bone scaffolds

Mekanobiyoloji tabanlı optimal tasarım ve çok fonksiyonlu kemik iskelelerinin üretimi

  1. Tez No: 963507
  2. Yazar: MERVENAZ ŞAHİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. 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

  1. Tez No

    652457

    Tissue imaging with scanning acoustic microscopy and raman spectroscopy

    Taramalı akustik mikroskop ve raman spektrometri ile doku görüntülemesi

    MELİTA PARLAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BURÇİN ÜNLÜ

  2. Tez No

    713273

    3d optical imaging of living cells in microgravity: application to study dynamic changes of cytoskeleton

    Canlı hücrelerin mikro çekim altında 3 boyutlu görüntülenmesi: hücre iskeletinin dinamik değişimlerinin çalışılmasında uygulanması

    MUHAMMED FATİH TOY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CHRISTIAN DEPEURSINGE

    DR. MARCEL EGLI

  3. Tez No

    752314

    Biyokompozit substratlarda kültürün mezenkimal kök hücre - kaynaklı ekstrasellüler veziküllere olan etkilerinin incelenmesi

    Evaluation of the infuence of culture on biocomposite substrates on mesenchymal stem cell-derived extracellular vesicles

    NEZİHA AYŞENUR KURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyolojiAnkara Üniversitesi

    Disiplinlerarası Kök Hücre ve Yenileyici Tıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAŞAR MURAT ELÇİN

  4. Tez No

    761754

    Vasculature-on-chip: Characterizing shear stress effects on endothelial cells

    Başlık çevirisi yok

    ALIREZA TAJEDDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyomühendislikSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NUR MUSTAFAOĞLU

  5. Tez No

    812416

    Insights from a 3D culture model : Exploring the synergistic ımpact of tissue stiffness and matrix composition on tumor progression

    3B kültür modelinden içgörüler: Doku sertliği ve matris bileşiminin tümör i̇lerlemesi üzerindeki sinerjistik etkisini keşfetmek

    DENİZ ÖRNEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Hücresel ve Moleküler Tıp Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ECE ÖZTÜRK

Geri Dön