Mikrodalga desteği ile metakrilatlanmış kappa carrageenan hidrojellerin 3B baskılanması ve kıkırdak doku mühendisliğinde kullanımının araştırılması
3D bioprinting of microwave assisted methacrylated kappa carrageenan hydrogels and investigation of their usage in cartilage tissue engineering
Yazar: GÜLNİHAL TOK İLHAN
Danışman: PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu çalışma "Mikrodalga Desteği ile Metakrilatlanmış Kappa Carrageenan Hidrojellerin Kıkırdak Doku Rejenerasyonu için 3 Boyutlu Baskılanması" başlıklı 118M734 numaralı 1002 Hızlı Destek Projesi kapsamında Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından desteklenmiştir. 
Sunulan tez çalışmasının amacı mikrodalga desteği ile metakrilatlanmış kappa carrageenan (κ-CA) polimerinin 3 boyutlu (3B) biyobaskılanması için uygun özelliklere sahip biyoçözelti olarak sunulması ve kıkırdak öncül hücreleri (ATDC5) ile birlikte baskılanan hidrojellerin kıkırdak doku mühendisliğinde kullanımının araştırılmasıdır. 
Çalışma kapsamında, ilk olarak kappa carrageenan (κ-CA) polimeri farklı metakrilik anhidrit (MA) oranlarında (hacimce %4 ve %12), hem geleneksel hem de mikrodalga yöntemleri ile metakrilatlanmışlardır. κ-CA polimeri mikrodalga yöntemiyle başarılı bir şekilde metakrilatlanarak düşük MA oranında (%4 v/v) yüksek metakrilatlanma derecesi (%85 ± 9) elde edilmiştir. Ardından elde edilen κ-CA polimerlerinin PBS (pH=7.4) içerisinde %8'lik (w/v) çözeltileri hazırlanarak, bu çözeltilere IRGACURE-2959® (%1 w/v) varlığında 40 s UV uygulanmış ve foto-çapraz bağlama prosesi ile hidrojel yapıları elde edilmiştir. Sonrasında, hidrojel karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Elde  edilen sonuçların ışığında, mikrodalga prosesi ile metakrilatlanan κ-CA (%12 v/v MA) polimeri başarılı biçimde 3B baskılanarak bir biyoçözelti olarak sunulmuştur. 
Çalışmanın devamında in vitro'da çoğaltılan ATDC5 hücreleri (2 x 107 hücre/mL) ile κ-CA polimer çözeltileri 3B baskılanarak 21 gün farklılaşma ortamında kültüre edilmişlerdir. Her iki grupta da hücreler kıkırdak dokuya farklılaşmışlardır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ile hücrelerin kıkırdak dokuya özgü küresel morfoloji sergiledikleri görülmüştür. Glikozaminoglikan (GAG) içeriği spektrofotometrik yöntem ile tayin edilmiş, Safranin O / Fast Green boyamaları ile de hidrojellerde GAG varlığını ortaya koyan görüntüler elde edilmiştir. İmmünositokimyasal analizlerle de agregan ve kollajen II varlığı gösterilmiştir. 
Sonuç olarak, 3B baskılanan ve ATDC5 hücrelerini içeren metakrilatlanmış κ-CA hidrojellerinde in vitro koşullarda kıkırdak dokuya farklılaşma gerçekleşmiştir. Böylece, mikrodalga yöntemi ile fonksiyonlandırılan κ-CA polimerinin kıkırdak doku mühendisliği çalışmaları ve mikroekstrüzyon tabanlı biyoyazıcılar için uygun bir biyoçözelti olabileceği önerilmektedir

Abstract:
This "3D Bioprinting of Microwave Assisted Methacrylated Kappa Carrageenan Hydrogels and Investigation of Their Usage in Cartilage Tissue Engineering" entitled study was supported by the The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK), 1002 program with project number 118M734.
The aim of the presented study is  development of microwave assisted  methacrylated kappa carrageenan (κ-CA) polymer as a bioink with suitable properties for the 3 dimensional (3D) bioprinting, and investigation of the printed hydrogels with cartilage precursor cells (ATDC5)  in cartilage tissue engineering. 
Within the scope of the study, the kappa carrageenan (κ-CA) precursor was methacrylated with different methacrylic anhydride (MA) ratios (4% and 12% by volume), following conventional and microwave methods. κ-CA was successfully methacrylated at low MA concentrations (4% (v/v) by microwave method to obtain a high yields of methacrylation (85 ± 9%). Then, 8% (w/v) solutions of κ-CA polymers in PBS (pH=7.4) were prepared. These solutions were treated with UV for 40 s in the presence of IRGACURE-2959® affording hydrogel structures in photo-crosslinking process, and the obtained hydrogels were fully characterized. According to the characterization results the methacrylated κ-CA polymer (12% v/v MA) by microwave process was chosen and successfully used as a bioink in 3D printing process.
In the following studies, the ATDC5 cells (2 x 107 cells/mL) were mixed with the κ-CA solutions that were methacrylated with microwave and traditional method, and the result solution, in other words bioink, was 3D printed. The printed structure was cultured for 21 days in the differentiation medium. In both groups, the cells differentiated into a cartilage tissue. Scanning electron microscopy (SEM) images showed that cells exhibit spherical morphology specific to cartilage tissue. Glycosaminoglycan (GAG) content was determined by the spectrophotometric method and the presence of GAG in hydrogels was demonstrated by Safranin O / Fast Green staining. The presence of aggregan and collagen II was also demonstrated by immunocytochemical analyzes.
Consequently, the 3D printed methacrylated κ-CA hydrogels including ATDC5 cells differentiated into cartilage tissue in-vitro. Thus, it is proposed that the microwave-functionalized κ-CA polymer may be considered as a suitable bioink for cartilage tissue engineering studies and microextrusion based bioprinters.