Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
Yazar: AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Danışman: PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyopolimerler = Biopolymers

Özet:
Nanoteknoloji, maddenin nano ölçekte, genel olarak 1 ila 100 nanometre arasında değişen boyutta malzeme içeren çok disiplinli bir alandır. Nano ölçekli malzeme ve yapıların sergilediği benzersiz özellikleri anlamak ve kullanmak için çeşitli bilimsel, mühendislik ve teknolojik yaklaşımları kapsamaktadır. Nanoteknoloji sürekli araştırma ve geliştirme çabaları ile hızla gelişen bir alandır. Son yıllarda yapılan yeni çalışmalarla yeni malzemeler ve üretim teknikleri geliştirilmektedir. Bu alanlara örnek olarak nanotıp, nanoelektronik, nanofotonik, enerji dönüşümü için nanomalzemeler ve nanosensörler verilebilmektedir. Nanoteknolojinin önemli alanlarından biri olan nanotıp uygulamalarından biri de doku mühendisliğidir. Doku mühendisliğine bağlı alt araştırma alanlarından biri olan kas doku sistemlerinde hücre yapışmasını ve gelişmesini desteklemek amacıyla nanokompozit biyouyumlu yapılar geliştirilmektedir. Genel olarak, nanoteknoloji, bilim ve teknolojide yeni sınırların kilidini açarak nano ölçekte maddeyi değiştirmek ve tasarlamak için imkanlar ortaya çıkarmaktadır. Nanokompozit, matris kısmında genellikle bir polimer ve nano ölçekli dolgu maddeleri veya katkı maddelerinden oluşan bir malzemedir. Dolgu maddeleri nanoparçacıklar, nanolifler veya diğer nanoyapılar olabilir. Nanokompozitler, nano ölçekli malzemelerin dahil edilmesi nedeniyle benzersiz özellikler ve performans özellikleri sunabilmektedir. Nanokompozit malzemeler, doku mühendisliği uygulamalarında kullanıldığında çeşitli avantajlar sunmaktadır. Nanokompozitler, gelişmiş mekanik özelliklere sahiptirler. Nanotanecikler veya nanolifler gibi nano dolgu maddelerinin dahil edilmesiyle, kompozitin mukavemeti ve sertliği arttırılabilmektedir. Bu, iskelelerin fizyolojik kuvvetlere dayanması ve büyüyen dokuya mekanik destek sağlaması açısından özellikle önemlidir. Bunun yanında bozunma hızı ve salım profilleri, doğal doku rejenerasyon süreçleriyle uyumlu olacak şekilde uyarlanabilir olmaları orijinal dokuya yakın alternatif olmalarını sağlamaktadır. Üretilen malzemenin yüksek yüzey alanı-hacim oranı, hücreler ve biyomoleküller ile etkileşimleri gelişmektedir. Yüzey modifikasyonları, hücre yapışmasını teşvik edebilir, hücresel davranış ve doku entegrasyonunu iyileştirebilmektedir. Ek olarak, biyoaktif molekülleri veya ilaçları kontrollü bir şekilde serbest bırakarak doku iyileşmesine ve yenilenmesine yardımcı olacak şekilde tasarlanabilirler.
Üretilecek malzemede bu özellikler gözetilerek, mekanik dayanımı yüksek, biyobozunur, antimikrobiyal, hücre gelişimini destekleyen özellikleri geliştirilecek şekilde tasarlanabilmektedir. Bu konuda hazırlanacak nanokompozit malzemeler; PCL, TPU, PLA gibi sentetik ve kitosan, jelatin gibi doğal biyopolimerler ile çeşitli lif üretim yöntemleri kullanılarak genellikle nanolif matriks yapısında oluşturulabilmektedir. Kas dokuya destek için, oradaki dokuların yenilenebilmesi ve büyüyebilmesi için nanotanecikler gibi katkı maddeleriyle özellikleri iyileştirilebilir. Sentetik biyopolimer çeşidi olan termalpoliüretan (TPU) toksik olmaması, mekanik özelliklerinin iyi olması, biyouyumluluk ve biyolojik bozunabilirlik özelliklerinin getirdiği avantajlar sayesinde doku mühendisliği uygulamalarında kullanabilmektedir.
