Doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmak üzere grafen oksit temelli polimerik nanofibröz doku iskelelerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of graphene oxide based polymeric nanofibrous tissue scaffolds for tissue engineering applications
Yazar: RUMEYSA HİLAL ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KAZANCİ
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Richard Feynman'ın 1960 yılında yayınlanan "There's Plenty of Room at the
Bottom" isimli konuşması başlangıç noktası kabul edilen nanoteknoloji sayesinde
yığın materyallere kıyasla çok daha gelişmiş özelliklere sahip malzemeler
üretilebilmektedir. Nanoskala olarak adlandırılan 1-100 nanometre aralığında yer
alan nanomateryaller artan yüzey alanı/hacim oranı sayesinde yüksek elektriksel
iletkenlik, yüksek mekanik ve termal dayanım gibi özellikler göstermektedir.
Fiziksel, kimyasal, elektriksel, mekanik ve optik özellikleri yığın materyallerden çok
daha farklı olan nanomalzemeler canlı organizmalarla etkileşime girdiğinde hücresel
davranışları da etkilemektedir. Günümüzde, özellikle doku mühendisliğinin temel
bileşenlerinden olan doku iskelelerinin üretiminde veya fonksiyonelleştirilmesinde
nanoteknolojiden sıklıkla faydalanılmaktadır.
Ekstrasellüler matriksi taklit etmek amacıyla üretilen doku iskelelerinin sahip olması
gereken özelliklerden biri olan homojen ve birbiriyle bağlantılı gözenek yapısını
oluşturmak için nanofiber üretim yöntemi olan elektroeğirme tekniğinden
faydalanılmaktadır. Yüksek voltaj yardımıyla polimer çözeltisinden sürekli fiber
çekimi prensibiyle çalışan bu yöntem ile yüksek yüzey alanlı, hücrelerin adhezyon,
proliferasyon ve migrasyonnunu destekleyen doku iskeleleri üretilebilmektedir.
Doku iskelesi üretiminde doğal, sentetik veya kompozit polimerler kullanılmaktadır.
Polimer seçimi rejenerasyonu hedeflenen dokunun gereksinimlerine göre
gerçekleştirilmektedir. Poli(Ɛ-kaprolakton) dayanıklılığı, yüksek mekanik özellikleri
ve kolay erişilebilirliği ile doku mühendisliği uygulamalarında dikkat çekmektedir.
İçinde bulunduğu koşullara bağlı olarak bir yılı aşan bozunum süresiyle poli(Ɛkaprolakton) dayanıklılığı en yüksek polimerler arasındadır. Polimerlerin
biyobozunum süreleri molekül ağırlıklarıyla değişmektedir. Bu durum aynı polimerin
farklı molekül ağırlıklı versiyonlarıyla farklı bozunum sürelerine sahip doku
iskelelerinin üretilebileceğini ifade etmektedir. Kullanılacak doku iskelelerinin,
rejenerasyonu hedeflenen dokuya spesifik bozunma sürelerine sahip olması bilim
dünyasında önem verilen bir özelliktir.
Doku iskelelerinin rejeneratifliğinin ve dayanımının artıtılması için polimerler
karbonik nanomalzemelerle desteklenmektedir. Literatürede bu karbonik yapılardan grafen ve türevlerinin diğer karbon formlarına kıyasla daha biyouyumlu olduğu
bildirilmektedir. Karbon atomunun sp
2
hibritleşme ürünü olan bal peteği örgü
yapısındaki grafen ve türevleri sahip olduğu elektron düzenlemesiyle biyouyumluluk,
biyobozunurluk, kimyasal stabilite, yüksek elektriksel iletkenlik, termal iletkenlik,
esneklik ve sağlamlık gibi sıradışı özellikler sergilemektedir. Grafenin okside formu
olan grafen oksit ise içerdiği alkol, karboksilik asit ve epoksi gruplarıyla grafen
türevleri arasında biyomedikal uygulamalarda en çok tercih edilenidir. Literatürde
yer alan çalışmalar grafen ve türevlerinin hücrelerin proliferasyon ve gelişmelerini
desteklediğini, yara iyileşme sürecini hızlandırdığını bildirmektedir.
Günümüzde doku mühendisliği uygulamalarının nanoteknoloji ile bütünleşmesi
sonucunda daha rejeneratif, biyolojik yapılarla daha uyumlu, biyobozunur ve doğal
ektraselüler matriks yapısına çok daha fazla benzeyen doku iskeleleri
geliştirilebilmektedir. Geliştirilen bu doku iskeleleri kronik/yanık yara örtü
materyali, implant yüzey kaplama materyali veya rejeneratif vücut içi destek
materyali olarak kullanılmaktadır.
Bu tez çalışmasında grafen oksit nanopartiküllerle fonksiyonalize edilerek rejeneratif
özelliği arttırılmış polimerik doku iskelelerinin elektro eğirme yöntemiyle üretilmesi
hedeflenmiştir. Çalışmada düşük molekül ağırlıklı poli(Ɛ-kaprolakton) (Mw=60000)
kullanılmış, literatüre kıyasla daha düşük molekül ağırlıklı poli(Ɛ-kaprolakton)dan
elde edilecek doku iskelesinin davranış özelliklerinin ve fizyolojik şartlara
uygunluğunun belirlenmesi amaçlanmıştır.

