Farklı hammaddeler kullanılarak kalsiyum silikat doku iskelesi üretimi
Production of calcium silicate tissue scaffold using different raw materials
Yazar: ÜMMÜGÜLSÜM ELMALI
Danışman: DOÇ. DR. GÜLSÜM AYDIN ; DOÇ. DR. AYŞE KALEMTAŞ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Doku mühendisliği bilimi ortaya çıktığından bu yana insanoğlunun çeşitli 
sorunlarına çözüm bulmaya çalışan multidisipliner bir alandır. Doku mühendisliğinin 
bir ürünü olan doku iskeleleri hastalık, yaralanma ya da doğuştan gelen doku 
hasarlarının onarımında kullanılmaktadır. Doku iskelesi üretimde kullanılan birçok 
üretim tekniği mevcuttur. Bu çalışmada larnit (Ca2SiO4) küreler takviye olarak 
kullanılarak fonksiyonel aşamalı (FDM) alümina tabanlı gözenekli kompozit doku 
iskeleleri nişasta konsolidasyon tekniğiyle üretilmiştir. Tasarlanan doku iskelesinin 
üretimi için kalsiyum karbonat ve silika malzemeleri eksenel değirmende öğütülerek 
seramik çamur elde edilmiş olup, çamur bir şırınga ve peristaltik pompa yardımı ile 
kalsiyum klorür (CaCl2) çözeltisi içerisine damlatılarak stokiyometrik larnit bileşimine 
sahip seramik-aljinat küre üretimi sol-jel tekniğiyle gerçekleştirilmiştir. FDM tasarımı 
için farklı katı oranları ve farklı boyutlarda gözenekli larnit küreler üretilerek, üstten alta 
değişen boyutlarda seramik küreler istiflenerek, kürelerin arasına ise nişasta 
konsolidasyon tekniği ile alümina esaslı malzeme doldurularak, FDM larnit küre 
takviyeli alümina esaslı kompozit doku iskelesi üretimi gerçekleştirilmiştir. Yapılan 
literatür taramasında nişasta konsolidasyon yönteminin farklı seramik malzemelerle 
doku iskelesi üretiminde kullanıldığı belirlenmiştir. Ancak bu çalışmada üretilmiş olan
FDM alümina-kalsiyum silikat (Al2O3-Ca2SiO4) kompozit doku iskelelerinin üretimiyle 
ilgili literatürde herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Kalsiyum silikat kürelerle 
alümina esaslı fonksiyonel aşamalı doku iskelesi üretiminde iki farklı tasarım yapılarak 
numune üretimi gerçekleştirilmiştir: (i) tek (%20) katı orana sahip kalsiyum silikat 
küreler ile üç farklı oranda (%5-15-25)mısır nişastası içeriğine sahip alümina matrisli 
fonksiyonel aşamalı doku iskelesi üretimi, (ii) üç farklı katı orana sahip (%10-15-20) 
kalsiyum silikat küreler ile %15 mısır nişastası içeriğine sahip alümina matrisli fonksiyonel aşamalı doku iskelesi üretimi gerçekleştirilmiştir. Birinci tasarımda yaş 
numuneler 3°C/dakika ısıtma ve soğutma hızı ile 1250°C'de 2 saat süre ile sinterleme 
işlemine tabi tutulmuştur. Sinterleme işlemi sonrası katmanlar arasında çatlak oluşumu 
gözlendiği için ısıtma ve soğutma hızı 2°C'ye düşürülerek tekrar sinterleme işlemi 
gerçekleştirilmiştir. Uygulanan ısıl rejimin optimizasyonu sonucunda çatlak sorununun 
giderildiği belirlenmiştir. İkinci tasarımda yaş numuneler 3°C/dakika ısıtma ve soğutma 
hızı ile 1250°C'de 2 saat süre ile sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Sinterleme işlemi 
sonrası istenen yapısal bütünlüğe sahip numuneler üretilmiştir. Sinterleme çalışmaları 
sonrası kompozitlerin taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) içyapı analizleri, X-ışını 
kırınım (XRD) cihazı ile de faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen SEM 
incelemelerinde, mikro ve makro ölçekli gözenek boyutuna ve yüksek gözenek içeriğine
sahip kompozit doku iskelelerinin elde edilmiş olduğu belirlenmiştir. Ayrıca nişasta 
miktarının artması ile gözenek oranının da arttığı tespit edilmiştir. XRD sonuçları 
üretilen doku iskelelerinde larnit (kalsiyum silikat) ve korundum fazının bulunduğunu 
göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Alümina, doku iskelesi, fonksiyonel aşamalı yapı, 
kalsiyum silikat, kaolen, nişastayla konsolidasyon

Abstract:
Tissue engineering is a multidisciplinary field that has been trying to find 
solutions to various problems of human beings since its emergence. Tissue scaffolds, a 
product of tissue engineering, are used in the repair of disease, injury or congenital 
extracellular matrix damage. There are many production techniques used in the 
production of tissue scaffolds. In this study, functionally graded (FGM) alumina-based 
porous composite scaffolds were produced by starch consolidation technique by using 
larnite (Ca2SiO4) spheres as reinforcement. Ceramic mud was obtained by grinding 
calcium carbonate and silica materials in an axial mill for the production of the designed 
tissue scaffold, and the production of ceramic-alginate spheres with stoichiometric 
larnite composition was carried out by sol-gel technique by dropping the mud into 
calcium chloride solution (CaCl2) with the help of a syringe and a peristaltic pump. For 
the FGM design, porous larnite spheres with different solid ratios and different sizes 
were produced, ceramic spheres of varying sizes were stacked from top to bottom, and 
alumina-based material was filled between the spheres by starch consolidation 
technique, and FGM larnite sphere reinforced alumina-based composite scaffold was 
produced. In the literature review, it was determined that the starch consolidation 
method was used in the production of scaffolds with different ceramic materials. 
However, no study has been found in the literature on the production of FGM aluminacalcium silicate (Al2O3-Ca2SiO4) composite scaffolds produced in this study. In the 
production of alumina-based functionally graded scaffolds with calcium silicate 
spheres, two different designs were made and sample production was carried out: (i) 
Calcium silicate spheres with a single (20%) solid ratio and functionally graded alumina 
matrix with starch content in three different ratios (5-15-25%), (ii) calcium silicate 
spheres with three different solid ratios (10-15-20%) and alumina matrix with 15% starch content were produced. In the first design, wet samples were sintered at 1250°C 
for 2 hours with a heating and cooling rate of 3°C/min. Since crack formation was 
observed between the layers after the sintering process, the heating and cooling rate was 
reduced to 2°C and the sintering process was carried out again. As a result of the 
optimization of the applied thermal regime, it was determined that the crack problem 
was eliminated. In the second design, wet samples were sintered at 1250°C for 2 hours 
with a heating and cooling rate of 3°C/min. After the sintering process, samples with the 
desired structural integrity were produced. After the sintering studies, the internal 
structure of the composites were analyzed with scanning electron microscope (SEM) 
and phase analysis was performed with X-ray diffraction (XRD) device. SEM anaysis 
verified that composite scaffolds with micro and macro scale pore size and high 
porosity ratio were obtained. In addition, it was determined that the porosity ratio was 
increased with the increase in starch content. XRD analysis results revealed that larnite 
(calcium silicate) and corundum phases were present in the produced scaffolds. Keywords: Alumina, scaffold, functionally graded structures, calcium silicate, kaolin, starch consolidation