Kas dokudan beklenen özelliklerin geliştirilmesi eklenecek katkı malzemeleriyle sağlanmaktadır. Yapılan çalışmaların incelenmesi sonucu bu çalışmada, kullanılması için çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT) ve bakır nanotanecikler (CuNP) hazırlanmıştır. Hazırlanan takviyelerle birlikte polimer kullanılarak elektrospining yöntemi ile bir nanolif membran oluşturulmuştur. Bakır nanotanecikler doğal antibakteriyel ve antimikrobiyal özelliklere sahiptir. Enfeksiyon riskinin endişe kaynağı olduğu bir kas doku mühendisliği bağlamında, nanokompozite bakır nanoparçacıkların dahil edilmesi, bakteriyel kolonizasyonun önlenmesine yardımcı olabilir ve implantasyon bölgesinde enfeksiyon olasılığını azaltabilir. Bunun yanında yüksek mukavemet ve sertlik gibi mükemmel mekanik özelliklere sahiptir. Bu malzemeleri nanokompozite ekleyerek, malzemenin genel mekanik mukavemeti ve tokluğu iyileştirilebilir. Nanokompozit iskelenin doğal kas dokusunun mekanik özelliklerini taklit etmek için yeterli yapısal desteği sağlaması gerekmektedir. Biyolojik özelliklerin geliştirilmesi de mekanik özellikler kadar önemlidir. Kas dokusu mühendisliğinde, tasarlanmış kas dokusuna oksijen, besinler ve diğer temel faktörlerin verilmesini kolaylaştırdığından anjiyogenezi teşvik etmek önemlidir. Nanokompozite bakır nanotaneciklerin dahil edilmesi, anjiyogenezin desteklenmesine katkıda bulunabilir ve tasarlanmış kas dokusunda damar gelişimine yardımcı olabilir. Bakır nanotanecikler, doku mühendisliği uygulamalarında faydalı olabilecek biyouyumluluk ve antienflamatuar özellikler göstermiştir. Nanokompozit iskelede bakır nanotaneciklerin varlığı, enflamasyonun azaltılmasına yardımcı olabilir ve iskele ile doku arasındaki entegrasyonu kolaylaştırarak uygun bir bağışıklık tepkisi oluşmasını destekleyebilmektedir. Aynı şekilde çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT), nanokompozitin genel mekanik özelliklerini önemli ölçüde artıran yüksek gerilme mukavemetine ve sertliğine sahiptir. Bu, yapı iskelesinin mekanik baskılar altında yapısal destek sağlaması gereken kas dokusu mühendisliği açısından ilk gerekliliktir. MWCNT'lerin dahil edilmesi, doğal mimariyi taklit ederek hücre bağlanması ve farklılaşması için daha biyomimetik bir ortam yaratır. MWCNT'ler aynı zamanda kas hücrelerinin hizalanması için fiziksel ipuçları görevi görebilmektedir. Uygun hizalama, geliştirilmiş kasılma özelliklerine sahip fonksiyonel kas dokusunun oluşmasına yol açar. MWCNT'lerin nanokompozit yapı iskelesine dahil edilmesi, kas hücrelerinin nanotüp yapıları boyunca hizalanmasını sağlayabilmektedir. Bakırda olduğu gibi MWCNT'ler, hücre yapışmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını teşvik ederek iyi biyouyumluluk ve biyoaktif özellikler göstermektedir ki bu da doku rejenerasyonunu desteklemektedir. Biyouyumluluk ve sitotoksisite gibi diğer önemli faktörlerden ödün vermeden istenen özellikleri elde etmek için nanokompozit iskele içindeki takviye malzemelerinin derişimini ve dağılımını optimize etmek gerekmektedir. Bu durumu kontrol altına tutmak için, bu çalışmada farklı derişimlerde çalışmış ve karakterizasyon analizleriyle ideal olan oran bulunmuştur.
Elektrospinningle üretilecek nanolif yapısı için dimetilformamid ve tetrahidrafuran çözücü karışımı kullanılarak termo plastik poliüretan (TPU), çeşitli oranlarda Cu nanotaneciği (CuNP) ve MWCNT ile CuNP/MWCNT/TPU nanoliflerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen nanotaneciklerin ve nanoliflerin karakterizasyonu SEM, FTIR, XRD kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nanokompozit yapının antibakteriyel aktivitelerini incelemek için antimikrobiyal test yapılmıştır. TPU ile oluşturulan nanokompozit malzeme için belli bir zaman periyodunda bakır iyonu salım testleri uygulanmıştır.
