Plateletçe zengin plazmanın ayrımı için disk tabanlı bir sistemin tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of a disk-based system for separating platelet rich plasma
Yazar: MELİH ZEKİ YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. MEMED DUMAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kan, % 55'i plazma denilen sıvıdan ve % 45'i şekilli kan hücrelerinden oluşur. Plazmanın ana görevi besin, atık ürünler, antikorlar, pıhtılaşma proteinleri, hormonlar, vücudun sıvı dengesini korumaya yardımcı proteinler ve kan hücrelerini taşımaktır. Günümüzde yaralı bağ dokunun iyileştirilmesine yönelik kullanımının yanı sıra estetik açıdan da yeni bir yaklaşım sunan plateletçe zengin plazma (PZP) tedavisi, hastanın kendi platelet derişimlerinin enjeksiyonu ile gerçekleştirilen popüler bir uygulamadır. Bu yöntemde, iyileştirme ve geliştirmeye yönelik her bir hastanın kendi iyileşme sistemini kullanarak immun riski en aza indirmek amaçlanmaktadır. PZP tedavisinin daha etkili sonuç verebilmesi için kandan istenilen oranda ve yüksek saflıkta platelet elde edilmesi gereklidir. Bu amaçla günümüzde sadece ticari olarak piyasada bulunan PZP kan tüpleri ve santrifüj yöntemi kullanılmaktadır. Kullanılan 2 ayrı yöntem bulunmaktadır. Bunlar tek santrifüj ile PZP eldesi ve çift santrifüj işlemi ile PZP
eldesidir. Tek santrifüj işleminde genellikle kısa sürede yüksek hızlarda, çift santrifüj işleminde ise uzun sürede ve değişken hızlarda santrifüj işlemi yapıldığından, platelet hücrelerinin strese girmelerine, hasar görmelerine, aktif olmalarına, topaklanmalarına ve istenilen saflıkta elde edilememelerine neden olmaktadır.
Sunulan tez çalışmasında bu problemlerin en aza indirilebilmesi için, disk tabanlı bir PZP ayırma kiti geliştirilmiştir. Bu ayırma kitinin geliştirilmesinde üç farklı basamak bulunmaktadır. Bunlar sırasıyla, disk tabanlı sistemin geliştirilmesi, santrifüj cihazının geliştirilmesi ve tiksotropik jel'in geliştirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda kandaki plateletçe zengin bölgenin hızlı ve basit bir şekilde ayrılmasını sağlamak için ilk olarak, farklı tasarımlara sahip disk tabanlı sistemler Solidworks 2018 Premium programı ile 2- Boyutlu ve 3-Boyutlu olarak geliştirilerek etkinlikleri incelenmiştir. Bu doğrultuda farklı kanal yapıları, kanal tasarımları, yükleme aparatları gibi parametreler kan numunesinin miktarına ve kırmızı kan hücresi/plazma oranına göre optimize edilerek en uygun disk tasarımı belirlenmiştir. Tasarım, lazer kesim cihazı yardımıyla Polimetilmetakrilat
(PMMA) tabakalar ve 130 μm kalınlığa sahip çift taraflı bant katmanlarından oluşturulmuştur. İkinci aşamada, disk tabanlı sisteme uygun bir santrifüj cihazı geliştirilmiştir . Bunun için STM32F103 geliştirme kartı programlanarak BLDC Grand Turbo GT2215/09 motor ile birleştirilerek disk tabanlı sisteme uygun merkezkaç kuvvetinin uygulanmasını
sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Disk tabanlı sistemin santrifüj işlemi sırasında görüntülenmesini sağlamak için Arduino Uno geliştirme kartı programlanarak Power led'li stroboskop sistemi ile Canon Eos 450D fotoğraf makinesi kullanılmıştır. Üçüncü aşamada ise kandan etkin bir şekilde PZP eldesi için disk tasarımına entegre edilmek üzere tiksotropik jel geliştirilmiştir. Bu jel, ticari olarak piyasada bulunan bir jel ile karşılaştırılarak FTIR ve reolojik özellikleri belirlenmiştir. Reolojik analizler sonucunda, geliştirilen jelin tiksotropik olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak çalışma neticesinde, geliştirilen tiksotropik jelin entegre edildiği uçak tasarımında denemesi yapılan Z şekilli kanal ile elde edilen PZP'nin, platelet sayım analizi yapılmıştır. Analiz sonucuna göre elde edilen PZP'nin tam kandaki platelet sayısını zenginleştirme faktörünün 3,53 kat olduğu tespit edilmiştir. Böylelikle tam kandan, disk tasarımı nedeniyle uygulamada kolay, platelet hücrelerini strese sokmadan düşük santrifüjleme hızında, daha kısa sürede ve uygun maliyetli kırmızı kan hücrelerini ayırıcı jel içeren bir disk tabanlı sistem kullanılarak, PZP eldesi başarı ile gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen bu ayırma yönteminin farklı tıbbi amaçlar için PZP uygulamalarında önemli bir ilerleme sağlayacağına inanıyoruz.

