Geri Dön

Cardiovascular device-induced blood cell trauma investigated using a hemostable flow loop

Hemostabil akış döngüsü kullanılarak kardiyovasküler cihaz kaynaklı kan hücresi travmasının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 999203
  2. Yazar: TANSU GÖLCEZ KÖSE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. KEREM PEKKAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Tıbbi Biyoloji, Bioengineering, Biotechnology, Medical Biology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu doktora tezinde, kanla temas eden biyomedikal cihazların hemomekanik uyumluluğunu artırmak ve in vitro test koşullarını klinik gerçekliğe yaklaştırmak amacıyla bir dizi deneysel ve biyolojik model geliştirilmiştir. Çalışmalar, hem cihaz kaynaklı kan hasarının azaltılmasına yönelik mühendislik çözümlerini hem de kanın deneysel koşullarda biyolojik bütünlüğünü korumaya yönelik yenilikçi yaklaşımları kapsamaktadır. İlk aşamada, in vitro testlerde yaygın olarak kullanılan konvansiyonel flow-loop sistemlerinin klinik koşulları yansıtmadaki yetersizlikleri dikkate alınarak, beslenme, oksijenasyon ve diyaliz modüllerinin entegre edildiği metabolik olarak sürdürülebilir bir sistem tasarlanmıştır. Bu sistemde insan kanı 12 ve 48 saat süreyle dolaştırılmış; hemoliz (NIH, pfHb, bilirubin, haptoglobin), inflamasyon (IL-8, TNF-α, C3a), koagülasyon (fibrinojen, TAT), trombosit ve endotelyal aktivasyon (β-TG, vWF) ile ferritin gibi biyomarkerler takip edilmiştir. Kontrol devresinde pH düşüşü, laktat artışı ve inflamatuvar/koagülatuvar parametrelerde yükseliş izlenirken, diyalizli devrelerde bu parametrelerin sabit kaldığı veya azaldığı, ayrıca hemolizin %77–81 oranında daha düşük gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, kanın biyokimyasal bütünlüğünü koruyabilen uzun süreli test sistemlerinin, cihazların klinik performansını öngörmede daha güvenilir bir platform sağlayabileceğini göstermiştir. İkinci olarak, FDA tarafından önerilen referans pompa ile karşılaştırıldığında kan hasarını yaklaşık %30 oranında azaltan yeni bir santrifüj pompa tasarımı geliştirilmiş ve taze insan kanı ile gerçekleştirilen flow-loop deneylerinde performansı değerlendirilmiştir. Ticari pompalar ile kıyaslamalar sonucunda, FDA referans pompasında tolerans sınırlarını aşan hemoliz ve biyomarker düzeyleri gözlemlenirken, optimize edilmiş tasarımın hemolizi %68 oranında azalttığı ve inflamasyon, koagülasyon ile trombosit aktivasyonu açısından ticari cihazlarla benzer düzeyde performans sergilediği gösterilmiştir. Bu bulgular, cihaz tasarımındaki iyileştirmelerin klinik açıdan anlamlı biyolojik faydalar sağlayabileceğini ortaya koymuştur. Üçüncü bölümde, kanı pasif bir sıvı olarak değil, metabolik olarak aktif ve canlı bir sistem olarak ele alan, organ kültürü yaklaşımına dayalı yeni bir metodoloji sunulmuştur. Standardize edilmiş kardiyovasküler bypass komponentleri kullanılarak oluşturulan akış sisteminde, kan gazı analizleri ve beslenme solüsyonları ile canlılık sağlanmış, oksijenatör ve pompa prototipleri test edilmiştir. Deneyler boyunca eritrosit deformabilitesi, hemoliz indeksleri, enzim aktiviteleri (glutatyon peroksidaz, süperoksit dismutaz, katalaz) ve 2,3-difosfogliserat düzeyleri korunmuş; ayrıca submikron partikül salınımı minimum düzeyde gözlenmiştir. Bu yaklaşım sayesinde kan hasarı deneylerindeki biyolojik varyasyon azalmış ve daha gerçekçi sonuçlara ulaşılmıştır. Son olarak, hematopoietik kök hücrelerden farklılaştırılan eritrositlerde genetik modülasyonların mekanik stres direncini arttırmak için gerekli altyapı çalışmaları araştırılmıştır. Hücrelerin CD235a yüzey belirteci ile farklılaşma mekanizmasına bakılmış, elektroporasyon yöntemiyle floresan işaretli siRNA alımı sistemi doğrulanmış ve kök hücreden farklılaştırılmış kontrol grubu eritrositlerin membran elastikiyetleri mikropipet aspirasyonu ile ölçülmüştür. Bulgular, süspansiyon halindeki hücrelerin daha yüksek farklılaşma oranına sahip olduğunu, ancak zaman ve pasaj sayısı arttıkça bu oranın azaldığını göstermiştir. Ayrıca, genetik düzenlemeler ile eritrosit biyomekaniğinin şekillendirilebileceğinin sistemi hazırlanmış ve bu yolla hem temel biyoloji çalışmalarında hem de kanla temas eden cihazların hemokompatibilite testlerinde kullanılabilecek yeni bir araştırma platformu oluşturulabileceği öngörülmüştür. Genel olarak bu tez, bir yandan kanla temas eden cihazların tasarım optimizasyonlarıyla hemomekanik stabiliteyi geliştirmeyi, diğer yandan da metabolik olarak sürdürülebilir test sistemleri ve genetik olarak modifiye edilmiş hücre modelleri ile kan hasarının azaltılabileceğini hedeflemektedir. Elde edilen sonuçlar, kardiyovasküler cihazların klinik öncesi değerlendirmelerinde yeni standartların geliştirilmesine katkı sağlayarak, hem hasta güvenliğini hem de biyomedikal cihazların etkinliğini artırmaya yönelik önemli bilimsel veriler sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

