Köpük enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretilen polilaktik asit/halloysit nanotüp doku iskelelerinin özelliklerinin geliştirilmesi
Improvement properties of polylactic acid / halloysite nanotube scaffolds fabricated by foam injection molding
Yazar: MELTEM ERYILDIZ
Danışman: PROF. DR. MİRİGÜL ALTAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Biyobozunur ve biyouyumlu polimer esaslı doku iskeleleri, doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle biyobozunur kemik implantı uygulamaları için kullanılan doku iskelelerinin yeterli mekanik dayanıma ve biyolojik özelliklere sahip olması gerekmektedir. Polilaktik asit (PLA), biyouyumluluk, biyolojik olarak parçalanma ve işlenebilirlik gibi özelliklere sahip olmasından dolayı doku mühendisliğinde tercih edilen malzemelerden biridir. Ancak PLA'nın gevrek olması ve hidrofobik karakter göstermesi, bu malzemenin kullanım alanını daraltmaktadır. Literatürde PLA'nın, bu özelliklerinin geliştirilmesi üzerine çeşitli çalışmalar mevcuttur. Ancak, halloysit nanotüp (HNT) takviyeli PLA doku iskelelerinin geliştirilmesi üzerine çalışmalar oldukça sınırlı sayıdadır. Bu tez çalışmasında HNT takviyeli PLA esaslı doku iskeleleri kimyasal köpük enjeksiyon kalıplama yöntemi ile elde edilmiştir. Bu amaçla öncelikle PLA/HNT nanokompozit granüller, ağırlıkça %1-5 HNT takviye oranında, çift vidalı ekstrüderde eriyik karıştırma yöntemi ile elde edilmiştir. Eriyik karıştırma işleminden sonra, saf PLA ve PLA/HNT nanokompozit granüllere, kimyasal köpük enjeksiyon kalıplama yöntemi uygulanmış ve doku elde edilmiştir. PLA/HNT nanokompozitlerin karakterizasyonu için FTIR, DSC ve TGA analizleri yapılmıştır. PLA/HNT doku iskelerinin mekanik özelliklerini belirlemek için çekme, 3 nokta eğme ve izod darbe testi; morfolojik özelliklerini belirlemek için SEM; biyolojik özelliklerini belirlemek için de MTT, biyobozunma ve su temas açısı testi uygulanmıştır. Ayrıca, geliştirilen doku iskelerinin hidrofobikliğini azaltmak ve hücre tutunma kabiliyetini geliştirmek amacıyla numunelerin yüzeyine lazer ile tekstür işlemi uygulanmıştır.
Doku iskelelerinin mekanik özelliklerindeki değişim hem HNT oranına göre hem de köpük morfolojisine göre incelenmiştir. %3 HNT içeren PLA doku iskelelerinde, saf PLA doku iskelelerine göre %27,5 kütle kaybı olmasına karşılık, çekme dayanımında %124 ve uzamada %118 artış gözlemlenmiştir. Bu oranın üzerindeki konsantrasyonlarda, polimer matrisde gözlemlenen nano partikül topaklanmalarından ötürü mekanik özelliklerde düşüş gözlemlenmiştir. Üç nokta eğme ve izod darbe test sonuçlarında da benzer bir davranış görülmüştür. Doku iskelelerinin mekanik özelliklerindeki değişim köpük morfolojisine göre incelendiğinde, %3 HNT takviyeli PLA doku iskelesi, en fazla gözenek yoğunluğu (0,947x104 pore/cm3) ve en düşük ortalama gözenek çapı (71,72 μm) ile geliştirilen doku iskeleleri arasında en yüksek mekanik özelliklere sahip olmuştur. Köpük enjeksiyon kalıplama ile elde edilen doku iskelelerinde görülen kabuk tabakasında (skin layer), köpük gözenekleri yoktur. Bu nedenle bu yüzeylerin hücre tutunma kabiliyeti zayıf olmaktadır. Bu tez çalışmasında, doku iskelerinin bu yüzeylerine iki farklı desende lazer ile tekstür işlemi uygulanmıştır. Tekstür işlemi uygulanan yüzeylerde artan yüzey pürüzlülüğüne ve su temas açısına bağlı olarak hidrofobik olan PLA yüzeylerine, hidrofilik özellik kazandırılmıştır. Buna bağlı olarak da doku iskelerinini hücre tutunma kabiliyeti %108 oranında artmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında geliştirilen PLA esaslı doku iskelerinin özellikleri hem hafiflik kazanımı, hem mekanik özellikler hem de biyolojik özellikler yönünden değerlendirildiğinde, elde edilen sonuçların literatürdeki PLA esaslı doku iskelelerinkine kıyasla daha başarılı sonuçlar verdiği görülmüştür. Ayrıca, çalışmada elde edilen sonuçlar süngerimsi kemik, bağ ve tendon gibi bazı insan dokularının mekanik özellikleri ile kıyaslandığında, sonuçların kabul edilebilir seviyede olduğu görülmüştür.

