Üç-boyutlu biyobasım için yeni kompozit biyomürekkep geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of new composite bioinks for three-dimensional bioprinting
Yazar: MURAT TANER VURAT
Danışman: PROF. DR. YAŞAR MURAT ELÇİN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Biyokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Bu tez çalışmasında, üç-boyutlu biyobasım (3BB) uygulamalarına yönelik olarak iki farklı biyomürekkebin hazırlanması ve bu biyomürekkepler ile hücrelerin beraber kullanımıyla iki katlı periodontal/osteojenik mikro-doku arayüz modelinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, 3BB uygulamalarında kullanılmak üzere jelatin metakrilat (Jel-MA) temelli biyomürekkep sentezlendi; fiziksel, kimyasal, reolojik ve mekanik karakterizasyonları gerçekleştirildi. Ardından, çalışmada kullanılacak ikinci biyomürekkebin kompozit formuna dahil edilmek üzere hidroksiapatit (HAp) kaplı manyetik nanoparçacıklar (MNP) sentezlendi ve oluşturulan Jel-MA+HAp/MNP kompozit biyomürekkebin de kapsamlı karakterizasyonları tamamlandı. Çalışmanın ikinci aşamasında, biyomürekkeplerin üç-boyutlu biyoyazıcıdaki basım parametreleri ilk önce hücresiz olarak ve ardından hücreli olarak optimize edildi. Hücreli basımlarda kullanılmak üzere insan alveolar osteoblast (iOB) hücreleri ve insan periodontal ligament fibroblast (iPDLF) hücreleri kültürde çoğaltıldı. Mikro-doku arayüz modelinde yer alacak olan alveolar kemik doku katmanını temsil etmek üzere iAOB hücreleri Jel-MA+HAp/MNP kompozit biyomürekkebi aracılığıyla, periodontal doku katmanını temsil etmek üzere iPDLF hücreleri Jel-MA biyomürekkebi aracılığıyla art arda basıldılar. Çalışmanın üçüncü bölümünde, tasarlanan mikroakışkan çip sistemine çift katlı perio/osteo mikro-doku taslakları entegre edildi ve bundan sonra çipte dinamik kültür ve karakterizasyon çalışmaları yürütüldü. Mikroakışkan çip sisteminde dinamik kültürü sürdürülen perio/osteo mikro-dokuda bulunan hücrelerin canlılık ve çoğalma durumları belirlenen zaman noktalarında belirlendi. Ayrıca, çift katmanlı mikro-dokudaki hücre ve hücre dışı matriks dağılımları histokimyasal olarak incelendi. Çalışmada elde edilen bulgular, geliştirilen 3BB mikroakışkan çip-üstü mikro-doku yapısının gelecekte ilaç geliştirme veya hastalık araştırmalarında perio/osteo arayüz modeli olarak kullanım potansiyelini ortaya koymaktadır.

Abstract:
The aim of this thesis study was to generate two different types of bioinks utilizable for three-dimensional bioprinting (3DP) and to develop a two-layer periodontal/osteoblastic micro-tissue interface model by use of them. In the first stage of the study, gelatin methacrylate (Gel-MA) based bioink was synthesized for use in 3DP; then its physical, chemical, rheological and mechanical characterizations were performed. Later, hydroxyapatite (HAp) coated magnetic nanoparticles (MNP) were synthesized which were incorporated into the composite form of the second bioink. The comprehensive characterization of the Gel-MA+HAp/MNP composite bioink was also realized. In the second stage of the study, the printing parameters of the bioinks were optimized first for acellular and then for cellular bioprinting. Human alveolar osteoblast (hOB) cells and human periodontal ligament fibroblast (hPDLF) cells were expanded in culture for use in cellular bioprintings. In respective order, hOB cells were bioprinted together with the Gel-MA+HAp/MNP composite bioink representing the alveolar bone layer in the micro-tissue interface model, hPDLF cells were bioprinted together with the Gel-MA bioink representing the periodontal ligament layer. In the third part of the study, the two-layer perio/osteo micro-tissue constructs were integrated into the designed microfluidic chip system, and thereafter on-chip dynamic culture and characterization studies were conducted. At pre-determined time points, the viability and proliferation status of cells contained in the perio/osteo micro-tissue under dynamic culture inside the microfluidic chip system were analyzed. Additionally, the cellular and extracellular matrix distributions of the two-layer micro-tissue were evaluated by histochemistry. The findings of this study support the notion that, the developed 3DP microfluidic on-chip micro-tissue construct has the potential for use in prospective drug development and disease research as a perio/osteo interface model.