In this doctoral dissertation, a series of experimental and biological models were developed to improve the hemomechanical compatibility of blood-contact biomedical devices and bring in vitro test conditions closer to clinical reality. The studies encompass both engineering solutions to reduce device-induced blood damage and innovative approaches to preserving the biological integrity of blood under experimental conditions. In the first phase, considering the inadequacy of conventional flow-loop systems commonly used in in vitro testing to reflect clinical conditions, a metabolically sustainable system integrating nutrition, oxygenation, and dialysis modules was designed. In this system, human blood was circulated for 12 and 48 hours, and biomarkers such as hemolysis (NIH, pfHb, bilirubin, haptoglobin), inflammation (IL-8, TNF-α, C3a), coagulation (fibrinogen, TAT), platelet and endothelial activation (β-TG, vWF), and ferritin were monitored. While pH decreases, lactate increases, and inflammatory/coagulatory parameters increased in the control circuit, these parameters remained stable or decreased in the dialyzed circuits, and hemolysis was found to be 77–81% lower. These results demonstrate that long-term testing systems that can preserve the biochemical integrity of blood can provide a more reliable platform for predicting the clinical performance of devices. In second study, a new centrifugal pump design was developed that reduces blood damage by approximately 30% compared to the FDA-recommended reference pump, and its performance was evaluated in flow-loop experiments with fresh human blood. Comparisons with commercial pumps showed that while hemolysis and biomarker levels exceeded tolerance limits in the FDA reference pump, the optimized design reduced hemolysis by 68% and performed similarly to commercial devices in terms of inflammation, coagulation, and platelet activation. These findings demonstrate that improvements in device design can provide clinically meaningful biological benefits. In third study, a new methodology based on an organ culture approach is presented, treating blood not as a passive fluid but as a metabolically active and living system. Viability was maintained with blood gas analyses and nutritional solutions in a flow system constructed using standardized cardiovascular bypass components, and oxygenator and pump prototypes were tested. Throughout the experiments, erythrocyte deformability, hemolysis indices, enzyme activities (glutathione peroxidase, superoxide dismutase, catalase), and 2,3-diphosphoglycerate levels were maintained, and minimal submicron particle release was observed. This approach reduced biological variation in blood injury experiments, resulting in more realistic results. In the last work, the necessary infrastructure for genetic modulations to increase mechanical stress resistance in erythrocytes differentiated from hematopoietic stem cells was investigated. The differentiation mechanism of cells was investigated using the CD235a surface marker, the fluorescently labeled siRNA uptake system was validated using electroporation, and the membrane elasticity of control erythrocytes differentiated from stem cells was measured by micropipette aspiration. Findings showed that cells in suspension had a higher differentiation rate, but this rate decreased as time and passage number increased. Furthermore, a system for shaping erythrocyte biomechanics through genetic manipulations was developed, and it is envisioned that this method could create a new research platform that could be used both in basic biology studies and in hemocompatibility testing of blood-contact devices. Overall, this thesis aims to improve hemomechanical stability through design optimizations of blood-contact devices, while also reducing blood damage through metabolically sustainable test systems and genetically modified cell models. The obtained results contribute to the development of new standards in the preclinical evaluation of cardiovascular devices, providing important scientific data aimed at improving both patient safety and the effectiveness of biomedical devices.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    523902

    Diabetik sıçanlarda eritropoetinin hasarlı dokularda kök hücre düzeylerine olan etkisinin değerlendirilmesi

    Assessment of eritropoetin effect on stem cells in damaged tissue of diabetic rats

    DİDEM MELİS ÖZTAŞ GELBAL

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Göğüs Kalp ve Damar Cerrahisiİstanbul Üniversitesi

    Kalp ve Damar Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT UĞURLUCAN

  2. Tez No

    350671

    Taze ve ticari vişne sularının antioksidan kapasitesi ve kapiler elektroforez yöntemi ile organik asit içeriklerinin incelenmesi

    Determination and comparison of the amount of antioxidants and organic acid content of fresh and commercial cherry (Prunus Cerasus) juices

    EBRU ÇEVİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BEDİA ERİM BERKER

  3. Tez No

    539418

    Evaluation of bioimplants surface nano-micro design by chemical mechanical polishing against alternative methods

    Başlık çevirisi yok

    RIAID HADI SALIH ALSAEEDI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ERTUNÇ

  4. Tez No

    431712

    Arteryel stifnes ve egzersizle indüklenen hipertansiyon arasındaki ilişki

    The relationship between arterial stifness and exercise induced hypertension

    ELİF KURUMAHMUTOĞLU

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    KardiyolojiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Kardiyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER GEDİKLİ

  5. Tez No

    242458

    Köpeklerde medetomidin-propofol-isofluorane anestezisinin hematolojik ve biyokimyasal parametrelere olan etkileri

    The effects of medetomidine-propofol-isofluorane anaesthesia on haematologic and biochemical parameters in dogs

    BURAK OSKAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Veteriner HekimliğiErciyes Üniversitesi

    Veterinerlik Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜLTEKİN ATALAN

Geri Dön