Kemik doku mühendisliği uygulamaları için fonksiyonel polimerik kompozit biyomalzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of functional polymeric composite biomaterials for bone tissue engineering applications
Yazar: CANKIZ GİZEM DELİBALTA
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİÇEK ; DOÇ. DR. EZGİ EREN BELGİN
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Kemik dokusu kritik boyutları aşmadığı sürece kendi kendini iyileştirebilecek bir özelliğe sahiptir. Kritik boyut eşiği olan iki santimetreyi aşan kemik doku kayıplarında kendi kendine iyileşme gözlenememekte ve destek malzemesi kullanılması gerekmektedir. Bu alanda farklı metotlar ve malzemeler ile birçok çalışma yapılmaktadır. Tez kapsamında, kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmak üzere polimer matrisli hibrit kompozit kemik doku iskelesi malzemesi üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu amaçla üç boyutlu (3B) baskı yöntemi ve elektroeğirme yönteminin bir arada kullanıldığı yeni bir hibrit yöntem geliştirilmiştir. İlk olarak 3B yazıcıda kullanılmak üzere filament ekstrüzyon makinesiyle kompozit filamentler üretilmiştir. Matris malzemesi olarak biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilen polimer olan Polikaprolakton (PCL), katkı malzemesi olarak ise biyoaktif ve mekanik özelliklerinden dolayı hidroksiapatit (HA) ağırlıkça %5, %10, %15 oranlarında kullanılmıştır. Başlangıç toz numuneleri ve üretilen kompozit filamentler fiziksel, morfolojik ve termal olarak karakterize edilmiştir. Elde edilen kompozit filamentler kullanılarak gözenek çapı 1-1,5 mm aralığında olacak şekilde 3B kemik doku iskele modelleri üretilmiştir. Basma testi sonuçları % HA katkısının artmasıyla ortalama elastik modülünün arttığını ve en yüksek değerin %15HA katkısı ile 63.13±9.67 MPa olarak elde edildiğini göstermiştir. Daha sonra bu iskelelerin yüzey özelliklerini biyolojik ortamlara uyumlu olacak şekilde iyileştirmek amacıyla yaklaşık 10 µm kalınlığında polidopamin (PDA) ile kaplanmıştır.  Kaplamasız kemik doku iskeleleri mekanik ve fiziksel, kaplamalı kemik doku iskeleleri ise fiziksel, morfolojik, kimyasal olarak karakterize edilmiş ve tüm numuneler degradasyon testine tabi tutulmuştur. Ayrıca belirlenen PDA kaplamalı bir 3B iskeleye sitotoksisite testi uygulanmıştır. Hücre canlılığın %70'in üzerinde olduğu ve sitotoksik etki göstermediği anlaşılmıştır. PDA kaplamalı 3B iskele modellerde HA miktarı arttıkça temas açısı düştüğü belirlenmiştir. En düşük temas açısı değerine sahip %15 HA katkısı ile üretilmiş 3B iskele modeli üzerinde lif biriktirerek hibrit yapı eldesinde kullanılmıştır. Bu amaçla öncelikle geliştirilen yeni bir elektroeğirme yöntemiyle 3B iskele modellerin gözeneklerine bakır teller yerleştirilmiş ve kemik doku hücre tutunmasını artırmak amacıyla PCL, balık kolajeni (KOL), grafen oksit (GO) ve HA içeren kloroform/dimetilsülfoksit çözeltileri kullanılarak PCL/KOL, PCL/KOL/GO ve PCL/KOL/HA nanoliflerinin 3B iskele model yüzeyinde birikimi sağlanmış, yüzeyi 600-800 nm aralığında olan nanolif tabaka içeren gözenekli 3B iskele model kompozit hibrit yapılar oluşturulmuştur. Elde edilen hibrit doku iskeleleri morfolojik olarak SEM ile incelenmiş ve liflerin yüzeye tutunduğu görülmüştür. Üretilen kemik doku iskelelerinin hücre kültürü çalışmaları yapılmış, yüzeyde kalsiyum birikimi gözlemlenmiştir. PDA kaplı 3B yapı iskeleleri üzerinde PCL/KOL/HA ve bunun yanı sıra ilave olarak GO oksit eklenmiş lif ile kaplanmış hibrit yapıları ile en yüksek Ca minerilizasyonu elde edilmiştir. Tezde üretimi gerçekleştirilen 3B iskele model yapıların makro gözenekli, PDA kaplamalı ve üzerleri daha küçük çaplı gözeneklere sahip lif ağları ile kaplanmış olarak kemik oluşumu için yapılacak uygulamalarda yeni, morfolojik özellikleri kullanılan yöntemlerle kolayca değiştirilebilecek olması nedeniyle alternatif biyomalzeme potansiyelleri bulunmaktadır.

