Düşük kayma gerilmeli biyoreaktörde hidrodinamik kuvvetlerin bilgisayar tabanlı analiz edilerek incelenmesi ve HepG2 hücrelerinin sferoid oluşturma potansiyelinin doğrulanması
Computer-based analysis of hydrodynamic forces in low shear bioreactor on spheroid formation potential of HepG2 cells
Yazar: YUNUS ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. SUPHİ ŞURİŞVAN ÖNCEL
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kayma gerilmelerine duyarlı hücrelerin üretilmesine yönelik tasarlanan, hassas karıştırma ve düşük kesme kuvvetlerinin oluşturulmasının yanında düşük yerçekimi etkisiyle 3 boyutlu (3D) hücre proliferasyonu sağlayabilen karıştırma elemanlarına sahip bir biyoreaktörün, prototipi üzerinde optimizasyon çalışmaları ve laboratuvar ölçeğinde HepG2 hayvan hücre hattı üzerinde kültür denemeleri gerçekleştirilmiştir. Düşük kesme kuvvetlerinin ve yerçekimi etkisinin sağlanması tez çalışmasının ana amacı olmakla birlikte, yapılan hücre ve doku kültürü denemeleri ile elde edilen sonuçlar ile bu hedef karşılanmıştır. Sözü edilen biyoreaktör tasarımı, yatay konumlandırılmış silindirik bir gövdeye ve karşılıklı yerleştirilen iki adet U biçimli karıştırıcıya sahiptir. Karşılıklı yerleştirilmiş ve biri diğerinin iç kısmına geçmiş olan çapa (anchor) benzeri karıştırıcılar, birbirlerinin hidrodinamik kuvvetlerini azaltıcı etki göstererek, biyoreaktörün merkezinde düşük kayma gerilimi karakterine sahip bir bölge oluşturmaktadır. Bilgisayar tabanlı akış dinamiği simülasyonları ile biyoreaktör içi hidrodinamik kuvvetler incelenmiş, bu bilgiler ışığında imalatı tamamlanan biyoreaktör sferoid üretimi için kullanılmaya başlanmıştır. Hali hazırda ticari olarak üretimi gerçekleştirilen benzer özelliklere sahip biyoreaktörlerin düşük çalışma hacmi ve döner gövdeye sahip olmalarının neden olduğu kontrol güçlüğü ve sürekli üretime olanak sağlamamaları, çalışmaların alanını kısıtlayan en önemli etkenlerdir. Tasarımı yapılan ve patentleme aşaması tamamlanmış olan söz konusu biyoreaktörün, ileri hücre kültürüne uygun şekilde prototiplendirilmesi ve hücre çalışmalarının yapılması ile mevcut düşük kayma gerilimi sağlayan biyoreaktörlerin sorunlarının üstesinden geldiği gösterilmiştir.

Abstract:
The experiment in the studies was carried out on the prototype of a bioreactor, which is designed for the production of cells sensitive to shear stresses, with mixing systems that can provide sensitive mixing and low shear stress, as well as 3D cell proliferation with low gravity effect. It was attempted cell culture experiments on the HepG2 animal cell line at laboratory scale. The effect of gravity and low shear stress on the production of HpG2 spheroids in the bioreactor is the main purpose of the thesis.this goal has been met with the results obtained from the cell and tissue culture experiments. The aforementioned bioreactor design has a horizontally positioned cylindrical body and two U-shaped mixers placed opposite each other. Anchor-like stirrers placed opposite and intertwined with each other create a region with low flow characteristics in the center of the bioreactor by reducing the hydrodynamically forces of each other. The bioreactor, for which computer-based flow dynamics simulations (computational fluid dynamics) have been made, has been started to be used for the production of HepG2 spheroids, whose manufacturing has been completed. The difficulties in online control of process caused by the low working volume and rotating body of the bioreactors with similar characteristics, which are currently produced commercially, and the fact that they do not allow for continuous production are the most important factors limiting the scope of the studies. It is thought that the problems of existing low shear stress bioreactors can be overcome by prototyping the bioreactor in question, which has been designed and whose patenting phase has been completed, in accordance with advanced cell culture and conducting cell culture studies.