Yumuşak doku mühendisliği uygulamaları için serisin/keratin temelli hibrit yapılarının geliştirilmesi
Development of sericin/keratin based hybrid structures for soft tissue engineering applications
Yazar: ELİF BEYZA DEMİRAY
Danışman: DOÇ. DR. YAVUZ EMRE ARSLAN
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials

Özet:
Yapay kas malzemelerinin geliştirilmesi, rejeneratif tıp, tıbbi cihazlar, robotik ve yapay zekâ alanlarındaki çeşitli uygulamalar için büyük umut vaat etmektedir. Önemli ilgi ve ilerlemelere rağmen, biyomalzemelerde iskelet kaslarının tüm özelliklerini kopyalamak zorlu bir süreç olmaya devam etmektedir. Burada, iskelet kaslarının esnekliğinden ilham alarak, ilk kez ipek serisin (İS) ve yün keratin (YK) birlikte kullanılarak biyolojik olarak parçalanabilir ve elastik özelliklere sahip hidrojel bazlı bir iskele üretilmiştir. Ayrıca, üretilen İS-YK malzemesinin miyojenik farklılaşma derecesi incelenmiştir. Bu iskele, yerinde kabarcık oluşturma protokolüne dayalı olarak EDC/NHS kullanılarak oluşturulmuştur. Serisin ve EDC/NHS reaksiyonu sırasında CO2 kabarcıkları ortaya çıkmış ve hidrojel içinde hapsolmuştur. Farklı protein konsantrasyonları denenerek, konsantrasyon farklılıklarının mekanik direnç ve gözeneklilik üzerindeki etkileri araştırılmıştır. S4K2 en iyi esnekliği, gözenekliliği ve biyouyumluluğu sağlamaktadır. %75'lik gerilme ile kendi ağırlığının 2500 katından fazlasını kaldırabilen yapay kas malzemesi, 50 döngü içerisinde gerilime uyum sağlamaktadır. Ayrıca, İS-YK hidrojellerinin yüksek in ovo biyouyumluluğu yumurta içine implante edilerek gösterilmiş ve damarlanma oranı üzerindeki etkileri VEGF ile karşılaştırılmıştır. Bu gözlemlere ek olarak, S4K2 nanokompozitin C2C12 hücre hattı üzerindeki etkisi in vitro olarak analiz edilmiştir. qPCR analizi sonuçlarına göre, miyoblastların proliferasyonu ve miyojenik farklılaşması MyoD, MyoG ve α-aktin seviyeleri ile belirlendi. Sonuç olarak, bu çalışmada, çevremizde kolayca bulunabilen proteinleri kullanarak yumuşak doku rejenerasyonu için in-situ kabarcık stratejisi ile biyouyumlu ve elastomerik akıllı hidrojel bazlı bir iskele geliştirmek için kolay bir strateji öneriyoruz.

Abstract:
The development of artificial muscle materials holds great promise for a variety of applications in regenerative medicine, medical devices, robotics, and artificial intelligence. Despite significant interest and advances, replicating the full properties of skeletal muscles in biomaterials remains a challenging process. Here, inspired by the flexibility of skeletal muscles, we create a hydrogel-based scaffold with biodegradable and elastic properties using silk sericin (S) and wool keratin (K) together for the first time. Besides, we examine the degree of myogenic differentiation of the generated S-K material. This scaffold was fabricated using EDC/NHS based on the in-situ bubble formation protocol. During the reaction of sericin and EDC/NHS, CO2 bubbles appeared and were trapped within the hydrogel. By trying different protein concentrations, the effects of concentration differences on mechanical resistance and porosity were investigated. S4K2 provides the best elasticity, porosity, and biocompatibility. Artificial muscle material, which can lift more than 2500 times its own weight with 75% strain, adapts to the tension within 50 cycles. The high in Ovo biocompatibility of S-K hydrogels was demonstrated by implanting them into the egg, and their effects on the vascularization rate were compared with VEGF. In addition to these observations, the effect of S4K2 nanocomposite on the C2C12 cell line was analyzed in vitro. According to the results of qPCR analysis, proliferation and myogenic differentiation of myoblasts were determined by MyoD, MyoG and α-actin levels. In conclusion, in this study, we propose a facile strategy to develop a biocompatible and elastomeric smart hydrogel-based scaffold with in-situ bubble strategy for soft tissue regeneration using proteins readily available in our environment.