Islak elektroeğirme ile üretilen 3B polimerik yumaklarda gözenek boyutlarının kontrolü
Controlling pore-size in 3D polymeric skeins produced by wet electrospinning
Yazar: NUR MERVE KAZAROĞLU SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. BORA MAVİŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Sentetik lifler = Synthetic fibers

Özet:
Sunulan tez çalışması kapsamında, yoğunluğu ve gözenek çapları ayarlanabilir, 3-boyutlu (3B) polikaprolakton (PCL) doku iskelelerinin ıslak elektroeğirme yöntemi ile üretilmesi hedeflenmiştir. Söz konusu gözenek çapları ayarlanabilir iskeleler, yüzey bağımlı hücrelerin infiltrasyonunu kolaylaştırarak 3B doku oluşumuna elverişli bir ortam sunacaktır. 3B PCL yapıların gözenek çapları, koagülasyon banyosunun sıcaklığı ve banyo altına yerleştirilen iletken desen sayesinde sabit sıcaklıkta elektrik alan dönüş hızının değiştirilmesi ile ayarlanmıştır. 3B yapıların üretimi için banyo sıcaklığını (R1) ve hem banyo sıcaklığı hem de elektrik alan şiddetini (R2) kontrol edebilen 2 adet koagülasyon banyosu tasarlanmıştır.

3B yapılar moleküler ağırlığı 80000 g/mol olan PCL'den üretilmiştir. PCL için çözücü olarak diklorometan (DCM) ve N,N-dimetilformamid (DMF) karışımları (50:50, 65:35) kullanılmıştır.  3B yapıların üretimi sabit süre, sıcaklık, akış hızı ve voltaj değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Islak elektroeğirme işlemini etkileyen parametreler optimize edilerek, 3.33±0.71 µm fiber çaplarına sahip 3B yumaklar üretilmiştir. 50:50 çözeltisi kullanılan R1 sıcaklık-kontrollü koagülasyon banyosunun sıcaklığı 25 °C iken; hüzme çapı 0.21±0.03 cm, geometrik faktörü 1.83±0.20 cm ve ortalama gözenek çapı 24.9±3.5 µm boyutlarında 3B yapılar elde edilmiştir. R1'in sıcaklığı kademeli olarak indirilmiş ve 7 °C'de 3B yumakların hüzme çapı 0.62±0.07 cm'ye, geometrik faktörü 2.85±0.09 cm'ye ve ortalama gözenek çapları 85.5±5.6 µm'ye yükselmiştir. Benzer şekilde 65:35 çözeltisi kullanılan R1 sıcaklık kontrollü koagülasyon banyosunun sıcaklığı 25 °C'de iken hüzme çapı 0.23±0.02 cm, geometrik faktörü 2.16±0.57 cm ve ortalama gözenek çapı 37.2±6.1 µm olarak ölçülmüştür. Aynı polimer çözeltisi ile, banyoda inilebilen en düşük sıcaklıkta (5 °C) elde edilen hüzme çapı, geometrik faktör ve ortalama gözenek çapı değerleri sırasıyla 0.36±0.04 cm, 3.22±14.7 cm ve 111.5±14.7 µm olarak ölçülmüştür. Bu örneğin X-ışını mikrotomografi (µ-CT) taramasından elde edilen toplam gözenekliliği %87.22 olarak bulunmuştur. Elektrik alan şiddetinin arttırıldığı sıcaklık-kontrollü koagülasyon banyosu R2'de, R1'e benzer şekilde sıcaklık düştükçe 3B yapıların hüzme çapları, geometrik faktörleri ve ortalama gözenek çapları artmış, bunun yanında sabit koagülasyon banyosu sıcaklıklarında elektrik alan dönüşü değiştirilerek 3B yapıların gözenek çapları ve hacimleri değiştirilebilmiştir. R2'de, 5 °C banyo sıcaklığında elde edilen en yüksek hüzme çapı 0.45±0.02 cm, geometrik faktör 2.54±0.22 cm ve ortalama gözenek çapı 128.29±57.67 µm olarak kaydedilmiştir. Aynı koşullarda üretilen 25 °C banyo örneğinin µ-CT taramasında elde edilen toplam gözenekliliği %70.35 iken, 5 °C örneklerinin toplam gözenekliliği ortalama %83.22±2.92 olarak bulunmuştur.

