Stronsiyum katkılı biyoaktif cam malzeme üretimi
Production of strontium substituted bioactive glass materials
Yazar: ÖZLEM ÖZARPAT
Danışman: PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyoaktif camlar = Bioactive glass

Özet:
Bilim adamları, toplumun hayat kalitesini sürdürmek için çeşitli çalışmalar yürütmektedirler. Bunlardan biri, yaşlanma gibi doğal süreçlerle ya da çeşitli sebeplerle oluşabilen çatlak ve kırık gibi kemik kusurlarının giderilmeye çalışılmasıdır. Bu amaçla uygulanabilecek yaklaşımlardan biri, kemik nakli yapılmasıdır. Fakat, bu durumda, donör eksikliği ve nakil edilecek bölgenin ölümü gibi bazı kısıtlamalar bulunmaktadır. Biyoinert malzemeler ile implantasyon yapılması ise, kemik yoğunluğunda kayba sebep olmaktadır. Ayrıca, bu malzemeler belirli bir sürenin sonunda yenilenme ihtiyacı duymaktadırlar. Kemik doku mühendisliği; biyobozunur yapı iskeleleri yardımı ile yaralı kemik dokularının onarımı, değiştirilmesi veya yeniden üretilmesi amacıyla hızla gelişen bir bilim alanıdır. Bu yaklaşımın avantajı, gerekli operasyon sayısının azalması ile hastanın iyileşme süresinin kısalmasıdır.Kemik doku mühendisliğinde, kemik yenilenmesi için anahtar bileşen, kemik mineralinin yapısını taklit eden ve istenen hücresel cevaplar için kalıp gibi davranabilen yapı iskeleleridir. Birçok yapı iskelesi hazırlama malzemesi arasında biyoaktif camlar; biyouyumlu, biyoaktif, osteokondüktif ve osteoüretken olmaları sebebiyle kemik doku yenilenmesinde mükemmel bir performans sergilemektedirler. Bu malzemeler, insan vücuduna yerleştirildiklerinde yüzeyleri üzerinde hidroksiapatit tabakası oluşumu vasıtasıyla kemik ile bağlanabilmektedirler. Bu malzemelerin kemik üretimi özelliklerini geliştirmek için, kimyasal bileşimlerine kemik hücrelerini uyaran iyonlar katılabilmektedir. Stronsiyumun, kemik iyileşme sürecini hızlandırdığı ve kemik doku onarımı üzerinde pozitif etkilere sahip olduğu bilinmektedir. Bu tür malzemelerin ya da buların, polimerler ile kompozit şeklindeki üretimlerinin, mekanik, biyoaktif ve osteoüretken özellikler açısından umut verici olduğu düşünülmektedir.Bu çalışmada, farklı ağırlık yüzdelerine sahip stronsiyum içeren biyoaktif camların (SiO2-Na2O-P2O5-CaO-SrO) üretilmesi amaçlanmıştır. Camların; fiziksel, ısıl ve in vitro biyolojik özellikleri incelenmiş ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapay vücut sıvısında (SBF) bekletildiklerinde tüm camlar, kalsiyum fosfat tabakasının çökelmesini desteklemiştir; ancak, cam bileşimindeki stronsiyum içeriğinin artması sonucunda camların biyoaktivitesi de artmıştır. Ayrıca bu çalışmada, kemik doku mühendisliği uygulamaları için üç boyutlu (3D) yapı iskelelerinin üretilmesi ve karakterizasyonu da amaçlanmıştır. Yapı iskeleleri, polimer sünger kopyalama yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Elde edilen yapı iskeleleri, biyoaktif davranışlarının geliştirilebilmesi amacıyla jelatin ile kaplanmıştır. Yapı iskelelerinin mikroyapısında, sürdürülen ve iyi bir gözenek bağlılığı olduğu gözlenmiştir. Aynı zamanda jelatinin, gözenekleri tıkamadan, homojen bir kaplama oluşturarak biyoaktif cam yapı iskelelerinin yüzeyine bağlandığı tespit edilmiştir. Ayrıca, jelatin ile kaplanan yapı iskeleleri, kaplı olmayanlara kıyasla oldukça yüksek bir biyoaktivite davranışı sergilemiştir. Ancak, jelatin ile kaplı olan yapı iskelelerinin biyobozunma davranışı, kaplanmayan yapı iskelelerininkine kıyasla daha yüksektir. Sonuçlar, 3D kompozit yapı iskelelerinin kemik doku mühendisliği uygulamaları için potansiyel adaylar olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Scientists carry out various studies to maintain quality of life of the community. One of them is repairing bone defects like cracks and fractures, which occur via natural processes or other reasons. One of the solutions is bone transplantation. But there are some limitations such as lack of donors and morbidity of the donor site. Implantation with bioinert materials leads to loss of bone density. In addition, these materials eventually need to be replaced. Bone tissue engineering is a rapidly developing discipline with the intension to repair, replace or regenerate injured bone tissues with the aid of biodegradable scaffolds. The advantage of this approach is the reduced number of operations needed, resulting in a shorter recovery time for the patient.A key component in tissue engineering for bone regeneration is sca ? olds, which mimic the structure of bone mineral and act as templates for desired cell responses. Among a variety of materials for the scaffold preparation, bioactive glasses exhibit great performances for bone tissue regeneration because they are biocompatible, bioactive, osteoconductive and osteoproductive. These materials are able to bind with bone through a layer of hydroxyapatite formed on their surfaces when they are implanted in human body. In order to improve bone production properties of these biomaterials, bone cell stimulator ions can be incorporated into their chemical compositions. Strontium is known to accelerate bone healing processes and have positive effects on bone tissue repair. Production of this kind of materials or their composites with polymers is thought to be promising in terms of mechanical, bioactive and osteoproductive properties.In this study, it was aimed to produce bioactive glasses (SiO2-Na2O-P2O5-CaO-SrO) with the substitution of strontium in different weight percentages. Physical, thermal and in vitro biological properties of the glasses were studied and compared to each other. All glasses favored precipitation of calcium phosphate layer when they were soaked in simulated body fluid (SBF); however bioactivity of the glasses increased with the increase of strontium content in the glasses. It was also aimed in this study to fabricate and characterize three-dimensional (3D) scaffolds for bone tissue engineering applications. The scaffolds were fabricated by using polymer foam replication technique. The obtained scaffolds were also coated with gelatin to be able to improve the bioactive behavior of them. It was observed that there was a good pore interconnectivity maintained in the scaffold microstructure. It was also detected that gelatin attached onto the bioactive glass scaffolds surface forming a uniform coating without blockage of the pores. Furthermore, the scaffolds coated with gelatin exhibited highly bioactive behavior compared to the uncoated ones. However, biodegradation behavior of the scaffolds coated with gelatin are higher than those of uncoated scaffolds. The results showed that 3D composite scaffolds could be promising candidates for bone tissue engineering applications.