Biyomedikal uygulamalar için kendi kendini onaran yenilikçi malzemelerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of novel self-healing materials for biomedical applications
Yazar: DİLARA YILMAZ AYKUT
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ AYÇA BAL ÖZTÜRK
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Doğal polimerlere dayalı enjekte edilebilir hidrojeller, yara iyileşmesi gibi çeşitli doku mühendisliği uygulamaları için büyük potansiyel göstermiştir. Bununla birlikte, zayıf mekanik özellikler ve zayıf kendi kendini iyileştirme yeteneği açısından çözülmesi gereken zorluklar içermektedir. Bu çalışmada, metakrilatlanmış kappa-karagenan (KKM) üzerine konjuge akrilat-β-siklodekstrin (Ak-β-SD) ile jelatin üzerindeki aromatik kalıntılar arasında kendi kendini iyileştirme özelliği sağlamak için bir konak-konuk supramoleküler etkileşimi tanımlanmıştır. Bu kapsamda, Ak-β-SD'yi oluşturmak için önce bir KKM sentezlenmiş, ardından doğal hücre dışı matrisi (ECM) taklit etmek için jelatinli ikili çapraz bağlı hibrit hidrojeller üretilmiştir. İkili çapraz bağlama, KKM omurgasında mekanik mukavemeti ve kararlılığı artıran potasyum klorür (KCl) ve foto çapraz bağlama işlemleriyle gerçekleştirilmiştir. Hibrit hidrojeller, minimal invaziv bir şekilde kolayca uygulanan ve enjeksiyon sırasında kayma gerilimine katkıda bulunan, kayma ile incelme, kendi kendini iyileştirme ve enjekte edilebilir davranış sergilemişlerdir. In-vitro çalışmalar, gelişmiş hücre canlılığını göstermiş, ayrıca hücre göçünü ve hücre-hücre etkileşimini incelemek için çizik deneyleri (yara kapanma testi) yapılmıştır. 
Sonuçlar değerlendirildiğinde, çapraz bağlanma öncesi ve sonrası KK üzerinde metakrilat sübstitüsyonunun 1H-NMR spektrumu, metakrilat reaksiyonunun başarılı olduğunu gösterirken FTIR analizi de KKM spektrumunda metakrilat reaksiyonunu doğrulamıştır. Akrilat-β-SD FTIR spektrumu incelendiğinde, akriloil klorürün β-SD'e etkin bağlandığı ilgili piklerin varlığından anlaşılmıştır. KKM konsantrasyonunun artışı ile hidrojellerin gözenekliliğinin    
arttığı tespit edilmiştir. Ek olarak, protein-polisakkarit yapının hibrit iskelesine dahil edilmesiyle %2, %3 ve %4 KKM (ağ./hac.) içeren biyopolimerin kimyasal çapraz bağlanmasının sonucu olarak elastik modülde önemli/gözlemlenebilir bir artış görülerek sırasıyla 11,6 kPa, 15,1 kPa, 27,9 kPa değerleri elde edilmiştir. Dahası hibrit hidrojeller, sırasıyla 181 kPa, 273 kPa, 341 kPa sıkıştırma gerilimi ve %50, %49 ve %44 kopma anında uzama sonuçları ile iyi mekanik performanslar sergilemişlerdir. Bu davranış, geri kazanım yüzdesi ile desteklenmiş ve farklı konsantrasyonlara sahip KKM hidrojellerinin analizleri sırasıyla %90,1, %96,0 ve %98,4 ile sonuçlanmıştır. Polimerlerin kendi kendini iyileştirme ve kayma incelmesi özelliğini göstermek için gerçekleştirilen reoloji deneylerinde KKM konsantrasyonlarından bağımsız olarak depolama modülü değerinin tüm frekans aralığında kayıp modülü değerinden daha büyük olduğu gözlenmiştir. Bu sonuçlar, düşük ve yüksek frekans değerleri arasında jel benzeri profiller sergilediğini doğrulamıştır. Gerinim genliği taramasında, düşük gerinim uygulandığında (%1) konak-konuk etkileşimler tarafından bozulan ağdan supramoleküler hibrit hidrojellerin G' değerinin hızlı bir şekilde orijinal durumuna geri döndüğüne işaret etmiştir. Ek olarak makroskobik (stereo optik mikroskop ve floresan mikroskobu) testler gerçekleştirilerek kendi kendini iyileştirme davranışı kanıtlanmıştır. Supramoleküler hibrit hidrojellerin bu özellikleri, her bir geri kazanım döngüsü altında sergilenmiştir. Ayrıca, kayma hızıyla birlikte, hidrojelin viskozitesi oda sıcaklığında kademeli olarak düşmüştür ve bu da iyi enjekte edilebilir davranışa yol açmıştır. Hazırlanan hidrojellerin salım özütleri sitotoksisite testi ile değerlendirilmesi sonucunda hidrojellerin hücre canlılığı gösterdiği ve ürünlerin biyouyumlu olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Yara oluşumundaki yara kapanmasını ve hücre göçünü taklit etmek için bir çizik testi gerçekleştirilmiştir. 48 saat sonra tedavi grubundaki hücrelerin model bölgeye daha fazla göç ettiği ve yarayı kapattığı tespit edilmiştir. Kendi kendini iyileştiren ve enjekte edilebilir ikili çapraz bağlı hibrit hidrojellerin konak-konuk etkileşimleri ile kombinasyonunun, yara iyileştirme uygulamaları için umut verici ve işlevsel bir biyomalzeme platform sergilediği gösterilmiştir.

