Mg, Al, Se katkılı biyoaktif camların biyosilikadan ergitme yöntemi ile üretimi ve biyoaktivite, biyobozunurluk davranışları ile hücre çalışmalarının incelenmesi
Production of Mg, Al, Se doped bioactive glasses with glass melting method and investigation of their bioactivity, biodegradability and cell study
Yazar: İSA RAHMANLAR
Danışman: PROF. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Biyoaktif camlar doku ile cam yüzeyi arasında hidroksiapatit tabakası oluşturması ve biyoaktvitesi sayesinde son yıllarda klinik araştırmalarda tercih edilen bir biyomalzemedir. Biyoaktif camlar diğer camlara nazaran vücut içerisinde kolaylıkla çözünebilmektedir. Bu çözünme sayesinde cam üzerinde hidroksiapatit tabakaları kolaylıkla oluşabilmektedir. Biyoaktif camların yapısında bulunan kalsiyum ve fosfatın kemiğin yapısına benzer olmasını sağlamaktadır. Bunun dışında yapılan çalışmalar da biyoaktif camların osteoindüktif olduğunu ve herhangi bir fibröz yapıya gerek duymadan dokuya bağlanabildiğini göstermiştir.
Bu tez çalışmasında farklı silika kaynaklarına %0.75, %1.5, %3 ve %6 oranlarında magnezyum, alüminyum ve selenyum katkıları ayrı ayrı eklenerek 45S5 biyoaktif camlar ergitme işlemi ile elde edilmiştir. Biyosilika ve ticari silika ile üretilen biyoaktif camlar YVS içerisinde 4 hafta boyunca 37°C sıcaklıkta inkübe edilmiştir. İnkübasyondan önce ve sonra biyoaktif camların FTIR, SEM ve Vickers sertlik analizleri ile mekanik, yapısal ve yüzey özellikleri; YVS içerisindeki iyon salımlarının ICP ile analizi sayesinde in vitro biyoaktiviteleri saptanmıştır. TRIS çözeltisi içerisinde 1 hafta boyunca ağırlık ve pH değişimleri takip edilerek biyobozunurlukları ve biyoaktiviteleri saptanmıştır. Ayrıca hücre çalışmaları da yapılarak hücre canlılığı ve mineralizasyon testleri gerçekleştirilmiştir.
Yapılan çalışmada, Vickers sertlik testleri sonucunda katkıların her oranda eklenmesiyle biyoaktif camın mekanik özelliklerini geliştirdiği anlaşılmıştır. Vickers sertlik değişimlerinden elde edilen sonuç; %1,5 Mg katkısının biyoaktif camların diğer oranlardaki katkılardan daha fazla biyoaktivite gösterdikleri şeklinde olmuştur.  Katkısız biyosilikalı biyoaktif camların katkısız ticari silikalı biyoaktif camlara göre biyoaktivitesinin daha yüksek olduğu ağırlık azalmaları değerlendirmeleri sonucunda ortaya çıkmıştır. Biyosilikalı ve ticari silikalı biyoaktif camları kendi içerisinde eklenen iyon bazında değerlendirdiğimizde ise; biyosilikalı biyoaktif camlarda, Mg katkılı biyoaktif camların katkısız biyoaktif camlara göre çözünme hızını arttırdığı, Al ve Se katkılı biyoaktif camların ise çözünme hızını azalttığı saptanmıştır. Ticari silikalı biyoaktif camlarda ise Al katkısının %0.75 ve %1,5 gibi düşük oranlarda, Se ve Mg katkısının ise tüm oranlarda çözünme hızını arttırdığı görülmüştür.
ICP- OES ile yapılan iyon tayini testlerinde TRIS ağırlık değişimine benzer sonuçlar alınmıştır. Özellikle %1,5 Mg katkılı hem biyosilikalı hem de ticari silikalı biyoaktif camlarda ve %3 Al katkılı biyosilikalı biyoaktif camlarda HCA tabakasının oluşumunun göstergesi olan Ca+2 iyonlarının YVS içerisinde azalmasının daha fazla oranda olduğu görülmüştür. FTIR testlerinde ise HCA oluşumuna bağlı olarak (CO3)-2 ve (PO4)-3 gruplarına ait pik şiddetlerinin arttığı görülmüştür.
Mg ve Al her konsantrasyonda her iki silika kaynağı ile üretilen biyoaktif camlarda hücre canlılığını arttırdığı, Se katkılı camlarda ise sadece biyosilikalı camlarda hücre canlılığını arttırıcı rol oynadığı saptanmıştır. ALPaz enzim aktiviteleri incelendiğinde 21. gün sonunda Mg ve Al için kemik oluşum sürecinin devam ettiği görülmüştür. Se için ise 21. gün sonunda ALPaz aktivitesi düştüğü için kemik oluşum sürecinin bittiği anlaşılmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Alüminyum, biyoaktif cam, ICP-OES, FTIR, magnezyum, pirinç kabuğu külü, selenyum

