Dijital ışık işleme yöntemi ile mikroiğne içeren kulak zarı yaması üretimi
Production of tympanic membrane patch containing microneedle by digital light processing
Yazar: TUBA BEDİR
Danışman: PROF. DR. OĞUZHAN GÜNDÜZ ; PROF. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Başlıca orta kulak enfeksiyonları, yabancı cisimlerin kulağa girmesi ve akustik travma nedeniyle oluşan timpanik membran (TM) perforasyonları, işitme anormalliklerine ve kulak enfeksiyonlarına yol açmaktadır. Çoğu akut perforasyon genellikle dışarıdan bir uyaran olmadan kendiliğinden iyileşme potansiyeline sahiptir ve bir hafta ila bir ay içinde iyileşebilir. Ancak kronik perforasyon durumunda, perforasyonlar doğal olarak iyileşemez ve onarmak için cerrahi müdahale (miringoplasti veya timpanoplasti) gereklidir. Tipik olarak, küçük merkezi perforasyonlar için cerrahi bir prosedür olan miringoplastide pirinç kağıdı, yağ veya Gelfoam gibi emilebilir iskele malzemeleri kullanılır. Başarısız bir miringoplasti veya büyük kronik perforasyon durumunda ise otolog greftler (fasya veya perikondrium) kullanılarak timpanoplasti gerçekleştirilir. Cerrahi prosedürler mevcut durum için en iyi tedavi olmasına rağmen, genel anestezi ihtiyacı, cerrahın özel mikrocerrahi becerilere sahip olması gerekliliği ve ameliyatın yüksek maliyeti gibi dezavantajları vardır. Ek olarak, yeniden perforasyon oluşma durumu veya cerrahi başarısızlıklar birden fazla ameliyat gerektirebilir; bu da donör bölgesi morbiditesine ve otolog greft materyallerine sınırlı erişime yol açabilir. Cerrahi tedavinin eksikliklerini gidermek ve kronik TM perforasyonlarının iyileşme sürecini hızlandırmak için, fonksiyonel malzeme özellikleri ve 3B geometriler sergileyen TM iskelelerini kullanan alternatif tedavilerin geliştirilmesine ihtiyaç vardır.
Bu tez çalışmasının amacı, doku mühendisliği yaklaşımıyla TM perforasyonlarının tedavisinde kullanılmak üzere biyouyumlu, biyobozunur ve fotoçapraz bağlanabilir jelatin metakriloil (GelMA) ve keratin metakriloil (KerMA) hidrojellerini içeren yeni bir kompozit yamanın tasarımı ve üretimini gerçekleştirmektir. GelMA-KerMA yamaları daire şeklinde tasarlanmış ve kenarları perforasyon alanına daha iyi tutunması için konik mikroiğnelerle donatılmıştır. Mikroiğneler içeren GelMA-KerMA yamaları, dijital ışık işleme (DLP) 3B baskı yöntemi kullanılarak geliştirilmiştir. Bunu takiben, kompozit yamalar elektrohidrodinamik atomizasyon (EHDA) yöntemi ile gentamisin (GEN) ve fibroblast büyüme faktörü (FGF-2) yüklü polivinil alkol (PVA) nanopartikülleri ile koaksiyel bir kaplama uygulanarak biyofonksiyonel hale getirilmiştir. Geliştirilen 3B
viii
baskılı GelMA-KerMA, GEN@PVA/GelMA-KerMA, FGF-2@PVA/GelMA-KerMA ve FGF-2@GEN@PVA/GelMA-KerMA yamaları kimyasal, morfolojik, mekanik, şişme ve bozunma davranışları açısından analiz edilmiştir. Ayrıca, yamaların GEN ve FGF-2 salım profilleri, antimikrobiyal özellikleri ve biyouyumlulukları in vitro olarak incelenmiştir. Morfolojik değerlendirme, 3B baskılı GelMA-KerMA yamalarının istenilen boyut (100 μm kalınlık) ve geometride üretildiğini; GEN ve FGF-2 yüklü PVA nanopartikülleriyle başarılı bir şekilde kaplandığını doğrulamıştır. In vitro ilaç salım çalışmalarına göre, ilk 12 saat içinde GEN@PVA/GelMA-KerMA yamalarından %60.4 ± 1.3; FGF-2@PVA/GelMA-KerMA yamalarından ise %64.2 ± 0.5'lik bir patlama salımı gerçekleşmiştir. In vitro antibakteriyel testlerin sonuçları, GEN@PVA/GelMA-KerMA yamalarının Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa ve Escherichia coli'ye karşı önemli antibakteriyel etkinlik sergilediğini göstermiştir. In vitro hücre kültürü çalışmaları, 3B baskılı GelMA-KerMA yamalarının insan adipoz kaynaklı mezenkimal kök hücreler (hADMSC'ler) ile biyouyumlu olduğunu ve herhangi bir sitotoksisite olmaksızın hücre