Tez kapsamında yapılan çalışmalarda 3B PCL yapılara ait elde edilen veriler, tasarlanan sıcaklık-kontrollü koagülasyon banyoları içerisinde sıcaklık ve elektrik alan dönüşü değiştirilerek ihtiyaca uygun olarak ayarlanabilir gözenek boyutlarına sahip doku iskelesi üretiminin olanaklı olduğunu göstermektedir. Değiştirilebilir gözenek boyutu dağılımına sahip 3B yapılar, doku iskelesi, akustik malzemeler, filtrasyon medyası ve pil teknolojileri gibi birçok alanda kullanılabilme özelliğine sahiptir.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to produce 3-dimensional (3D) polycaprolactone (PCL) scaffolds by wet electrospinning method with adjustable density and pore diameters. These scaffolds having adjustable pore diameters will facilitate the infiltration of surface-dependent cells, providing a favorable environment for 3D tissue formation. The pore diameters of 3D PCL structures were adjusted by varying temperature of the coagulation bath and the electric field rotation speed at constant temperature thanks to the conductive patterns underneath the bath. Two coagulation baths were designed to control the bath temperature (R1) and both bath temperature and electric field strength (R2) for the production of 3D structures. 

3D structures are made of PCL with a molecular weight of 80000 g/mol. A mixture of dichloromethane (DCM) and N,N-dimethylformamide (DMF) (50:50, 65:35) was used as solvent for the PCL. Production of the 3D structures was carried out at constant time, temperature, flow rate and voltage values. The parameters affecting the wet electrospinning process were optimized and 3D structures with fiber diameters of 3.33±0.71 µm were produced. The temperature of the R1 temperature-controlled coagulation bath while using a 50:50 solution was 25 °C, 3D structures were obtained with a fiber yarn diameter of 0.21±0.03 cm, geometric factor of 1.83±0.20 cm, and average pore diameter of 24.9±3.5 µm. The temperature of R1 was gradually reduced and the fiber yarn diameter of 3D structures increased to 0.62±0.07 cm, geometric factor to 2.85±0.09 cm, average pore diameters to 85.5±5.6 µm at 7 °C. Similarly, the temperature of the R1 temperature-controlled coagulation bath using a 65:35 solution was measured fiber yarn diameter of 0.23±0.02 cm, geometric factor of 2.16±0.57 cm, pore diameter of 37.2±6.1 µm at 25 °C. The fiber yarn diameter, geometric factor and average pore size values were obtained with the same polymer solution at the lowest despicable temperature (5 °C) in the R1 bath, were 0.36±0.04 cm, 3.22±0.28 µm and 111.5±14.7 µm, respectively. The total porosity of this sample obtained from X-ray microtomography (µ-CT) is 87.22%. In the temperature-controlled coagulation bath R2, where the electric field strength is increased, the fiber yarn diameters, geometric factors and mean pore diameters of the 3D structures increased as the temperature decreased, as well as the R1, and the pore diameters and volumes of the 3D structures were changed by changing the electric field rotation at constant coagulation bath temperatures. The highest fiber yarn diameter obtained at a bath temperature of 5 °C was 0.45±0.02 cm, geometric factor was 2.54±0.22 cm, average pore size diameter was 128.29±57.67 µm. The total porosity of the 25 °C bath samples produced under the same conditions during µ-CT scanning was 70.35%, while the average porosity of 5 °C samples was found to be 83.22±2.92%.

The data obtained from 3D PCL structures in the studies carried out within the scope of the thesis show that it is feasible to produce tissue scaffold with adjustable pore sizes in accordance with the needs by changing the temperature and electric field rotation in the designed temperature-controlled coagulation baths. 3D structures with exchangeable pore size distribution can be used in many areas such as tissue scaffold, acoustic materials, filtration media and battery technologies.