Atık yumurta kabuğu parçacıkları içeren hidrojel biyokompozit doku iskelesi üretimi
Production of hydrogel biocomposite tissue scaffold containing waste eggshell particles
Yazar: ZEYNEP AK
Danışman: PROF. DR. MEHMET MURAT ÖZMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Kemik doku mühendisliğinde hidrojellerin doku iskelesi olarak kullanılabilmesi için osteoindüktif ajanlar içermesi ve yeterli mekanik özelliklere sahip olması gerekmektedir. Yüksek oranda kalsiyumdan oluşan yumurta kabuğu atıkları kemik doku mühendisliğinde osteoindüktif bir ajan olarak kullanılabilmektedir. Bu tezde, nişasta hidrojelleri içerisinde çeşitli miktarlarda yumurta kabuğu parçacıkları içeren kemik doku iskeleleri üretilmiş, kontrol grubu olarak parçacık içermeyen hidrojellerle kıyaslama yapılmıştır. %2,5, %5 ve %10 oranında parçacık içeren gruplar sırasıyla ES/2.5, ES/5, ES/10; kontrol grubu ise ES/0 olarak adlandırılmıştır. Nişasta hidrojelleri buz kalıplama ile sonradan çapraz bağlanma yöntemleri ile elde edilmiştir ve çapraz bağlayıcı olarak yüksek biyouyumluluk gösteren polietilen glikol diglisidileter (PEGDE) kullanılmıştır. Nişasta hidrojellerinin özellikleri FTIR, SEM, şişme dengesi, şişme kinetiği, mekanik test, MTT, biyomineralizasyon ve biyobozunma analizleri ile incelenmiştir. FTIR analizleri sonucunda, hidrojellerin başarılı bir şekilde çapraz bağlandığı belirlenmiştir. SEM görüntüleri, parçacık eklenmesiyle hidrojellerin gözenek boyutlarının 1/3 oranında küçüldüğünü göstermiştir. Nişasta hidrojellerinin gözenek boyutları ES/0, ES/2.5, ES/5 ve ES/10 için sırasıyla, 168,37±25,45 µm, 136,24±18,71 µm, 124,52±18,99 µm, 117,62±24,52 µm olarak hesaplanmıştır. Parçacık miktarının artmasıyla şişme oranlarının %21,26 düştüğü görülmüştür.  Hidrojellerin mekanik testleri sonucunda, ES/0 grubunun Young modülü 5,07±0,49 MPa ES/5 grubunda ise 14,14±0,12 MPa Young modülü sonucu elde edilmiş, parçacık içermeyen kontrol numunesine kıyasla mekanik dayanımın yaklaşık üç kat arttığı bulunmuştur. Mineral birikiminin incelenmesi amacıyla gerçekleştirilen SEM-EDX analizi sonucunda, ES/0'da mineral birikimi görülmezken ES/2.5, ES/5 ve ES/10 örnekleri %8,6±0,2 kalsiyum oranına ulaşmıştır. MTT analizinde ES/0'a kıyasla ES/10'da hücre canlılığı %10,9±0,6 oranında artmıştır. Biyobozunma testi sonucunda ES/0'in %12,24±0,89 oranında bozunduğu, ES/10'un ise %7,25±3,88 oranında bozunma gerçekleştirdiği bulunmuştur. Analizler sonucunda, yumurta kabuğu parçacıklarının hidrojelin mekanik dayanımını artırdığı ve biyomineralizasyonu desteklediği, böylece kemik doku mühendisliği uygulamaları için uygun hale getirdiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In bone tissue engineering, hydrogels should contain osteoinductive agents and have sufficient mechanical properties in order to be used as bone tissue scaffolds. Eggshell waste which is mostly made of calcium, can be used as an osteoinductive agent in bone tissue engineering. In this study, starch hydrogels containing different amounts of eggshell particles were produced and compared with a control group without eggshell particles. Samples contained 0%, 2.5%, 5% and 10% eggshell particles were designated as ES/0, ES/2.5, ES/5 and ES/10, respectively. Starch hydrogels were obtained by ice molding and post cross-linking methods with polyethylene glycol diglycidylether (PEGDE) as the crosslinker due to its high biocompatibility. The properties of starch hydrogels were examined by FTIR, SEM, swelling equilibrium, swelling kinetics, mechanical testing, MTT, biomineralization and biodegradation analyses. FTIR analyses confirmed successful cross-linking of the hydrogels. According to SEM results, the pore sizes of the starch hydrogels decreased by 1/3 and were found 168,37±25,45 µm, 136,24±18,71 µm, 124,52±18,99 µm, 117,62±24,52 µm for ES/0, ES/2.5, ES/5, and ES/10, respectively. Swelling results indicated that the swelling rate decreased 21.26% as the amount of particles increased. According to the mechanical tests, while ES/0 had a Young modulus of 5066±489 kPa, ES/5 had a Young modulus of 14140±119 kPa. Thus, the mechanical strength was found to be almost twice as high compared to the control sample without eggshell particle.  SEM-EDX analyses were conducted to examine mineral accumulation and no mineral accumulation was seen in ES/0, while ES/2.5, ES/5, and ES/10 had mineral layers as the ES/10 sample reached 8.6±0.2% of calcium ion accumulation. MTT analysis showed that, cell viability in ES/10 was 10.9±0.59% higher compared to ES/0. Biodegradation tests revealed that ES/0 degraded 12.24±0.89%, while ES/10 degraded 7.25±3.88%.  As a result of the analyses, it can be deducted that eggshell particles enhance the mechanical strength of the hydrogel and support biomineralization, making it suitable for bone tissue engineering applications.