Abstract:
Bioactive glass to create a hydroxyapatite layer between the glass surface of the tissue and biomaterial biyoaktvite thanks preferred welds in clinical trials in recent years.
Bioactive glasses can be easily dissolved in the body than others. Hydroxyapatite layer on the glass through this dissolution can occur easily. The presence of calcium and phosphate in bioactive glass provides the similar structure to the bone content. In studies conducted outside of it is osteoinductive of bioglass and can connect to the tissue without requiring any fibrous structure.
In this study, 45S5 bioactive glasses were obtained according to glass melting process by adding separately 0,75%, 1,5%, 3% and 6% Mg, Al and Se ions to different silica sources. Bioactive glasses produced from biosilica and Bioactive glasses produced from commercial silica were incubated in SBF at 37 ° C for 4 weeks.  Mechanical, structural and surface properties of bioactive glasses were determined by SEM and Vickers hardness analysis. In vitro bioactivities of them were obtained by ICP-OES analysis of ions in SBF. Biodegradability and bioactivity were determined by following weight and pH changes during the first week in TRIS solution. Also performing cell viability and cell studies in mineralization tests were carried out. It was observed that additions for all ratios developed the mechanical properties of bioactive glasses from Vickers hardness analysis. The result from vickers hardness was that low addition ratios of Mg to bioactive glass demonstrated more bioactivity than the other additions.  The result of the evaluation of weight reductions in TRIS solution was that bioactive glass produced from biosilicate without addition was more bioactive than the one produced from commercial slicate without addition. In bioactive glasses produced from biosilicate, it was observed that Mg addition enhanced the dissolution rate, on the contrary Al and Se addition decreased the dissolution rate. In bioactive glasses produced from commercial silicate, it was seen that addition of Se and Mg enhanced the dissolution rate of glass and addition of Al enhanced it only at 0,75% and 1,5% ratios.  In ICP-OES ion Exchange determination tests were similar to TRIS weight analysis. Especially 1,5 % Mg addition in both biosilicate and commercial silicate and 3% Al addition in biosilicate increase the decrease in Ca+2 ions in SBF which is indication of formation of HCA layer. In FTIR analysis, it is observed that peak intensity of (CO3)-2 and (PO4)-3 groups increased depending on HCA layer formation.

Cell studies were carried out on the basis of ALPaz enzyme activity. At each concentration, Mg and Al increase the cell viability for glass produced from both silica sources, while Se doped glass is only found to play a role enhancing the viability of cells for glasses produced from biosilicate.  ALPaz enzyme activity was observed to continue to increase when analyzed at the end of the 21st day which means continued bone formation process for Mg and Al. After 21 days, while for Se doped glass was at the end because its  ALPaz activity fell which means the bone formation process ends.

Keywords: ALPaz, aluminium, bioactive glass, magnesium, rice hull ash, selenium