Nanokompozit lif yapılarında, ilk olarak farklı oranlarda katılarak hazırlanan MWCNT içeren nanoliflerin ortalama lif çaplarında MWCNT oranıyla küçülme ve CuNP ilavesinin artmasıyla ortalama lif çaplarında daha fazla azalma görülmüştür. Bu da daha hizalanmış ve daha ince nanolif yapılı ve sonuç olarak daha gözenekli bir malzeme oluşmasına imkan sağlamıştır. XRD analizine göre CuNP matris yapısına dahil olmuştur. Ayrıca, MWCNT ve CuNP içeren nanokompozit lif yapıların Escherichia coli ve Staphylococcus aureus bakterilerine karşı antibakteriyel özellik sağladığı ortaya çıkmıştır. Yapılan çalışmanın sonucunda elde edilen malzemenin kas doku mühendisliği uygulamaları için uygun olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Nanotechnology is a scientific field that focuses on manipulating and controlling material at the nanoscale, typically ranging from 1 to 100 nanometers. It offers the ability to develop innovative materials with specified properties and functions. Nanotechnology finds applications in diverse areas including electronics, medicine, energy, and materials science. Examples include nanosensors, nanomedicine, nanocomposites, and nanoelectronics. The development of technology and research in nanotechnology have increased interests across various fields. Nanotechnology has the potential to create new opportunities for innovation and drive technological advancements. Its applications encompass electronics, energy systems, materials science, healthcare, and environmental concerns. For instance, nanoscale transistors in electronics, high-performance solar cells in energy, and biosensors for disease treatment and drug delivery systems in healthcare and materials science. The integration of nanotechnology with biology and medicine, known as nanomedicine, holds immense promise in disease prevention, diagnosis, and treatment. It combines the disciplines of biology, chemistry, engineering, and medicine to develop more effective tools and solutions. Advances in nanomedicine include drug delivery systems, medical imaging, diagnostic platforms, implantable materials, and tissue regeneration techniques, benefiting fields such as cancer treatment and biomedical engineering.
The interplay between engineering and health sciences is becoming increasingly intertwined, driven by advancements in biomedical design, bioinformatics, and biotechnology. This convergence has led to a surge in research endeavors focused on areas such as the advancement of therapeutic devices, prosthetic technologies, and drug delivery systems. Researchers are employing inventive methodologies to tackle complex health issues, aiming to enhance the overall well-being and quality of life for individuals. Tissue engineering is a multidisciplinary field focused on devising innovative approaches to repair, replace, or regenerate damaged or lost tissues. It encompasses a diverse range of disciplines, including cellular and molecular biology, materials science, chemistry, engineering, and medicine. In the early 1990s, Langer and Vacanti provided an elucidating definition, characterizing tissue engineering as an interdisciplinary domain that combines principles from engineering and life sciences to develop biologically derived alternatives aimed at restoring, maintaining, or improving tissue function. Tissue engineering are three fundamental elements: cells, biomaterials, and physiological stimuli. By integrating human cells, biomaterials, and cutting-edge technological advancements, the fabrication of artificial tissues and organs becomes an attainable goal. Muscle tissues play a crucial role in the human body. They are involved in diverse functions such as movement, grasping, chewing, ocular movement, and metabolic regulation. However, muscle tissues, being soft in nature, are vulnerable to injury. Such injuries can result in movement impairment and organ dysfunction. While mild muscle injuries can self-renew over time, severe injuries involving a significant loss of mass, as seen in traumatic injury, aggressive tumor extraction, or muscle denervation, lead to limited regeneration and the formation of fibrosis and scar tissue. The human body contains over 600 skeletal muscles, which are connected to bones and crucial for anatomical positioning, movement, and dynamic activities like chewing. Skeletal muscles are composed of bundles of muscle fibers formed by the fusion of undifferentiated myoblasts into long cylindrical structures known as myotubes. Traditional approaches to addressing muscle tissue injuries primarily involve surgical reconstruction. However, these methods face challenges such as low survival rates, donor site morbidity, and limited availability of donor sources. Tissue engineering emerges as a promising alternative. It seeks to develop innovative and advanced systems that closely mimic the biological structure of muscle tissue, aiming to achieve higher survival rates and improve outcomes. This field of research is gaining significant attention as it holds the potential to revolutionize the regeneration of muscle tissue, offering more effective and efficient solutions.
