Stronsiyum-nano zeolit A ile desenlenmiş üç boyut baskılı poli(laktik asit) kemik doku iskelelerinin geliştirilmesi
Development of strontium-nano zeolite A patterned three dimensional printed poly(lactic acid) bone tissue scaffolds
Yazar: GÜRKAN TİRYAKİ
Danışman: DOÇ. DR. EDA AYŞE AKSOY ; DOÇ. DR. SEDAT ODABAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Kemik hasarlarında polimer bazlı destek malzemelerin kullanımı artan bir hızda devam etmektedir. Polimerlerin biyouyumlu, biyobozunur özelliklerinin olmasının yanı sıra 3B yazıcılarda kullanılabilmeleri sayesinde kişiye özel bir üretim yapılabilmesi bu artışın sebepleri arasında verilebilir. Bu tez çalışmasında üç boyutlu (3B) yazıcıda fused deposition modeling (FDM) teknolojisi kullanılarak poli(laktik asit) (PLA) bazlı destek malzemelerin üretilmesi ve yüzey modifikasyonu ile kemik hasarlarında kullanılmak üzere geliştirilmeleri amaçlanmıştır. 3B yazıcıda basılıcak olan malzeme SolidWorks programında çizilmiş, daha sonra 3B yazıcıda 180 oC'de nozzle ucunun sıcaklığında basım gerçekleştirilmiştir. 3B yazıcıda basım için PLA'nın seçilmesinin sebebi biyouyumlu ve FDA onaylı bir polimer olmasıdır. Ayrıca PLA kemik rejenerasyonu için uygun mekanik özelliklere ve biyobozunma süresine sahiptir. 3B basım öncesi ve sonrası PLA'nın kimyasal ve ısıl özellikleri sırasıyla FTIR ve DSC ile karakterize edilmiştir. İkinci aşama olarak üretilen PLA kemik destek malzemelerin yüzey modifikasyonunda kullanılacak olan nano ve mikro zeolit A tozlarının sentezleri gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen nano zeolit A tozlarının boyutları 150-250 nm arasında değişiklik gösterirken, mikro zeolit A tozları 1-1.5 μm boyutlarındadır. Nano ve mikro zeolit A tozlarının karakteristik pikleri XRD ile konfirme edilmiştir. Kemik yapısında bulunan en önemli elementlerden biri olan stronsiyum (Sr) iyon değişimi yöntemi ile zeolit A yapılarına yüklenmiştir. Sr yüklenen Zeolit A yapıları EDX ve XRD ile karakterize edilmiştir. 3B basılmış PLA malzemelerinin zeolitler ile yüzey modifikasyonu için üç farklı yöntem uygulanmıştır. Bu yöntemler sonunda ortaya çıkan ürünlerin kimyasal, ısıl ve morfolojik özellikleri incelenmiştir. Katman biriktirme tekniği ile yüzeyi nano ve mikro zeolit A, Sr yüklü nano ve mikro zeolit A ile dekore edilen PLA kemik destek malzemelerinin biyobozunma ve hücre kültür performansları değerlendirilmiştir. Zeolitler ile yüzey dekorasyonu PLA yüzeylerinde hidrofilik karakterin ve serbest yüzey enerjisinin artmasına sebep olmuştur. Saos hücreleri 14. gün sonunda zeolit modifiye edilmiş PLA yüzeylerinde, kontrol PLA'a göre daha fazla Alkalen Fosfataz (ALP) aktivitesi göstermişlerdir. Tez çalışmasında Sr yüklü zeolit A ile yüzeyi modifiye edilmiş PLA yapılarının kemik doku iskelesi olarak kullanılması yönünden olumlu ve umut verici bulgular elde edilmiştir.

Abstract:
The use of polymer based support materials in bone injuries continues with an increasing speed. Biocompatible, biodegradable properties of polymers and also their ability to be use in 3 dimensional (3D) printers for customized production can be given as the reasons for this increase. In this thesis, it is aimed to produce poly(lactic acid) (PLA) based support materials by using 3D printing fused deposition modeling (FDM) technology and modification their surface for bone injuries. For the purpose, the material to be printed in the 3D printer was drawn in SolidWorks program and then 3D printed with the nozzle tip temperature of 180 oC. The reason for choosing PLA for printing on a 3D printer is it is a biocompatible nature and being an FDA approved polymer. Also, PLA has suitable mechanical properties and biodegradation time for bone regeneration. The chemical and thermal properties of PLA before and after 3D printing were characterized by FTIR and DSC, respectively. As a second step, the synthesis of nano and micro zeolite A powders was carried out for the surface modification of PLA bone support materials. The dimensions of the synthesized nano zeolite A powders vary between 150-250 nm while the micro zeolite A powders are 1-1.5 μm. The characteristic peaks of nano and micro zeolite A powders were confirmed by XRD. Strontium (Sr), one of the most important element in bone structure, was loaded into zeolite A structures by ion exchange method. Sr loaded zeolite A structures were characterized with EDX and XRD. Three different methods have been applied for the surface modification of 3D printed PLA materials. The chemical, thermal and morphological properties of the products were examined. Biodegradation and cell culture performances of nano and micro zeolite A, Sr loaded nano and micro zeolite A decorated PLA bone support materials obtained by seeding and layer deposition technique were examined. Surface decoration with zeolites caused an increase in hydrophilic character and surface free energy of PLA surfaces. At the end of the 14th day, Saos cells showed higher Alkaline Phosphatase (ALP) activity on zeolite modified PLA surfaces compared to the control PLA. In the thesis study, positive and promising findings were obtained for the use of Sr-loaded zeolite A modified PLA structures as bone tissue scaffolds.