3 boyutlu biyo-basım ile GelMA tabanlı hibrit doku iskelesi üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of GelMA-based hybrid tissue scaffolds via 3D bioprinting
Yazar: ZEKİYE AKDAĞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SONGÜL ULAĞ ; PROF. DR. OĞUZHAN GÜNDÜZ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: 3-D teknolojisi = 3-D technology ; Doku iskeleleri = Tissue scaffolds ; Jelatin = Gelatin ; Keratinler = Keratins

Özet:
Ciltte ağrıya, hasara ve enfeksiyona neden olan cilt hastalıkları doku mühendisliği çalışmalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Bu durumlar farklı ilaçlar ve antibiyotiklerle tedavi edilebilse de, etkilenen bölgeye tek başına pansuman yeterli olmayabilir. Bu nedenle, yara bakımına yönelik bir müdahalenin, daha etkili bir yaklaşım kullanılarak mümkün olduğu kadar erken başlatılması gerekmektedir. Çok işlevli özelliklere sahip doğal polimerik hidrojeller, kronik yaraların iyileşme sürecini arttırmak için oldukça tercih edilmektedir. Optimum foto-çapraz bağlı cilt kaplaması olan jelatin metakriloil (GelMA), hücre dışı matrisin (ECM) yapısını taklit edebilir. Bununla birlikte, saf GelMA hidrojel yetersiz mekanik mukavemet sergiler. Hibrit olarak uygulanması etkinliğini arttırır. Dünyada en çok bulunan üçüncü polimeri olan keratin, sağlam ve filamentli bir proteindir. Keratin; memelilerin, sürüngenlerin ve kuşların tüyleri, yünleri, tırnakları ve boynuzlarının önemli bir bileşenidir. Ayrıca, keratin atığı değerli, yenilenebilir bir hammaddedir ve değerini arttırmak için atık yünün kullanımının yaygınlaştırılması önemlidir.
Sunulan tez çalışmasında, koyun yününden yüksek verimli (%65) keratin ekstraksiyonu gerçekleştirilmiş ve keratinin kimyasal modifikasyonu yoluyla keratin metakrilat (KerMA) sentezi başarıyla (%62 verimle) gerçekleştirilmiştir. Yapılan metakrilasyon sentezleri sonucunda 1H-NMR ve TNBS analizleri metakrilasyonun başarısını kanıtlamış ve GelMA' nın metakrilasyon derecesi %75,4 ve KerMA'nın metakrilasyon derecesi ise %75 olarak hesaplanmıştır. Sentezlenen GelMA, keratin ve KerMA' dan üç boyutlu hibrit doku iskelesi üretilmiştir. GelMA/keratin ve GelMA/KerMA doku iskelelerinin şişme ve bozunma davranışları, fiziksel, morfolojik ve mekanik özellikleri karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Bozunma testi sonucunda, üretilen hibrit doku iskelelerinin bozunma oranlarının düşük olduğu görülmüştür. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ile yapılan kimyasal analiz sonucunda, malzemeler arasındali kimyasal etkileşim kanıtlamıştır. Taramalı elektron mikroskop (SEM) ile yapılan morfolojik analiz sonucunda, kontrol grubu olan GelMA' ya keratin içeren ve KerMA içeren grupların eklenmesinin kontrol grubunun morfolojisini bozmadığı gözlenmiştir. Keratin katkılı doku iskelesi ile karşılaştırıldığında KerMA katkılı doku iskelesinin mekanik özelliklerinin geliştiği ve uzama miktarının yaklaşık olarak %90' a ulaştığı gözlenmiştir. Üretilen doku iskelelerinin biyouyumluluk özellikleri L929 fare fibroblast hücreleri ile test edilmiş ve tüm deney gruplarının biyouyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Genel olarak, GelMA/keratin ve GelMA/KerMA doku iskelelerinin, cilt yaralanmalarını iyileştirmek için çok işlevli yamalar olma potansiyeline sahip olduğu kanıtlanmıştır.

Abstract:
Skin diseases that cause pain, damage, and infection of the skin are frequently used in tissue engineering studies. Although these conditions can be treated with different drugs and antibiotics, dressing the affected area alone may not be sufficient. Therefore, a wound care intervention needs to be initiated as early as possible using a more effective approach. Natural polymeric hydrogels with multifunctional properties are highly favored to enhance the healing process of chronic wounds. Gelatin methacryloyl (GelMA), the optimal photo-crosslinked skin coating, can mimic the structure of the extracellular matrix (ECM). However, pure GelMA hydrogel exhibits insufficient mechanical strength. Its application as a hybrid increases its effectiveness. Keratin, the world's third most abundant polymer, is a robust and filamentous protein. Keratin is an important component of the feathers, wool, nails, and horns of mammals, reptiles, and birds. Furthermore, keratin waste is a valuable renewable raw material and one of the aims is to expand the utilisation of waste wool to increase its value. 
High yield (65%) keratin extraction from sheep wool was carried out and keratin methacrylate (KerMA) synthesis through chemical modification of keratin was successfully achieved in 62% yield. As a result of the methacrylation synthesis, 1H-NMR and TNBS analyses proved the success of methacrylation, and the methacrylation degree of GelMA and KerMA was calculated as 75.4% and 75%, respectively. In the current research, a hybrid scaffold system containing GelMA, keratin, and KerMA was fabricated to serve as cell and growth factor carriers for skin disorder treatment. GelMA/keratin and GelMA/KerMA scaffolds were evaluated by comparing their swelling rates, biodegradation behavior, physical properties (FT-IR), morphology (SEM), and mechanical properties (compression). It was observed that the degradation rates of hybrid scaffolds were low. The peaks formed as a result of the FT-IR test were compatible. The morphological evaluation showed that the presence of keratin-containing and KerMA-containing groups positively affected the morphology of GelMA. Compared to keratin, KerMA showed better mechanical properties, and an elongation rate of approximately 90% was calculated. Biocompatibility analyses were tested with L929 mouse fibroblast cells and it was observed that all experimental groups were biocompatible. Overall, GelMA/keratin and GelMA/KerMA scaffolds proved to have the potential to be multifunctional patches for healing skin injuries through skin tissue engineering.