Elektro-eğirme yöntemiyle elde edilen kollajen nanofiberlerin alternatif yöntemler kullanılarak dayanıklılığının arttırılması
Increasing the durability of electrospun collagen nanofibers using alternative methods
Yazar: SELÇUK KAAN HACIOSMANOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KAZANCİ
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Kollajen doğada farklı hayvansal kaynaklarda en sık rastlanan protein türüdür. Yirmiden fazla türü olmakla birlikte, Tip I; deri, kemik, tendon, ligament gibi yapılarda en fazla rastlanan çeşididir. Biyomedikal uygulamalarda karşılaşılan en büyük sorunlardan bir tanesi kullanılan malzemenin toksik etki göstermesidir. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda kollajenin kayda değer bir toksik etki göstermemesi, kollajenin biyomedikal uygulamalarda yaygın bir kullanım alanına sahip olmasına sebep olmuştur. Kullanıma uygun hale getirmek için kollajenin farklı formlarda (film, membran, fiber) yeniden üretilmesi gerekmektedir. Kollajen, ekstraselüler matriksin yapısında, fiber formunda bulunduğu için, biyomedikal ve doku mühendisliği gibi alanlarda kullanımı açısından bu formda üretimi özellikle önem kazanmaktadır. Bunun için önerilen metot ise elektriksel eğirme işlemidir. Elektriksel eğirme yöntemi kolay, ucuz ve kısa zamanda fiber üretimi için uygun bir tekniktir. Aynı zamanda gerekli parametreler değiştirildiği takdirde fiber çapı nanometre boyutlarına kadar indirilebilmektedir. Bunun yanında elektriksel eğirme yöntemi kesintisiz fiber üretimini sağlayan, bilinen tek teknik olma özelliğine de sahiptir.
Kollajenin yaygın olarak kullanılmasının önündeki en önemli problemler; ekstraksiyon yöntemlerinin uzun sürmesi, pahalı olması, çok aşamalı ve üretim sonrası verimi düşük prosedürlerden oluşmasından kaynaklanmaktadır. Kollajenin yurt dışından temin yoluna gidildiğinde ise dışarıya önemli miktarda kaynak aktarımı söz konusudur (Ülkemizde şuan için kayda değer bir kollajen üretimi yapılamamaktadır). Tüm bu sorunları aşabilmek için, önerilen bu proje ile kendi kollajen hammaddemizi, şimdiye kadar kullanılan ve uzun zaman alan yöntemlerde bazı modifikasyonlar yaparak, üretmeyi hedeflemekteyiz.
Şimdiye kadarki yaptığımız çalışmalarda kollajen nanofiber üretimi gerçekleştirilmiş, kollajenin doğal yapısına çözeltilerin etkisi, elektriksel eğirme metodunun ve uygulanan farklı işlemlerin etkisi başarılı bir şekilde gösterilmiştir. Ancak karşılaştığımız en önemli sorun, farklı biyolojik ve biyomedikal uygulamalar için düşünülen bu ürünün suda kolayca çözünmesidir. Literatürdeki çalışmalar, ağırlıklı olarak fiziksel ve kimyasal çapraz bağlama tekniklerini içermektedir. Fiziksel çapraz bağlama yöntemlerinin en önemli dezavantajı kollajenin doğal yapısını bozması ve istenilen özellikleri kazandıramamasıdır. Kimyasal çapraz bağlama yöntemlerinde ise nanofiberlerin çözünme hızı, çapraz bağlanma hızına göre daha yüksek olduğunda, işlem gerçekleşmeden nanofiberler deforme olup şeklini kaybetmektedir. Bu da son üründe beklenilen fiber morfolojisinin korunamamasına sebep olmaktadır. Bu sebeple önerilen bu projede iki temel yöntemde gözlenen zafiyetin ortadan kaldırılması için iki aşamalı ve iki temel yöntemin birleştirilmesinden oluşan yeni bir prosedür yenilikçi bir yaklaşım olarak sunulmaktadır.
İlk aşamada dört farklı ajanın birbiriyle karşılaştırılması amacıyla, (Genipin, Transglutaminaz, EDC(1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimide hidroklorid)-NHS(N-Hidroksisukkinimid), Gluteraldehit ), elektriksel eğirme için hazırlanan dört farklı kollajen solüsyonu içine ayrı ayrı katılarak nanofiber üretimi esnasında yapının sağlamlaştırılması (in-situ bağlama) amaçlanmaktadır. Bu şekilde kollajenin fizyolojik şartlara dayanıklılığı arttırılırken, morfolojik yapısının da önemli ölçüde korunması planlanmaktadır. Böylelikle rejeneratif tıp ve biyomedikal gibi alanlarda kullanımı yaygınlaşacaktır.

Abstract:
Collagen is the most common animal-derived protein in Nature. Even though there are more than twenty types of collagen, Type I is the most common one that could be found in skin, bone, tendon and ligament. This is the reason it has recieved attraction as an alternative biomaterial to be used in different biomedical applications to avoid any toxic effect. It is necessary to regenerate collagen in different forms (film, membrane, fiber) to be able to answer different demands. Extracellular matrix (ECM) is one of the components that contain collagen in nanofiber forms and electrospinning technique is the best suitable method to imitate the ECM nanofiber structure. Electrospinning is inexpensive, easy, efficient and robust method for fiber production. It is possible to produce fibers from micro diameter to nano diameter by changing the certain parameters. Moreover, the electrospinning is the only technique to produce continues nano scale fibers. 
The main limiting factor for collagen to become a common biomaterial is the extraction methods that are time consuming, expensive, inefficient and consist of many further purification steps. Main collagen production companies are located abroad, as a result, a significant amount of money transfer to foreign countries (There is no collagen production in Turkey, only gelatin production is possible). In order to solve this problem, we are aiming to produce our own collagen raw material with some modifications in established techniques. 
In our previous publications, we have already successfully produced collage nanofibers. The effect of different solvents, production techniques and electrospinning process itself on natural structure of collagen were successfully investigated. Even though the physical structure of ECM was successfully imitated, the main problem of these nanofibers' applications in biological and biomedical fields is their degradation in physiological conditions. Until now, the major works in the literature focus on the chemical and physical crosslinking of collagen nanofibers. The main disadvantage of physical crosslinking method is the ineffectiveness for fiber degradation and lack of required strength values. The main problem with the chemical crosslinking method is the rate of collagen degradation is faster than the rate of crosslinking is. Therefore, the nanofibers cannot preserve their fiber forms in  solvent during the process. To be able to tackle these major problems, we propose to use two steps process, simple combining these two major techniques in a noble way.
As a first step, four different crosslinkers (Genipin, Transglutaminaz, EDC-NHS, Gluteraldehide ) will be added separately into different electrospinning solution to compare their effectiveness. In this way, the crosslinking will be realized during electrospinning process that called as in-situ crosslinking. As a second step, in-situ crosslinked collagen nanofibers will be collected on lamellae that dipped into genipin solution and dried over night before the deposition of the collagen nanofibers. The second step is mainly physical crosslinking method. The fibers will not be just cross-linked, but also the degradation will be avoided, and the fibers morphology will be preserved. We expect that this approach will increase the usage (broaden the application) of collagen nanofibers in biological and biomedical field.