P3HB ve PBA polimerleri ikili karışımlarının doku iskelesi olarak değerlendirilmesi
Evaulation of binary blends of P3HB and PBA polymers as a tissue scaffold
Yazar: ELVAN KONUK
Danışman: PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Tez çalışması kapsamında bir biyopoliester olan poli-3-hidroksibutirat (P3HB), hidrojen transfer polimerizasyonuyla sentezlenen ve daha önce hiçbir doku mühendisliği çalışmasında kullanılmamış olan poli-β-alanin (PBA), PBA kopolimeri poli(β-alanin-koetilenoksit) (PMBA), PBA türevi poli(N-(3-metoksipropil)-β-alanin) (PNMPBA) poliamitleri ile katkılanarak yeni bir doku iskelesi malzemesi üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu katkılama ile aynı zamanda P3HB'nin olumsuz özelliklerinin giderilmesi de amaçlanmıştır. Doku iskelesi üretimi için, dondurarak kurutma ve elektroeğirme yöntemleri kullanılmıştır.
Dondurarak kurutma yöntemiyle %5 P3HB ve P3HB'ye oranla kütlece %2, %5 ve %10 oranlarında PBA, PNMPBA ve PMBA içeren P3HB 3 boyutlu (3B) süngerimsi doku iskeleleri elde edilmiştir. İskeleler üzerinde basma mekanik testleri uygulanmış, P3HB ve %2 PBA içeren doku iskelelerinde sıkıştırma direnci değerleri sırasıyla 14.00±0.00 kPa ve 5.66±1.04 kPa olarak, elastik modül değerleri ise sırasıyla 27.40±0.00 kPa ve 12.06±3.20 kPa olarak bulunmuştur. Yapılan katkılamaların P3HB'nin kristal yapısına olan etkisini araştırmak amacıyla X-ışını kırınımı (XRD) analizi gerçekleştirilmiştir. P3HB'nin kristalinitesi %52.70 olarak bulunurken; %2 PBA, PNMPBA ve PMBA katkılaması yapılmış grupların kristalinitesi sırasıyla %48.84, %42.50 ve %46.84; %5 PBA, PNMPBA ve PMBA katkılaması yapılmış grupların kristalinitesi sırasıyla %46.46, %46.01 ve %46.61;
%10 PBA, PNMPBA ve PMBA katkılaması yapılmış grupların kristalinitesi ise sırasıyla %36.91, %41.21 ve %46.27 olarak bulunmuştur. Yapılan karakterizasyon çalışmaları sonuçları değerlendirilmiş, ve dondurarak kurutma yöntemi ile üretilen iskelelerin doku mühendisliği uygulamalarına uygun olmadığı tespit edilmiştir.
Elektroeğirme aşamasında geleneksel elektroeğirme ve ıslak elektroeğirme teknikleri kullanılarak sırasıyla 2 boyutlu (2B) ve 3B fibröz doku iskeleleri elde edilmiştir. Geleneksel elektroeğirme için %5 (w/v) P3HB ve %10 PBA (w/w) hekzafloroizopropanol (HFIP) içerisinde çözdürülmüş ve elektroeğirme koşullarının optimizasyonundan sonra 15 kV voltaj, 22.5 cm şırınga-toplayıcı uzaklığı ve 1.0 mL/sa akış hızı optimum koşullar olarak belirlenmiştir. Islak elektroeğirme için ise %10 (w/v) P3HB ve %10 (w/v) PBA HFIP içerisinde çözüdürülmüş ve elektroeğirme koşullarının optimizasyonundan sonra 15 kV
voltaj, 1 mL/sa akış hızı ve 16.5 cm şırınga-toplayıcı uzaklığı koşulları seçilmiştir.
Geleneksel elektroeğirme yöntemiyle üretilen %5 P3HB ve %10 PBA katkılı P3HB fiberlerin çapları sırasıyla 4.44±1.81 μm ve 3.21±1.82 μm, ıslak elektroeğirme ile üretilen %10 P3HB ve %10 PBA katkılı P3HB fiberlerin çapları ise sırasıyla 5.08±1.57 μm ve 5.12±1.63 μm olarak bulunmuştur. Çekme testleri geleneksel elektroeğirme ile üretilen 2B fibröz matrislere uygulanmıştır. İskelelerin çekme dirençleri sırasıyla 4.00 MPa ve 8.20 MPa olarak bulunurken, elastik modül değerleri sırasıyla 152.00 MPa ve 290.00 MPa olarak bulunmuştur. Ayrıca 2B iskeleler üzerinde su temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. İskelelerin su temas açıları %5 P3HB için 88.30±19.90°, %10 PBA katkılı P3HB için 48.90±9.00°'dir. Su alım kapasitesi ölçümleri ise ıslak elektroeğirme yöntemi ile üretilen
doku iskeleleri ile yapılmıştır. Üç boyutlu fibröz doku iskelelerinin su alım kapasiteleri %10
P3HB için %356.70±25.00 olarak, %10 PBA katkılı P3HB için ise %443.60±101.10 olarak hesaplanmıştır.
