Seramik esaslı kompozit ile biyouyumlu yapay doku oluşturulması
Creating biocompatible artificial tissue with ceramic based composite
Yazar: MEHMET CAN ARPAK
Danışman: PROF. DR. SİBEL DAĞLILAR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ CEVRİYE KALKANDELEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Biyouyumluluk = Biocompatibility ; Hidroksiapatitler = Hydroxyapatites ; Manganez = Manganese ; Seramik kompozitler = Ceramic composites ; Trikalsiyum fosfat = Tricalcium phosphate

Özet:
Biyomalzemeler, vücudun doku veya organlarının değerlendirilmesi, tedavisi, büyütülmesi, onarımı veya değiştirilmesi için kullanılır. Çeşitli kemik sorunlarına cevap veren mükemmel özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemeden oluşan kompozit yapıda biyomalzemeler, kemik doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. En ideal kemik implantı özelliği, osteoindüktif kemik dokusu rejenerasyonunu indükleyebilmesi ve kendisinin yavaş yavaş bozunabilir olarak yeni kemik ile yer değiştirmesidir. Hidroksiapatit (HA)'ten daha iyi osteoindüktivite ve bozunabilirliğe sahip olan β-TCP, son zamanlarda büyük ilgi görmüştür ve kemik grefti araştırmalarında temel malzemelerden biri haline gelmiştir. Mangan (Mn), insan organizmasında kemik gelişiminde önemli rol oynayan temel bir elementtir. Kemik ve kıkırdak matrisinin oluşumunda glikoziltransferazlar gibi çeşitli enzimlerin bir kofaktörü olarak görev yapar. Manganın insan vücudu için mutlak önemli derecede pozitif etkileri mevcut iken yüksek dozda vücuda alındığında toksik özelliği de bilinmektedir.
Bu çalışmada, kemik doku mühendisliği uygulamalarına yönelik β-TCP türevi biyoseramiklerin morfolojik özellikleri, mekanik performansı ve in vitro biyolojik tepkisi incelenmiştir. Bu amaçla saf β-TCP ve ağırlıkça %0.01, %0.05, %0.1, %0.5 ve %1 Mn   katkılı beş farklı karışım, 1000, 1100, 1200 ve 1300 °C lik   dört farklı sıcaklıkta sinterlenmiştir. Yapısal analizler sonucunda, 1000 ve 1100 °C'de sinterlemeye tabi tutulan tüm numunelerin ana faz olan β-TCP'den ve HA'ten oluştuğu gözlemlenmiştir. Ayrıca Mn katkı miktarına bağlı olarak 1000 ve 1100°C'de faz oranı değişikliği kaydedilmemiştir. 1200 – 1300 °C sinterleme sıcaklıklarında α-TCP oluşumu yanında hem β-TCP hem de HA fazları gözlemlenmiş, bununla birlikte ağırlıkça %0.05 Mn katkısı ile yoğunluk açısından doyuma ulaşılmıştır. Elde edilen seramik esaslı kompozit numunelerde osteoblastik hücrelerin (MC3T3-E1) canlılığı MTT testi ile, hem toz hem de pelet formunda incelenmiştir. Ağırlıkça %0.1 oranından daha düşük Mn katkılı seramiklerin, saf β-TCP'ye göre osteoblast hücreleri için daha uygun bir mikro-ortam verdiği ve 21 güne kadar hiçbir sitotoksik etki kaydedilmediği tespit edilmiştir.

Abstract:
Biomaterials are used for the evaluation, treatment, augmentation, maintenance or replacement of body tissue or organs. Composite structure biomaterials consisting of two or more materials with excellent growth responsive to various bone structures are widely used in bone tissue engineering. The most ideal bone implant feature is that it can induce regeneration of osteoinductive bone tissue and replace it with new bone as it is slowly degraded in itself. β-TCP, which has better osteoinductivity and degradability than hydroxyapatite (HA), has recently attracted great interest and has become one of the main ingredients in bone graft research. Manganese (Mn) is an essential element that plays an important role in bone cells in the human organism. It acts as a cofactor of various enzymes such as glycosyltransferases in the construction of bone and cartilage matrix. While manganese has excellent positive results of absolute importance for the human body, its harmful properties are also known in the high-dose lines.
In this study, morphological properties, mechanical performance and in vitro biological response of β-TCP derivative bioceramics for bone tissue engineering applications were investigated. For this purpose, pure β-TCP and five different mixtures with 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5% and 1% Mn additives by weight were sintered in four different ways at 1000, 1100, 1200 and 1300 °C. As a result of the structural analysis, it has been observed that all samples, subject to sintering at 1000 and 1100 °C, are composed of the main phase β-TCP and HA. Also, depending on the amount of Mn additive, the phase ratio did not change at 1000 and 1100°C. In addition to the formation of α-TCP at 1200 – 1300 °C sintering temperature, both β-TCP and HA phases were observed, however, saturation was reached in terms of temperature with the contribution of 0.05% Mn by weight. Both powder and pellet reflections by live MTT test of osteoblastic cells (MC3T3-E1) in the obtained ceramic-based composite samples. It was determined that 0.1% wt% Mn doped ceramics gave a more favorable microenvironment for osteoblast cells than pure β-TCP and no cytotoxic effects were recorded until 21 days.