Nanocomposite materials offer significant advantages in the realm of tissue engineering applications. One notable advantage is their enhanced mechanical properties. By incorporating nanofillers such as nanoparticles or nanofibers, the overall strength and stiffness of the composite can be significantly improved. Nanoparticles are tiny particles with sizes in the nanometer range, offering unique physical, chemical, and biological properties. Their small size and high surface area- to-volume ratio contribute to their distinctive characteristics. Nanoparticles exhibit a trilaminate structure, comprising an outermost layer that can be functionalized with various organic molecules, metallic ions, surfactants, and macromolecules. The shell layer is chemically distinct from the core, which forms the fundamental region of the nanoparticles. They are categorized based on their morphology, size, and chemical properties. For instance, gold nanoparticles are employed in cancer therapy, quantum dots find use in imaging and sensing applications, and carbon nanotubes are predominantly utilized in electronics and materials research. This aspect is particularly crucial in tissue engineering, as the scaffolds utilized need to withstand physiological forces and provide robust mechanical support to facilitate the growth of tissue. Furthermore, nanocomposites can be tailored to possess degradation rates and release profiles that align with the natural tissue regeneration processes, making them a close substitute for the original tissue. Another advantage stems from the high surface area- to-volume ratio exhibited by these materials, facilitating improved interactions with cells and biomolecules. By implementing surface modifications, cell adhesion can be promoted, thereby enhancing cellular behavior and facilitating seamless tissue integration. Moreover, nanocomposites can be engineered to aid tissue healing and regeneration by controlled release of bioactive molecules or drugs, thereby exerting precise therapeutic effects. Nanofillers, such as nanoparticles or nanofibers, offer several benefits when incorporated into composite materials. In the context of tissue engineering, where scaffolds must endure physiological forces and provide mechanical support to developing tissue, the inclusion of nanofillers enhances the strength and stiffness of the composite. Furthermore, the degradation rate and release profiles of these materials can be tailored to align with natural tissue regeneration processes, making them a promising alternative to native tissue.
Surface modifications enable enhanced cell adhesion, improved cellular behavior, and seamless integration with surrounding tissue. Moreover, nanocomposites can be engineered to facilitate tissue healing and regeneration by controlled release of bioactive molecules or drugs. In light of these properties, the desired material can be designed to possess high strength, biodegradability, antimicrobial properties, and support for cell growth. Synthetic biopolymers like PCL, TPU, and PLA are commonly utilized for preparing nanocomposites, while natural biopolymers such as chitosan and gelatin, along with various fiber production methods, can be employed to create a nanofiber matrix structure. The incorporation of nanoparticles further enhances the properties of the composite, enabling regeneration and growth of muscle tissues. Thermoplastic polyurethane (TPU), a synthetic biopolymer, exhibits non- toxicity, favorable mechanical properties, biocompatibility, and biodegradability, making it suitable for tissue engineering applications.
The incorporation of reinforcement materials is essential for enhancing the desired properties of muscle tissue. After thorough examination, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and copper nanoparticles (CuNP) were specifically chosen for this study. Through the electrospinning technique, a nanofiber membrane was successfully fabricated using a polymer matrix combined with the selected reinforcements. Copper nanoparticles possess inherent antibacterial and antimicrobial properties, making them particularly advantageous in muscle tissue engineering applications where infection risk is a concern. Their inclusion in the nanocomposite can effectively inhibit bacterial colonization and minimize the potential for infections at the site of implantation. Additionally, copper nanoparticles exhibit remarkable mechanical properties such as high strength and hardness. By integrating them into the nanocomposite, the overall mechanical strength and toughness of the material can be significantly enhanced. The utilization of multi-walled carbon nanotubes and copper nanoparticles as reinforcement materials in the nanocomposite structure offers multiple benefits for muscle tissue engineering. The antibacterial properties of copper nanoparticles mitigate infection risks, while their excellent mechanical properties contribute to improved material strength and durability. These advancements hold great promise for developing innovative solutions in the field of tissue engineering, with the potential to enhance the performance and longevity of muscle tissue constructs.