Abstract:
Injectable hydrogels based on natural polymers have shown great potential for various tissue engineering applications, such as wound healing. However, poor mechanical properties and weak self-healing ability are still major challenges. In this work, we introduce a host-guest (HG) supramolecular interaction between acrylate-β-cyclodextrin (Ac-β-CD) conjugated on methacrylated kappa-carrageenan (MA-κ-CA) and aromatic residues on gelatin to provide self-healing characteristics. We synthesize an MA-κ-CA to conjugate Ac-β-CD and fabricate dual crosslinked hybrid hydrogels with gelatin to mimic the native extracellular matrix (ECM). The dual crosslinking occurs on the MA-κ-CA backbone through the addition of KCl and photo crosslinking process, which enhances mechanical strength and stability. The hybrid hydrogels exhibit shear-thinning, self-healing, and injectable behavior, which apply easily under a minimally invasive manner and contribute to shear stress during the injection. In-vitro studies indicate enhanced cell viability. Furthermore, scratch assays (wound closure test) are performed to examine cell migration and cell-cell interaction. When the results were evaluated, the 1H-NMR spectrum of methacrylate substitution on KK before and after crosslinking showed successful modification of the methacrylate reaction. It also confirmed the methacrylate reaction in the KKM spectrum when compared with KK from FTIR analysis. When the acrylate-β-SD spectrum was examined, the effective binding of acryloyl chloride to β-SD was evident from the presence of the corresponding peaks. When the surface morphology of the hydrogels was evaluated, it was determined that the porosity increased with the increase of the 2%, 3% and 4% KKM (wt./vol.) concentration. In addition, as a result of a uniaxial compression 
test, a significant/observable increase in elastic modulus was observed with the incorporation of the protein-polysaccharide structure into the hybrid scaffold, and values of 11.6 kPa, 15.1 kPa, and 27.9 kPa were obtained, respectively. The increased stiffness of hybrid hydrogels is mainly a result of chemical crosslinking of the KKM biopolymer. Moreover, the hybrid hydrogels exhibited good mechanical performances with compressive stress of 181 kPa, 273 kPa, 341 kPa and elongation at break of 50%, 49% and 44%, respectively. This behavior was supported by the percent recovery, and analyzes of KKM hydrogels with different concentrations resulted in 90.1%, 96.0% and 98.4%, respectively. Rheology experiments were carried out to demonstrate the self-healing and shear thinning property of the polymers. It has been observed that the storage modulus value is larger than the loss modulus value throughout the frequency range, regardless of the KKM concentrations. These results confirmed that it exhibited gel-like profiles between low and high frequency values. Alternate step strain test results pointed out that the G' value of supramolecular hybrid hydrogels recovered quickly to its original state from the network disrupted by host-guest interactions if low strain (1%) was applied. In addition, the self-healing behavior has been proven by performing macroscopic (stereo-optical microscope and fluorescent microscope) tests. These properties of supramolecular hybrid hydrogels were exhibited under each recovery cycle. Also, with the shear rate, the viscosity of the hydrogel gradually decreased at room temperature, leading to good injectable behavior. The release extracts of the prepared hydrogels were evaluated with the cytotoxicity test and the cell viability of the hydrogels was demonstrated and it was concluded that the products were biocompatible. A scratch test was performed to mimic wound closure and cell migration in wound formation. After 48 hours, it was determined that the cells in the treatment group migrated more to the model area and closed the wound. It is demonstrated that the combination of self-healing and injectable dual crosslinked hybrid hydrogels with HG interactions display a promising and functional biomaterial platform for wound healing applications.