Abstract:
Biodegradable and biocompatible polymer-based scaffolds are widely used in tissue engineering. In particular, scaffolds used for biodegradable bone implant applications must have sufficient mechanical strength and biological properties. Polylactic acid (PLA) is one of the materials preferred in tissue engineering due to its properties such as biocompatibility, biodegradability and processability. However, the fact that PLA is brittle and has a hydrophobic character narrows the usage area of this material. There are several studies in the literature on the development of these features of PLA. However, studies on the development of halloysite nanotube (HNT) reinforced PLA scaffolds are very limited. In this thesis, HNT reinforced PLA based scaffolds were obtained by chemical foam injection molding method. In this regard, primarily PLA/HNT nanocomposites were compounded by melt mixing method on a twin screw extruder with 1-5 wt% HNT loadings. After melt mixing, neat PLA and PLA/HNT nanocomposite scaffolds via injection molding with chemical foaming agent were prepared. FTIR, DSC and TGA analyzes were performed for the characterization of PLA/HNT nanocomposites. In order to determine the mechanical properties of PLA/HNT scaffolds, tensile tests, 3-point bending and izod impact testing; to determine their morphological properties SEM; to determine their biological properties MTT, biodegradation and water contact angle tests were applied. In addition, in order to reduce the hydrophobicity of the developed scaffolds and to improve cell viability, laser texturing was applied to the surface of the samples.
The change in the mechanical properties of the scaffolds was examined according to both HNT loadings and foam morphology. In the scaffolds containing 3 wt% of HNT, compared to neat PLA, there was a 27.5% mass loss, while a 124% increase in tensile strength and 118% in elongation was observed. Above 3 wt% HNT loadings, a decrease in mechanical properties was observed due to the nanoparticle aggregation observed in the polymer matrix. A similar behavior was observed in the 3-point bending and izod impact test results. When the change in the mechanical properties of the scaffolds is examined according to the foam morphology, scaffolds with 3 wt% of HNT reinforcement had the highest mechanical properties among the developed scaffolds with the highest pore density (0.947x104 pore/cm3) and the lowest average pore diameter (71.72 μm). There are no pores in the skin layer formed on the scaffolds obtained by foam injection molding. Therefore, the cell adhesion ability of these surfaces is poor. In this thesis, laser textures were applied to these surfaces of scaffolds in two different patterns. Depending on the increased surface roughness and water contact angle, the PLA surfaces, which are hydrophobic, have been given hydrophilic properties. Consequently, the cell viability of the scaffolds has increased by 108%. In conclusion, when the properties of the developed PLA-based scaffolds were evaluated in terms of both weight loss, mechanical properties and biological properties, it was seen that the obtained results were quite successful than those of the PLA-based tissue scaffolds in the literature. When the results were compared with the mechanical properties of the some human tissues such as cancellous bone, ligament and tendon, the results were found to be acceptable.