Üç boyutlu yazıcı ile yapay kornea üretimi ve elektroeğrilmiş nanofiber yama ile kornea dokusunun desteklenmesi
Fabrication of 3D printed artificial cornea and supporting the cornea with electrospun nanofiber patch
Yazar: SONGÜL ULAĞ
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜNDÜZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ŞENGÖR
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının ilk kısmında 3B yazıcı teknolojisi ile polivinil alkol (PVA)/Kitosan (KS) bazlı yapay kornea stroma dokusu üretilmiş ve karakterize edilmiştir. İkinci kısmında ise elektroeğirme yöntemi ile PVA/Jelatin (JEL)/Propolis bazlı kornea yara örtüsü üretilmiş ve karakterize edilmiştir.
İlk bölümün amacı, KS ve PVA bazlı kornea stroma dokuları 3B yazıcı ile üretilmesi ve ışık geçirgenliği, biyouyumluluk ve mekanik özellikler bakımından karakterize edilmesidir. Korneal stroma, insan yağ dokusundan türetilmiş mezenkimal kök hücreler (hADSC) ile biyouyumluluk açısından test edilmiştir. 3B kornea stroma dokularının fizikokimyasal ve kimyasal karakterizasyonu, taramalı elektron mikroskop (SEM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopi (FTIR) kullanılarak araştırılmıştır. Optik geçirgenlik, UV-Spektrofotometre kullanılarak analiz edilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, SEM görüntüleri üretilen 3B kornea stroma dokuların gerekli şekle ve boyuta sahip olduğunu göstermiştir (400 μm kalınlığa sahip). FTIR spektrumları ile karışımlara ait tahmin edilen karakteristik piklerin varlığı gözlenmiştir. %13 PVA ve %13 PVA/%(1, 3, 5)KS kornea stroma dokularının şişme ve bozunma çalışmaları, 3B yapıların 7 günlük yüksek şişme oranlarına ve 30 günlük bozunma sürelerine sahip olduğunu göstermiştir. Üretilen 3B kornea yapılarının ışık geçirgenlik değerleri KS ilavesi ile %10 kadar bir düşüş gözlenmiştir. KS oranı arttıkça gerilme mukavemeti değerleri de azalmış, ancak 12-22 mm-Hg arasında değişen göz içi basıncına (GİB) dayanabilecekleri kanıtlanmıştır. Biyostabilite çalışmaları, 3B kornea stroma dokularının 30 günlük bozunmadan sonra bile hADSC' lerle uyumlu olduğunu ve bu hücrelerin gelecekte stroma katmanına farklılaşması için potansiyele sahip olduklarını göstermiştir. Tez çalışmasının bu kısmında üretilen 3B kornea stroma dokularının klinik uygulamalar için hızlı ve özel üretimine yönelik potansiyele sahip olduğu söylenebilir.
Tez çalışmasının ikinci kısmında, PVA/JEL/Propolis tabanlı biyouyumlu nanofiber yara örtüsü elektroeğirme tekniği ile üretilmiştir. Propolis' in kontrollü salımı, üretilen kornea yara örtülerinin yüzey ıslanabilirlik davranışları, Staphylococcus Aureus (S. aureus) ve Pseudomonas Aeruginosa (P. aeruginosa)' a karşı antimikrobiyal aktiviteleri ve mezenkimal kök hücreler ile biyouyumluluk özellikleri ayrıntılı olarak araştırılmıştır. %13 PVA' ya ağırlıkça %0.5, 1 ve 3 JEL eklendiğinde morfolojik ve mekanik sonuçlar, %13 PVA/%0.5 JEL içine %3 ve %5 Propolis eklenmesinin optimum sonuç verebileceğini göstermiştir. Çünkü, JEL oranı arttıkça hem mekanik dayanım düşmüş hem de nanofiber yara örtüsü çaplarının JEL eklenmesiyle arttığı (290 nm' den 400 nm' ye) gözlenmiştir. Propolis eklenen nanofiber yara örtülerinin SEM analizlerine bakıldığında, çapraz bağlama işleminin daha kalın nanofiber çaplara neden olduğu söylenebilir. Mekanik sonuçlar incelendiğinde, kopma anındaki gerilme mukavemeti ve uzama değerleri %13 PVA/%0.5 JEL/%3 Propolis nanofiber yara örtüsünün yeterli değerlere sahip olduğunu göstermiştir. Propolis' in nanofiber yara örtüsünden salım davranışı incelendiğinde, ilk bir saate Propolis hızlı salım profili çizmiş ve daha sonra sabit bir şekilde nanofiber yapılardan 6 saat içinde tamamen salınmıştır. Biyouyumluluk ve yüzey ıslanabilirlik sonuçları, %3 Propolis ilavesinin mezenkimal kök hücre ile biyouyumluluğu arttırıp proliferasyonu güçlendirdiği gözlenmiştir. Antimikrobiyal aktivite sonuçları, Propolis yüklü kornea nanofiber yara örtülerinin S. aureus' a karşı antibakteriyel aktiviteye sahip olduklarını göstermiş, ancak P. aeruginosa karşı herhangi bir aktivite gözlenmemiştir.