Hücresel uyumluluğun incelenebilmesi için P3HB ve PBA katkılı P3HB fibröz 3B iskeleler
ile MC3T3-E1 preosteoblastik hücre hattı kullanılarak hücre kültürü çalışmaları yapılmıştır.
Hücre canlılığının belirlenmesi amacıyla mitokondriyal canlılık analizi (MTT) ve hücre morfolojisinin takibi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizi gerçekleştirilmiştir.Sonuç olarak PBA katkılamasının P3HB'nin doku mühendisliği açısından olumsuzluk yaratan yüksek kristalinite, yüksek hidrofobisite gibi olumsuz özelliklerini iyileştirdiği ve mekanik açıdan olumlu özellikler katarak hücresel uyumluluğu arttırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In the thesis study, to produce a novel tissue engineering material, a biopolyester poly-3-
hydroxybutyrate (P3HB) reinforced with poly-β-alanine (PBA), PBA copolymer poly(β-
alanine-co-ethyleneoxide (PMBA), PBA derivative poly(N-(3-methoxypropyl)-β-alanine)
(PNMPBA) polyamides, which were synthesized by hydrogen transfer polymerization, were
used for the first time in the field of tissue engineering. Elimination of negative features of
P3HB by reinforcement was also aimed. Freeze drying and electrospinning methods were
selected for the production of tissue scaffolds.
Five percent P3HB and P3HB reinforced with PBA, PNMPBA and PMBA with 2%, 5% and
10% by mass relative to P3HB 3-dimensional (3D) sponge-like tissue scaffolds were
obtained by freeze-drying method. Mechanical compression tests were applied on the
scaffolds and the compressive strength values were found as 14.00 ± 0.00 kPa and 5.66 ±
1.04 kPa, the elastic modulus values were found as 27.40 ± 0.00 kPa and 12.06 ± 3.20 kPa
for the P3HB and 2% PBA scaffolds, respectively. X-ray diffraction (XRD) analysis was
performed to investigate the effect of the reinforcement on the crystal structure of P3HB.
The crystallinity of the P3HB is found as 52.70%; and the crystallinity of the 2% PBA,
PNMPBA and PMBA doped groups were 48.84%, 42.50% and 46.84%; the crystallinity of
the 5% PBA, PNMPBA and PMBA doped groups was 46.46%, 46.01% and 46.61%, the
crystallinity of 10% PBA, PNMPBA and PMBA doped groups were 36.91%, 41.21% and 46.27%, respectively. According to the characterization results, it has been determined that
the scaffolds which produced with freeze-drying method were not suitable for tissue
engineering applications.
Two-dimensional (2D) and 3D fibrous tissue scaffolds were obtained by using conventional
electrospinning and wet electrospinning techniques, respectively. For conventional
electrospinning, 5% (w/v) P3HB and 10% PBA (w/w) were dissolved in
hexafluoroisopropanol (HFIP) and 15 kV voltage, 22.5 cm syringe-collector distance and
1.0 mL/h flow rate have been determined as convenient conditions after optimization of
electrospinning conditions. For wet electrospinning, 10% (w/v) P3HB and 10% (w/v) PBA
were dissolved in HFIP and 15 kV voltage, 16.5 cm syringe-collector distance and 1 mL/h
flow rate conditions were selected after optimization of the electrospinning conditions.
Diameters of 5% P3HB and 10% PBA doped P3HB fibers produced by conventional
electrospinning method were 4.44±1.81 μm and 3.21±1.82 μm, and the diameters of 10%
P3HB and 10% PBA doped P3HB fibers produced by wet electrospinning were 5.08±1.57
μm and 5.12±1.63 μm, respectively. Tensile tests were performed on 2D fibrous matrices
produced by conventional electrospinning. The tensile strengths of the scaffolds were found
as 4.00 MPa and 8.20 MPa, while the elastic modulus values were found as 152.00 MPa and
290.00 MPa, respectively. In addition, water contact angle analysis was performed on 2D
fiber scaffolds. The water contact angles of the scaffolds were found 88.30±19.90° for 5%
P3HB and 48.90±9.00° for P3HB with 10% PBA, respectively. Water uptake capacity
measurements were performed with tissue scaffolds produced by wet electrospinning. The
water uptake capacities of three dimensional fibrous tissue scaffolds were found
356.70±25.00% for 10% P3HB and 443.60±101.10% for P3HB doped 10% PBA.
Cell culture studies were carried out with P3HB and PBA doped P3HB fibrous 3B scaffolds
and MC3T3-E1 preosteoblastic cell line to examine cellular compatibility. For determining
cell viability and cell morphology mitochondrial viability assay (MTT) and scanning
electron microscope (SEM) analysis were applied, respectively.
In conclusion, it has been found that PBA doping enhance P3HB's some negative properties
in terms of tissue engineering such as high crystallinity, high hydrophobicity and it improves
cellular compatibility by adding positive mechanical aspects.