Biyoteknolojik uygulamalarda kullanılmak üzere kitin ve biyosilika temelli üç boyutlu iskele üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of a three-dimensional scaffold based on chitin and biosilica for use in biotechnological applications
Yazar: BAHAR AKYÜZ YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MURAT KAYA
Aksaray Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji ve Moleküler Biyoloji  Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyoteknoloji sektörü = Biotechnology sector ; Biyouyumluluk = Biocompatibility

Özet:
Biyopolimerik malzemeler biyoteknolojik alanlarda son yıllarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle, sentetik polimerlerin kullanımı çok daha kolay ve maliyeti düşük olsada biyouyumlulukları ve biyobozunurluklarının düşük olması nedeniyle doğal biyopolimerlere de ihtiyaç duyulmaktadır. Bundan dolayı özellikle doku mühendisliği, filtre membran malzemeleri üzerine çalışan araştırmacılar doğal biyomalzemelerden yararlanarak yeni biyokompozit malzemeler tasarlanmaya odaklanmıştır. Biz de planlamış olduğumuz çalışmada, doğal biyomalzemeler ile kemik, kıkırdak doku için doku iskelesi ve ağır metal gideriminde şişme ve adsorbe kabiliyeti yüksek yapı iskeleleri üretimi amaçladık. İlk aşamada denizel Geoida macandrewii süngerinin iç yapısında izole edilen biyosilika fiberin iskele içerisinde kullanım oranı belirlenerek doku mühendisliği alanında kullanımı incelenmiştir. İkinci aşamada ise doğal biyosilika fiber katkılı karboksimetil kitosan temelli iki fazlı hidrojel doku iskelesini dondurarak-kurutma yöntemi ile üretimi sağlanmıştır. Üretilmiş olan iskelelerin kimyasal kompozisyonu FTIR analiziyle, genel morfolojik özellikleri SEM cihazı kullanılarak araştırılmıştır. Malzeme karakterizasyonları tamamlandıktan sonra ise sterilize edilen iskelelerin biyouyumluluk analizleri canlılık, proliferasyon, ALP aktivitesi ve GAG miktarı ölçülerek tamamlanmıştır. İkinci iskele için, Annelida şubesinde yer alan ve deniz fareleri olarak bilinen Aphrodita aculeata'nun saç benzeri setae yapılarından β-kitin nanofiber üretimi yapılmış ve CMCht polimeri içerisinde eklenerek kompozit hidrojel doku iskelesi üretilmiştir. Elde edilen iskelerin fizikokimyasal karakterizasyonları yapılmış ve ağır metal giderimi çalışmaları yapılmıştır.  β-kitin nanofiber takviye edilmiş CMCht hidrojel yapı iskelesi için bakır giderimi çalışmaları atomik absorpsiyon spektroskopisi ile yapılmış ve sonuçlarına bakıldığında maksimum adsorpsiyon kapasitesinin yaklaşık %28 (2 saat, 100 ppm) olduğu belirlenmiştir. Bu çalışma, iskelenin Cu (II) giderimi için kullanılabilecek alternatif, etkili, tekrar kullanılabilir, yenilikçi ve çevre dostu bir filtre ürünü olabileceğini göstermiştir. Sonuç olarak doğadan izole edilen biyomalzemelerin biyoteknolojik alanlarda kullanılabilir olduğu ve ileri ki çalışmaların önünü açacağı öngörülmektedir.

Abstract:
Biopolymeric materials have been widely used in the field of biotechnology in recent years. Although the use of synthetic polymers is generally easier and more cost-effective, the need for natural biopolymers arises due to their lower biocompatibility and biodegradability. Consequently, researchers focusing on tissue engineering, filter membrane materials have turned their attention to designing new biocomposite materials using natural biomaterials. In our planned study, we aimed to produce scaffolds with high swelling and adsorption capabilities using natural biomaterials for bone and cartilage tissue engineering and heavy metal removal. In the initial phase, the usage ratio of biogenic silica fibers isolated from the marine sponge Geodia macandrewii within the scaffold was determined, and their potential for use in tissue engineering was examined. In the second phase, a two-phase hydrogel scaffold, incorporating natural biogenic silica fibers and carboxymethyl chitosan, was produced through freeze-drying. The chemical composition (FTIR), surface morphology (SEM) of the produced scaffolds were investigated. After material characterization, the biocompatibility analyses of sterilized scaffolds were completed through measurements of viability, proliferation, ALP activity, and GAG content. Nanofibers of β-chitin were produced from the hair-like setae structures of Aphrodita aculeata, commonly known as sea mice, within the Annelida Phylum. These nanofibers were incorporated into a composite hydrogel scaffold with CMCht polymer. Physicochemical characterizations of the obtained scaffolds were performed, and studies on heavy metal removal were conducted. Copper removal studies for the CMCht-based hydrogel scaffold reinforced with β-chitin nanofibers were carried out using atomic absorption spectroscopy, revealing a maximum adsorption capacity of approximately 28% (2 h, 100 ppm). This study demonstrated that the hydrogel scaffold could be an alternative, effective, reusable, innovative, and environmentally friendly filtering product for Cu (II) removal. In conclusion, it is anticipated that naturally derived biomaterials are applicable in biotechnological fields and that further exploration in various applications will be promising for future studies.