Investigation of use of boron nitride based nanomaterials in tissue engineering scaffolds
Bor nitrür tabanlı nanomalzemelerin doku mühendisliği yapı iskelelerinde kullanımlarının araştırılması
Yazar: ZEHRA ÇOBANDEDE
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÇULHA
Yeditepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Yenileyici tıbbın gelecek vaat eden ve disiplinler arası bir alanı olan doku mühendisliği, kaybolan veya hasar gören doku veya organların geri kazanılması/yenilenmesi için gereken işlevsellik dahilinde doğal, sentetik veya yarı sentetik malzemeler kullanarak doku/organı taklit ederek çözümler geliştirmeyi amaçlamaktadır. Doku mühendisliğinde halihazırda kullanılan iskeleler, hücre tutunması, penetrasyonu, büyümesi ve yenilenmesini sağlamak için daha fazla fiziksel, kimyasal ve biyolojik geliştirmeye ihtiyaç duyulduğundan, bazı yetersizliklere sahiptir. Bu noktada nanoteknoloji fikri, nanomalzemelerin takviye malzemesi olarak doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmasıyla devreye girmektedir. Nanomalzemeler, üstün mekanik, kimyasal, fiziksel ve biyolojik özelliklerinin yanı sıra daha yüksek biyouyumlulukları nedeniyle özel fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklere sahip yüksek performanslı biyomalzemeler üretmek için tercih edilebilir.
Bu çalışmada ilk olarak, biyomedikal uygulamalarda kullanılmak üzere hem baryum titanatlar (BaTiO3) hem de bor nitrür nanotüpler (BNNT) içeren yeni ve toksik olmayan bir piezoelektrik kompozitin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Daha sonra, BaTiO3, BNNT'ler ve yeni kompozit olmak üzere üç farklı nanomateryal, yüksek piezoelektrik özelliklerinden dolayı poli (Ɛ-kaprolakton) (PCL) ve kitosan polimerlerinin içine onlara piezoelektrik özelliği kazandırmak için gömülerek kullanılmıştır. Bu piezo-kompozit yapı iskelelerinin etkileri, elektriğe duyarlı İnsan Osteoblast hücreleri (HOb) üzerinde araştırılmıştır. Yapı iskeleleri üzerindeki HOb hücreleri, hücre büyümesi sırasında düşük frekanslı ultrasonik ses dalgaları ile uyarılmıştır. Piezo-kompozit yapı iskelelerinin biyouyumluluk, hücre tutunması, alkalin fosfataz aktiviteleri ve mineralizasyonu HOb hücreler üzerinde incelenmiştir. Bu piezo-kompozit yapı iskeletlerinin kullanılması, in vivo elektrik stimülasyonunun geleneksel invazivliğini azaltarak elektriğe duyarlı hücrelerde veya dokularda piezoelektrik fenomenini kullanan kablosuz doku stimülasyon çalışmalarına oldukça katkı sağlayacaktır.

Abstract:
Tissue engineering, a promising and an interdisciplinary field of regenerative medicine, aims to develop solutions by mimicking tissue/organ using natural, synthetic or semi-synthetic materials within the required functionality for the recovery/regeneration of lost or damaged tissue or organs. The currently used scaffolds in tissue engineering have inadequacies to be applicable due to need of more physical, chemical and biological enhancements to provide better cell adhesion, penetration, growth and regeneration. At this point nanotechnology idea comes into stage by using nanomaterials that have significant contributions to tissue engineering applications as reinforcement material so far. Nanomaterials can be preferred to manufacture high-performance biomaterials with tailored physical, chemical and biological features due to their superior mechanical, physical and chemical as well as greater biocompatibility properties. In this study, first, a novel and non-toxic piezoelectric composite, which include both barium titanates (BaTiO3) and boron nitride nanotubes (BNNTs) was aimed to develop to be used in biomedical applications. Then, three nanomaterials, barium titanates (BaTiO3), BNNTs and the novel composite were used by embedding into poly(Ɛ-caprolactone) (PCL) and chitosan polymers due to their high piezoelectric properties to introduce piezoelectric feature to the composite scaffolds. Electric-responsive Human Osteoblast cells (HOb) cells on scaffolds were stimulated by applying low-frequency ultrasound (US) stimulation during cell growth. Biocompatibility, cell adhesion, alkaline phosphatase activities and mineralization of HOb cells on piezo-composite scaffolds were investigated. Utilization of these piezo-composites scaffolds will be helpful for wireless tissue stimulation studies using piezoelectric phenomena in electrically sensitive cells or tissues to decrease the conventional invasiveness of in vivo electric stimulation.