Anahtar Kelimeler : Grafen, grafen oksit, nanoteknoloji, doku mühendisliği,
elektroeğirme, düşük molekül ağırlıklı poli(Ɛ-kaprolakton), nanofiber, biyobozunum

Abstract:
Richard Feynman's "There's Plenty Of Room At The Bottom" speech, published in
1960, is considered the starting point of nanotechnology. Nanotechnology allows
materials to be produced with much more advanced properties than mass materials.
The range of 1-100 nanometers is called Nanoscale. Nanomaterials in the range of
nanoscale show properties such as high electrical conductivity, high mechanical and
thermal resistance due to the increased surface area/volume ratio. At the
nanomaterials, physical, chemical, electrical, mechanical and optical properties are
much different than mass materials. Moreover, nanomaterials interact with living
organisms and affect cellular behavior. Today, nanotechnology is frequently used
especially in the production or functionalization of tissue scaffolds, which are the
main components of tissue engineering.
Tissue scaffolds are used for mimicking to the natural extracellular matrices in tissue
engineering. In order to create a homogeneous and interconnected pore structure, the
electrospinning technique is used in tissue engineering. The working principle of this
method is continuous fiber extraction from polymer solution via high voltage apply.
Thanks to this method, high surfaces scaffolds can be produced. The high surface
area provides adhesion, proliferation, and migration of cells on tissue scaffolds.
Natural, synthetic or composite polymers could be used in the production of tissue
scaffolds. Polymer selection is carried out according to the requirements of the
targeted tissue. Poly(Ɛ-caprolacton) is an attractive polymer in tissue engineering
applications because of its durability, high mechanical properties and easy
accessibility. Poly(Ɛ-caprolactone) is one of the most durable polymers in
consequence of the degradation time exceeding one year depending on the
conditions. The biodegradability of polymers changes according to the molecular
weights of the polymer. This means that tissue scaffolds which have different
degradation times can be produced from different molecular weight versions of the
same polymer. The fact that the tissue scaffold has a biodegradation time specific to
the target tissue is an important feature in the scientific world.
Polymers are supported by carbonic nanomaterials to increase the regeneration and
strength of tissue scaffolds. In the literature, it is reported that the graphene and its derivatives are more biocompatible than other carbon forms. Graphene and its
derivatives are two-dimensional materials in the honeycomb lattice structure, which
is the sp2
hybridization of the carbon atom. Graphene and its derivatives show
unusual properties such as biocompatibility, biodegradability, chemical stability,
high electrical conductivity, thermal conductivity, flexibility and durability thanks to
the its electron arrangement. Graphene oxide, which is an oxidized form of graphene,
is most preferred graphene type in biomedical applications because of includes
alcohol, carboxylic acid and epoxy groups. Studies in the literature suggest that
graphene and its derivatives promote the proliferation and development of cells and
accelerate the wound healing process. Nowadays, as a result of the integration of
tissue engineering applications with nanotechnology, tissue scaffolds which are more
regenerative, more compatible with the biological structures and much more similar
to the natural extracellular matrix structure can be developed. These scaffolds are
used as chronic / burn wound dressing material, implant surface coating material or
regenerative supporting material.
In this thesis, it is aimed to produce polymeric scaffolds which functionalized with
graphene oxide nanoparticles via electrospinning method. In this study, low
molecular weight poly (Ɛ-caprolactone) (Mw = 60000) was used. And it was aimed
to determine the behavior characteristics in physiological conditions of the tissue
scaffold obtained from lower molecular weight poly (Ɛ-caprolactone) compared to
the literature.

Key Words: Graphene, graphene oxide, nanotechnology, tissue engineering,
electrospinning, low molecular weight poly(Ɛ-caprolactone), nanofiber,
biodegradation