bağlanmasını ve çoğalmasını desteklediğini ortaya koymuştur. Sonuç olarak bu tez çalışması, biyofonksiyonel 3B baskılı GelMA-KerMA yamalarının TM perforasyonlarının tedavisi için umut verici bir terapötik yaklaşım olabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Tympanic membrane (TM) perforations are mainly caused by middle ear infections, foreign bodies entering the ear, and acoustic trauma, which lead to hearing abnormalities and ear infections. Most acute perforations usually have the potential to heal spontaneously without external stimuli and can heal within a week to a month. However, in the case of chronic perforation, the perforations cannot heal naturally and surgical intervention (myringoplasty or tympanoplasty) is required to repair them. Myringoplasty, a surgical procedure for small central perforations, typically uses absorbable scaffold materials such as rice paper, oil or Gelfoam. In the case of a failed myringoplasty or large chronic perforation, tympanoplasty is performed using autologous grafts (fascia or perichondrium). Although surgical procedures are the best treatment for the condition, they have disadvantages such as the need for general anesthesia, the need for the surgeon to have special microsurgical skills, and the high cost of surgery. In addition, reperforation or surgical failures may require multiple surgeries, leading to donor site morbidity and limited access to autologous graft materials. To overcome the shortcomings of surgical treatment and accelerate the healing process of chronic TM perforations, there is a need to develop alternative therapies utilizing TM scaffolds that exhibit functional material properties and 3D geometries.
This thesis aims to design and fabricate a novel composite patch containing biocompatible, biodegradable and photocrosslinkable gelatin methacryloyl (GelMA) and keratin methacryloyl (KerMA) hydrogels for the treatment of TM perforations using a tissue engineering approach. GelMA-KerMA patches are designed in a circular shape and the edges are equipped with conical microneedles for better adhesion to the perforation area. GelMA-KerMA patches containing microneedles were developed using digital light processing (DLP) 3D printing. Subsequently, the composite patches were biofunctionalized by applying a coaxial coating with gentamicin (GEN) and fibroblast growth factor (FGF-2) loaded polyvinyl alcohol (PVA) nanoparticles by electrohydrodynamic atomization (EHDA). The developed 3D printed GelMA-KerMA,
x
GEN@PVA/GelMA-KerMA, FGF-2@PVA/GelMA-KerMA and FGF-2@GEN@PVA/GelMA-KerMA patches were analyzed for their chemical, morphological, mechanical, swelling and degradation behaviors. In addition, GEN and FGF-2 release profiles, antimicrobial properties and biocompatibility of the patches were investigated in vitro. The morphological evaluation confirmed that 3D-printed GelMA-KerMA patches were produced in the desired size (100 μm thickness) and geometry and successfully coated with GEN and FGF-2 loaded PVA nanoparticles. In vitro drug release studies showed a burst release of 60.4 ± 1.3% from GEN@PVA/GelMA-KerMA patches and 64.2 ± 0.5% from FGF-2@PVA/GelMA-KerMA patches within the first 12 hours. The results of in vitro antibacterial tests showed that GEN@PVA/GelMA-KerMA patches exhibited significant antibacterial activity against Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli. In vitro cell culture studies revealed that 3D-printed GelMA-KerMA patches were biocompatible with human adipose-derived mesenchymal stem cells (hADMSCs) and promoted cell attachment and proliferation without any cytotoxicity. In conclusion, this thesis demonstrated that biofunctional 3D-printed GelMA-KerMA patches could be a promising therapeutic approach for the treatment of TM perforations.