Biyomedikal uygulamalar için erbiyum (Er3+) ve terbiyum (Tb3+) içeren lüminesans özellikli biyoaktif camların sentezi
Synthesis of luminescent bioactive glasses containing erbium (Er3+) and terbium (Tb3+) for biomedical applications
Yazar: BEGÜM RAHMAN
Danışman: PROF. AYLİN MÜYESSER DELİORMANLI
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Biyoaktif camlar, doku mühendisliği uygulamaları için gelecek vaad eden malzemelerdir. Bu çalışmada, kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmak üzere, erbiyum (Er3+) ve terbiyum (Tb3+) (1, 3, 5 ağırlık%) içeren silika bazlı, 13-93 biyoaktif camlar partikül ve nanolif formlarında sırasıyla sol-jel ve elektroeğirme yöntemleri ile sentezlenmiştir. Hazırlanan biyoaktif camların, yapısal ve morfolojik özellikleri, x- ışını kırınımı (XRD), Fourier transform infrared spektroskopisi (FTIR), taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ile incelenmiştir.  Ayrıca, Er+3 ve Tb+3 içeren biyoaktif camların, lüminesans özellikleri, fotolüminesans (PL) spektroskopisi kullanılarak araştırılmıştır. Biyoaktif camların in vitro hidroksiapatit oluşturma yeteneği yapay vücut sıvısı (SBF) içerisinde zamanın fonksiyonu olarak değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında sentezlenen biyoaktif camların sitotoksisitesi, in vitro ortamda MC3T3-E1 hücre hattı kullanılarak MTT yöntemi ile test edilmiştir. Sentezlenen biyoaktif camlara gentamisin sülfat ve amoksisilin trihidrat yüklenerek fosfat tamponlu salin (PBS) içerisindeki salım davranışları incelenmiştir. Sonuçlar, Er+3 ve Tb+3 ilavelerinin biyoaktif camda kristalizasyona neden olmadığını ve belirtilen nadir toprak element iyonlarının biyoaktif camlara floresans özellik kazandırdığını göstermiştir. Sentezlenen biyoaktif cam tozlarının medyan tane boyutunun ~ 2.5-3.5 μm ve nanoliflerin ortalama çaplarının 275-665 nm aralığında olduğu görülmüştür. Silika bazlı 13-93 biyoaktif camlar için aktivatör iyonlarının optimum konsantrasyonunun, ışıldama yoğunluğu açısından ağırlıkça %1 Er3+ ve ağırlıkça %5 Tb3+ olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca cam ağında Er3+ ve Tb3+ iyonlarının varlığı floresans bozunma sürelerinde bir artışa neden olmuş ve katkı konsantrasyonu arttıkça daha uzun bozunma süreleri elde edilmiştir. Sol-jel yöntemi ile üretilen biyoaktif cam partiküller daha güçlü emisyon şiddeti sergilerken, elektroeğirme yöntemi ile üretilen nanolif formundaki örnekler daha uzun bozunma süreleri göstermiştir. Yapay vücut sıvısı içerinde bekletilen Er+3/Tb+3 katkılı ve katkısız 13-93 biyoaktif camların yüzeyinde 7 günden itibaren hidroksiapatit oluştuğu, camlara eklenen Er3+ ve Tb3+'nin HA oluşumunu hızlandırdığı anlaşılmıştır. In vitro sitotoksisite tayini bulgularına göre 72 saat hücre kültürü sonunda Er3+ içeren biyoaktif cam tozları kullanılarak hazırlanan doku iskeleleri, 1%Er3+'den daha büyük konsantrasyonlarda sitotoksik etkiye neden olmuştur. Diğer yandan, Tb3+ içeren örneklerde konsantrasyon artışına bağlı olarak hücre canlılığında önemli bir azalma gözlenmemiştir. Benzer şekilde, nanolif bazlı örneklerde artan Er3+ ve Tb3+ konsantrasyonlarında hücre canlılık değerlerinde azalma gerçekleşmemiştir. Er3+ ve Tb3+ içeren toz ve nanolifler kullanılarak hazırlanan biyoaktif cam doku iskelelerine yüklenen gentamisin sülfat PBS içerisinde ani salım yaparken, aynı koşullar altında amoksisilin trihidrat salım hızının daha yavaş olduğu görülmüştür.  Çalışma kapsamında, Er+3 ve Tb+3 içeren, sol-jel ve elektroeğirme yöntemleri ile üretilmiş, lüminesans özellikli 13-93 biyoaktif camların kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Bioactive glasses are promising materials for tissue engineering applications. In this study, silicate-based 13-93 bioactive glasses containing erbium (Er3+) and terbium (Tb3+) (1, 3, 5 wt%) were synthesized to be used in bone tissue engineering applications, in the form of particle and nanofiber by sol-gel and electrospinning methods, respectively. The structural and morphological properties of the prepared bioactive glasses were examined by x-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscope (SEM) analyzes. In addition, the luminescence properties of bioactive glasses containing Er+3 and Tb+3 were investigated using photoluminescence (PL) spectroscopy. The ability of bioactive glasses to form hydroxyapatite in vitro was evaluated as a function of time in simulated body fluid (SBF). The cytotoxicity of the bioactive glasses synthesized within the scope of the study was tested in vitro by the MTT method using the MC3T3-E1 cell line. Gentamicin sulfate and amoxicillin trihydrate were loaded into the synthesized bioactive glasses and their release behavior in phosphate buffered saline (PBS) was investigated. The results showed that the additions of Er+3 and Tb+3 did not cause crystallization in bioactive glasses and mentioned rare earth element ions induced fluorescence properties. The median particle size and average diameter of the prepared glass powders and fibers were in the range of ~ 2.5-3.5 μm and 280-660 nm, respectively.  Optimum concentration of the activator ions for the silicate-based 13-93 bioactive glasses were 1 wt% Er3+ and 5 wt% Tb3+. Additionally, presence of Er+3 and Tb+3 ions in the glass network, extended the florescence decay times and longer decay times were obtained as the dopant concentration was increased. The sol-gel derived bioactive glass particles exhibited stronger emission intensities whereas electrospun nanofibers showed extended decay times. It has been observed that hydroxyapatite deposited on the surface of the bare as well as the Er+3 and Tb+3 -containing 13-93 bioactive glasses   which were kept in simulated body fluid for 7 days and the addition of the Er3+ and Tb3+ accelerated the HA formation. According to the findings of the in vitro cytotoxicity experiments after 72 hours of cell culture, Er3+ -containing bioactive glass powder- based scaffolds showed a cytotoxic effect at concentrations greater than 1%Er3+. On the other hand, no significant decrease in cell viability was observed in samples containing Tb3+ as the concentration was increased. Similarly, a decrease in cell viability was not observed in Er3+ and Tb3+ containing bioactive glass nanofiber-based samples Er3+ and Tb3+ as a function of rare earth element concentration. Gentamicin sulfate-loaded bioactive glass scaffolds prepared using powder and nanofibers containing Er3+ and Tb3+ showed burst release in PBS, however the release rate of amoxicillin trihydrate was lower under the same conditions. It was concluded that Er+3 and Tb+3 -containing luminescent 13-93 bioactive glasses, produced by sol-gel and electrospinning methods, can be utilized in bone tissue engineering applications.