In the realm of muscle tissue engineering, the nanocomposite scaffold plays a critical role in providing both structural and biological support. Achieving mechanical properties that resemble those of natural muscle tissue is paramount, but equally important is the enhancement of biological properties. One key aspect is promoting angiogenesis, which facilitates the delivery of vital nutrients, oxygen, and other essential factors to the engineered muscle tissue. By incorporating copper nanoparticles into the nanocomposite, the promotion of angiogenesis and vascularization of the engineered tissue can be facilitated. Copper nanoparticles exhibit favorable biocompatibility and anti-inflammatory properties, making them valuable assets in tissue engineering applications. Their presence within the scaffold helps reduce inflammation and foster an appropriate immune response, enabling seamless integration between the scaffold and the surrounding tissue. In parallel, the integration of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) significantly contributes to the mechanical properties of the nanocomposite scaffold. With their high tensile strength and stiffness, MWCNTs reinforce the scaffold and effectively mimic the natural architecture, creating a biomimetic environment that promotes cell attachment and differentiation. Furthermore, MWCNTs act as physical cues for the alignment of muscle cells, a crucial aspect for the development of functional muscle tissue with enhanced contractile properties. The inclusion of MWCNTs in the nanocomposite scaffold facilitates the alignment of muscle cells along the nanotube structures, aiding in the formation of organized and functional tissue.
Both copper nanoparticles and MWCNTs demonstrate good biocompatibility and bioactive properties, promoting essential cellular processes such as adhesion, proliferation, and differentiation, which are vital for tissue regeneration. It is important to optimize the concentration and distribution of these reinforcement materials within the nanocomposite scaffold to achieve the desired properties without compromising factors such as biocompatibility and cytotoxicity. To address this, the study conducted rigorous characterization analyses, exploring various concentrations to determine the optimum ratio that balances considerations.
The production of the nanofiber structure through the electrospinning process involved the utilization of thermoplastic polyurethane (TPU), copper nanoparticles (CuNP), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), and a mixture of solvents comprising dimethylformamide and tetrahydrofuran. The proportions of Cu nanoparticles and MWCNTs in the nanofibers were varied to investigate their effects on the final composite material. To assess the characteristics of the produced nanoparticles and nanofibers, scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray diffraction (XRD) analyses were conducted. Additionally, antimicrobial testing was performed to evaluate the antibacterial properties of the nanocomposite structure. This test aimed to assess the potential of the Cu nanoparticles to inhibit bacterial colonization and prevent infection at the implantation site, given their inherent antimicrobial activity. Furthermore, to examine the release of copper ions from the TPU-based nanocomposite material over a specific period, copper ion release tests were conducted. These tests aimed to determine the sustained release behavior of the nanocomposite, which can be crucial for applications in tissue engineering where controlled release of bioactive substances is desirable. The combination of TPU, CuNP and MWCNTs in the electrospun nanofibers offers a promising approach for developing advanced materials with tailored properties for tissue engineering applications. The detailed characterization and testing methodologies employed provide valuable insights into the structural, antimicrobial, and release properties of the nanocomposite material, which are essential considerations for its potential use in regenerative medicine and biomedical applications.
Upon incorporating MWCNTs and CuNPs into the nanocomposite fiber structures, a noticeable decrease in the average diameter of the nanofibers was observed, indicating the enhanced alignment and porosity of the resulting material. Moreover, the addition of CuNPs led to further reduction in fiber diameters. The X-ray Diffraction (XRD) analysis confirmed the successful incorporation of CuNPs into the matrix structure of the nanocomposite fibers. Additionally, the nanocomposite structures demonstrated the release of copper ions, which is a desirable characteristic for their potential application in tissue engineering. Notably, these nanocomposite fibers exhibited antibacterial properties against Escherichia coli and Staphylococcus aureus bacteria, as revealed through antimicrobial testing.
The findings of this study highlight the potential suitability of the developed nanocomposite material for tissue engineering applications. The significant improvements in fiber alignment, porosity, and antibacterial properties suggest its potential use in regenerative medicine and biomedical fields. It is worth exploring further to fully understand the advantages and limitations of this material and its potential impact on muscle tissue engineering advancements.