Abstract:
Blood consists of 55% blood fluid called plasma, and 45% shaped blood cells. The main task of plasma is to transport nutrients, waste products, antibodies, coagulation proteins, hormones, proteins that help maintain the body's fluid balance and blood cells. Plateletrich plasma (PRP) therapy, which offers a new aesthetic approach as well as its use for the improvement of injured connective tissue, is a popular application performed by injection of the patient's own platelet concentrations. In this method, it is aimed to minimize the immune risk by using each patient's own recovery system for improvement and development. In order for PRP treatment to give more effective results, it is necessary to obtain the desired rate and high purity platelets from the blood. For this purpose, only commercially available PRP blood tubes and centrifuge method are used today. There are 2 different
methods used. These are the production of PRP with a single centrifuge and PRP with a double centrifuge process. Since the centrifugation process is performed at high speeds in a short time in a single centrifuge process, in a long time and at variable speeds in the double centrifuge process, it causes platelet cells to be stressed, damaged, active, agglomerate and not obtain the desired purity. n this thesis, a disk-based PRP separation kit has been developed in order to minimize these problems. There are three different steps in the production of this separation kit. These are respectively the development of the disc-based system, the production of the
centrifuge device and thixotropic gel. First of all, in order to ensure the quick and simple separation of the platelet rich region in the blood, disc-based systems with different designs were designed in 2D and 3D with the Solidworks 2018 Premium program and their effectiveness was examined. The most suitable disc design was determined by optimizing parameters such as different channel structures, channel designs, loading apparatus according to the amount of blood sample and the red blood cell / plasma ratio. The design is produced from Polymethylmethacrylate (PMMA) layers and 130 μm double-sided tape layers using a laser cutting device. Secondly, A centrifuge device suitable for disc based system was improved. The STM32F103 development board is programmed and combined with the BLDC Grand Turbo GT2215 / 09 engine so as to allow the proper centrifugal force to be applied to the disk-based system. Arduino Uno development board was programmed and Canon Eos 450D camera was used with Power led stroboscope system to display the disk based system during the centrifuge process. Thirdly, A thixotropic gel was produced to be integrated into the disc design for the efficient isolation of PRP from the blood. By comparing with a commercially gel, the FTIR rheological properties of gels were determined and rheological analysis confirmed
that the our gel was show thixotropic behaviour. Consequently, after the centrifugation process, it was determined that the enrichment factor was increased by 3.53 with the platelet count analysis performed after PRP
isolation with a Z-shaped channel disc in which the thixotropic gel produced was integrated. Thus, PRP was successfully obtained from whole blood using a simple, low centrifugation speed, shorter time and cost effective disc-based system with separating gel. We believe that this separation method produced will make a significant progress in the implementation of PRP for medical purposes.