Abstract:
In the first part of this thesis, polyvinyl alcohol (PVA)/Chitosan (CS) based artificial corneal stroma tissue was produced with 3D printing technology and they were characterized. In the second part, PVA/Gelatin (GEL)/Propolis based corneal nanofiber patch was produced with electrospinning method and they were characterized. 
The aim of the initial part is to produce PVA and Citosan-based corneal stroma tissues with a 3D printing and to characterize them in terms of light transmission, biocompatibility and mechanical possessions. The produced corneal stroma tissues were examined for biocompatibility with human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (hADSC). Physicochemical and chemical characterizations of 3D corneal stroma tissues were investigated by scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). UV-Spectrophotometer was used to determine the optical transmittance values of the stroma tissues. According to the results, SEM images showed that the fabricated 3D corneal stroma tissues had the required shape and size (with a thickness of 400 μm). The presence of characteristic peaks were observed with the FTIR spectra. Swelling and degradation results of 13% PVA and 13% PVA/(1, 3, 5)% CS corneal stroma tissues showed that 3D structures have high swelling rates of 7 days and degradation period of 30 days. The optical transmittance values of 3D corneal structures decreased ~10% with the addition of CS. As the CS ratio increased, the tensile strength values reduced, but it can be said that they can withstand intraocular pressure (IOP) varying between 12-22 mm-Hg. Biocompatibility studies showed that 3D corneal stroma tissues are compatible with hADSCs after 30 days of degradation, and these cells have the potential to differentiate into the stroma layer. It can be said that the 3D cornea stroma tissues produced in this part of the thesis work have the potential for rapid and special production for clinical applications.
In the second stage of the thesis, biocompatible nanofiber patches based on PVA/GEL/Propolis were produced by electrospinning method. The release of propolis, surface wettability properties of the patches, antimicrobial activities of patches against Staphylococcus Aureus (S. aureus) and Pseudomonas Aeruginosa (P. aeruginosa) and biocompatibility with mesenchymal stem cells were examined in detail. Morphological and mechanical results showed that 3% and 5% Propolis addition into the 13% PVA/0.5% GEL could give optimum results. When the GEL ratio increased, it was found that the mechanical strength decreased and the diameter of the nanofiber patch increased with the addition of GEL (from 290 nm to 400 nm). According to the SEM analyses of Propolis-added nanofiber patches, it can be reported that the crosslinking process caused thicker nanofiber diameters. When the mechanical results were examined, the tensile strength and elongation values at break showed that 13% PVA/0.5% GEL/3% Propolis nanofiber patches had sufficient values. When the release behaviour of Propolis from the nanofiber patches was analyzed, Propolis showed a rapid release profile in the first hour and then it was completely released from the nanofiber patches within 6 hours in a stable way. According to the biocompatibility and surface wettability results, it was seen that the addition of 3% Propolis increased the biocompatibility with mesenchymal stem cells and strengthened the proliferation. Antimicrobial activity results detected that Propolis added corneal nanofiber patches had antibacterial activity against S. aureus, but they hadn't any antimicrobial activity against P. aeruginosa.