Kemik doku mühendisliği uygulamaları için hegzagonal-bor nitrür ve tungsten disülfür içeren biyoaktif cam kompozit doku iskelesi hazırlanması
Preparation of hexagonal-boron nitride and tungsten disulfide containing bioactive glass composite scaffold for bone tissue engineering applications
Yazar: MERTCAN ENSOYLU
Danışman: PROF. DR. 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: Biyomühendislik = Bioengineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Biyoaktif camlar = Bioactive glass ; Bor nitrür = Boron nitride ; Doku iskeleleri = Tissue scaffolds

Özet:
Kemik doku mühendisliği, çeşitli nedenlerle hasar görmüş ve işlevini yerine getiremeyen kemik dokusunun onarımı ve rejenerasyonunu hedefleyen multidisipliner bir çalışma alanıdır. Biyoaktif camlar, kemik doku ile yüksek bağlanma kabiliyetlerinden dolayı kemik doku mühendisliğinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu çalışma kapsamında polimer köpük replikasyon yöntemi ile hegzagonal bor nitrür (hBN) ve tungsten disülfür (WS2) nanopartikülleri içeren bor bazlı 13-93B3 biyoaktif cam kompozit doku iskeleleri hazırlanmıştır. Nanopartiküllerin yapıya eklenmesi iki farklı yaklaşımla gerçekleştirilmiştir. İlk yaklaşımda (ağırlıkça %0.1, 0.2, 0.5, 1 ve 2) hBN veya WS2 nanopartikülleri biyoaktif cam süspansiyonuna doğrudan eklenmiş ve polimer köpük replikasyon yöntemi kullanılarak doku iskeleleri üretilmiştir. İkinci yaklaşımda ise, katkısız biyoaktif cam doku iskeleleri hBN veya WS2 nanopartikül içeren (ağırlıkça %0.1, 0.2, 0.5, 1 ve 2) polikaprolakton ya da  polikaprolakton/poli(laktik-ko glikolik) asit solusyonu ile kaplanmıştır. Sonuçlar hBN ve WS2 nanopartikül ilavesinin  biyoaktif cam  doku iskelelerinin yapısal ve morfolojik özelliklerinde bir miktar değişikliğe neden olduğunu göstermiştir. Ayrıca,  polimer kaplamanın ve belirli bir konsantrasyona dek nanopartikül ilavesinin, biyoaktif cam örneklerin basma dayanımını arttırdığı anlaşılmıştır. Yapay vücut sıvısı (SBF) içerisinde bekletilen doku iskelelerinin Fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi (FTIR) analizleri ve taramalı elektron mikroskopu (SEM) mikrografları, örneklerin yüzeyinde hidroksiapatit (HA) tabakası oluştuğunu, polimer kaplamanın HA oluşumunu engellemediğini, ayrıca  hBN ve WS2 nanopartikül katkısının HA oluşum hızını arttırdığını göstermiştir. İn vitro sitotoksisite çalışmaları, biyoaktif cam matris içerisinde yer alan  hBN ve WS2 nanopartiküllerin belirli bir konsantrasyona dek, polimer matris içerisinde yer alan ve biyoaktif camlara kaplama şeklinde uygulanan nanopartiküllerin ise tüm konsantrasyonlarda pre-osteoblast MC3T3-E1 hücrelerine karşı sitotoksik bir etkiye neden olmadığını göstermiştir. Gentamisin sülfat yüklenmiş biyoaktif cam doku iskelelerine hBN ve WS2 ilavesinin ve örneklerin yüzeyinin polimer ile kaplanmasının, örneklerin ilaç salım davranışını etkilediği görülmüştür. hBN ve WS2 içeren 13-93B3 biyoaktif cam kompozit doku iskelelerinin artan mekanik özellik, in vitro biyoaktivite, biyouyumluluk ve iyileştirilmiş ilaç salım özellikleri nedeni ile kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Bone tissue engineering is a multidisciplinary field of study that aims to repair and regenerate bone tissue that has been damaged for various reasons and cannot function. Bioactive glasses have wide range of uses in bone tissue engineering due to their high bonding ability with bone tissue. In this study, hexagonal-boron nitride (hBN) and tungsten disulfide (WS2) nanoparticle- containing borate-based 13-93B3 bioactive glass composite scaffolds were produced by polymer foam replication method. The addition of nanoparticles to the structure was carried out by two different approach. In the first approach, hBN and WS2 nanoparticles (0.1, 0.2, 0.5, 1 and 2 wt%), were directly added to the bioactive glass suspension and scaffolds were produced using the polymer foam replication method. In the second approach, bare bioactive glass scaffolds were coated by the hBN or WS2 nanoparticle - containing (0.1, 0.2, 0.5, 1 and 2 wt%) polycaprolactone or polycaprolactone/poly(lactic-co-glycolic) acid solution. The results showed that the addition of hBN and WS2 nanoparticles caused some changes in structral and morphological properties of the bioactive glass scaffols. Additionally, application of a polymer coating and  inclusion of nanoparticles up to a specified concentration enhanced the compressive strength of the bioactive glass scaffolds. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analyzes and scanning electron microscope (SEM) micrographs showed that a hydroxyapatite (HA) layer is formed on the surface of the tissue scaffolds that were kept in simulated body fluid (SBF). Furthermore, the polymer coating layer did not inhibit the HA formation and incorcorporation of  hBN and WS2  nanoparticles accelerated the HA formation rate. In vitro cytotoxicity experiments revealed that the presence of hBN and WS2  nanoparticles in the bioactive glass matrix up to a specified concentration and their presence in polymer matrix at all concentrations as coating on the bioactive glass scaffolds did not cause a cytotoxic effect in pre-osteoblast MC3T3-E1 cells. Addition of hBN and WS2  nanoparticles and application of a polymer coating layer, influenced the drug release behaviour of gentamicin sulphate-loaded bioactive glass scaffolds. It was concluded that due to their improved mechanical properties, in vitro bioactivity, biocompatibility and drug release properties, hBN and WS2-containing 13-93B3 bioactive glass scaffolds can be utilized in bone tissue engineering applications.