Abstract:
Bone tissue has the ability to heal itself as long as it does not exceed critical dimensions. In bone tissue losses exceeding the critical dimension threshold of two centimeters, self-healing cannot be observed and support material must be used. Many studies are being carried out in this field with different methods and materials. Within the scope of the thesis, the production and characterization of polymer matrix hybrid composite bone tissue scaffold material for use in bone tissue engineering applications was aimed. For this purpose, a new hybrid method was developed in which three-dimensional (3D) printing method and electrospinning method were used together. First, composite filaments were produced with a filament extrusion machine to be used in 3D printers. Polycaprolactone (PCL), a biocompatible and biodegradable polymer, was used as matrix material, and hydroxyapatite (HA) was used as additive material due to its bioactive and mechanical properties at 5%, 10%, and 15% by weight. Initial powder samples and produced composite filaments were characterized physically, morphologically, and thermally. 3D bone tissue scaffold models were produced using the obtained composite filaments with pore diameters in the range of 1-1.5 mm. Compression test results showed that the average elastic modulus increased with the increase in the % HA contribution and the highest value was obtained as 63.13±9.67 MPa with 15% HA contribution. Then, in order to improve the surface properties of these scaffolds to be compatible with biological environments, they were coated with approximately 10 µm thick polydopamine (PDA). Uncoated bone tissue scaffolds were characterized mechanically and physically, while coated bone tissue scaffolds were characterized physically, morphologically and chemically, and all samples were subjected to degradation tests. In addition, a cytotoxicity test was applied to a determined PDA-coated 3D scaffold. It was understood that cell viability was over 70% and it did not show a cytotoxic effect. It was determined that the contact angle decreased as the HA amount increased in PDA-coated 3D scaffold models. The 3D scaffold model produced with 15% HA contribution, which has the lowest contact angle value, was used to obtain a hybrid structure by depositing fibers on it. For this purpose, copper wires were placed in the pores of 3D scaffold models with a newly developed electrospinning method and in order to increase bone tissue cell adhesion, PCL, fish collagen (COL), graphene oxide (GO) and HA containing chloroform/dimethylsulfoxide solutions were used to deposit PCL/COL, PCL/COL/GO and PCL/COL/HA nanofibers on the 3D scaffold model surface and porous 3D scaffold model composite hybrid structures containing nanofiber layers with a surface area of 600-800 nm were formed. The obtained hybrid tissue scaffolds were morphologically examined by SEM and it was observed that the fibers adhered to the surface. Cell culture studies of the produced bone tissue scaffolds were carried out and calcium accumulation was observed on the surface. The highest Ca mineralization was obtained with hybrid structures coated with PCL/COL/HA and additionally GO oxide added fiber on PDA coated 3D scaffolds. The 3D scaffold model structures produced in the thesis are macroporous, PDA coated and covered with fiber networks with smaller diameter pores, and have alternative biomaterial potential in applications for bone formation, as their new morphological properties can be easily changed with the methods used.