Doku mühendisliğinde kullanılacak yeni polimerik biyomalzemelerin geliştirilmesi
Development of novel biomaterials for tissue engineering applications
Yazar: ZÜMRÜT SEDEN AKDEMİR
Danışman: PROF. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Doku mühendisliği = Tissue engineering ; Hidrojeller = Hydrogels

Özet:
Biyomalzemelerin en özgün uygulama alanlarından biri kemik ve kıkırdak yenileme amaçlı kullanılan ortopedik implantlardır. Polimerler bu konuda seramik malzemelere kıyasla belirgin avantajlar sunarlar. Seramikler gibi, polimerler de enjekte edilebilir ve bulunduğu ortamda sertleştirilebilir, fakat mekanik özellikleri ve parçalanma süreleri kalsiyum fosfat türü malzemelerden daha kolay değiştirilebilir. Ayrıca, polimerlerin modifiye edilebilen fonksiyonlu gruplar içermesi, belirli hücre tipleri ile özel etkileşime girebilmelerine olanak sağlar. Son yıllarda, doku mühendisliği uygulamaları için poli(etilen glikol) (PEG) ve poli(akrilik asit) türevli kopolimerler, polipeptidler, poli(fosfazen) ve poli( ? -hidroksi asit) gibi sentetik biyopolimer üzerinde kaplama çalışmalar yapılmıştr.Doku tamiri veya dokunun yeniden oluşması (rejenerasyon) için enjekte edilebilir polimerlerin geliştirilmesi konusundaki yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Enjekte edilebilen biyomalzemelerin başlıca avantajı, oluşan kemik defektlerini doldurabilme yeteneğidir. Diğer avantajları olarak kullanım kolaylığı, minimal bir cerrahi işlem ile doku içine yerleştirilmesi, hücrelerin gelişmesi için bir arayüzey oluşturması ve kendisi üzerinde biyoaktif ajan (canlı doku ile kuvvetli bağ oluşturacak uç) taşıma yeteneğidir. Enjekte edilebilir, bulunduğu ortamda polimerleşebilen biyomalzemelerin kullanımında, diğer biyomalzemelerde olmayan bazı özelliklerin dikkate alınması gereklidir. Bunlar, sertleşme öncesi çözelti Viskozitesi ve sertleşme sırasında ortaya çıkan ısıdır.Enjekte edilebilir ve biyoparçalanabilen kemik dolgusu olarak incelenen polimerlerden biri poli(propilen fumarat) (PPF) ve türevleridir. Doymamış fumarat grupları içeren ve biyoparçalanabilen bir poliester olan PPF, birçok monomerler ile kolayca çapraz bağlanabilir. Diğer önemli polimer, kıkırdak onarımında kullanılan polihiyaluronik asit esaslı hidrojellerdir ve kolayca reaktif gruplarla fonksiyonlandırılabilir, çapraz bağlanma reaksiyonlarına girebilir ve hidrojel formunda malzemeler üretilebilir.Bu çalışmanın amacı, enjekte edilebilir ve biyobozunur yeni polimerlerin sentezi ve bu polimerler kullanılarak hazırlanan yapı iskelelerinin performanslarının ayrıntılı olarak incelenmesidir. Ultraviyole ışınları (UV) ile sertleştirilebilen, enjekte edilebilir fumarik asit ya da akrilat modifiye oligomerler sentezlenmiş ve bu oligomerler kullanılarak iki farklı grup biyomalzeme geliştirilmiştir.Bu amaçla ilk olarak fumarik asit ile modifiye edilmiş polietilen glikol diglisidil eter (PEGDGE) reçinesi ve hücre bağlayıcı ajan olarak üçlü peptit yapısında olan Arjinin-Glisin-Aspartik asit (RGD) ile modifiye edilmiş polietilen glikol mono akrilat (PEGMA) sentezlenmiştir. Bu yeni polimerler UV ışınları ile sertleştirilebilen hidrojeller için kullanılmıştır. Elde edilen hidrojellerin karakterizasyon çalışmaları yapılmış ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Biyomalzeme olarak özelliklerinin araştırılması için hem in vitro hem in vivo çalışmaları yapılmıştır. Hidrojeller biyouyumlu davranış göstermiş ve fare tibia kemiğine yerleştirildikten sonra her hangi bir alerjik etkiye sebep olmamışlardır. Üç ay boyunca fare kemiğinde tutulmuş olan hidrojellerin kenar kısımlarında kemik matür doku oluştuğu ve hidrojellerin % 90 gibi büyük bir oranının rezorbe olurken yerini yeni kemik hücreler bıraktığı gözlemlenmiştir.Çalışmanın devamında ilk sentezlenen hidrojellerin biyobozunma kinetiğini geliştirmek amacıyla yeni bir oligomer sentezlenmiştir. Halka açılma polimerizasyonu tekniği ile 2-etil-2-hidroksimetil-1,3-propandiolün, laktid ve glikolid ile reaksiyonundan poli(laktik asit/ glikolik asit/ 2-etil-2-hidroksimetil-1,3-propandiol) [PLGAEHPD] kopolimeri sentezlenmiştir. Bu polimerin uç gruplarına çift bağlar ekleyebilmek için monoetil fumaratın, PLGAEHPD ile reaksiyonu gerçekleştirilmiş ve monoetil fumarat modifiye PLGAEHPD ( PLGAFAME) elde edilmiştir. Sentezlenen hidrojellerin biyobozunma denemeleri göstermiştir ki % 15 oranında PLGAFAME içeren hidrojelin 90 gün sonunda kütle kaybı %52 seviyesine çıkmıştır. in vitro çalışmalar osteoblast hücreleri kullanılarak gerçekleştirilmiş ve osteoblast hücrelerinin hidrojelin gözeneklerinden içeriye doğru nüfuz ettiği, osteojenik aktivite nedeniyle de yüzeyde kolajene ait lifli yapıların yer aldığı gözlemlenmiştir. in vitro sitotoksite testleri sonucuna göre de hidrojel yüzeyine ekilmiş olan hücrelerin üç gün sonucunda % 100 oranında canlı kaldığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
One of the most prominent application areas of biomaterial is for orthopedic implant devices such as bone and cartilage replacements. Polymers can offer some distinct advantages over ceramic materials. Like ceramics, they are injectable and harden in situ, but the mechanical properties and degradation times can be more easily tailored with polymers than with calcium phosphate materials. In addition, the widely varied polymer chemistry allows the possibility of functionalization to interact specifically with certain cell types. During the last decade, many synthetic polymer have been studied for tissue engineering applications including copolymers of poly(ethylene glycol) (PEG), poly(acrylic acid) derivatives, polypeptides, poly(phosphazene) and poly( ? -hydroxy acid).Development of injectable polymers for tissue repair or tissue regeneration also presents considerable challenges. A principle advantage of injectable biomaterials lies in their ability to completely fill the irregularly shaped bone defects that often arise clinically. Other advantages include their ease of use, allowance of minimally invasive surgical procedures and ability to acts as a carrier of cells or bioactive agents. The development of an injectable, insitu polymerizable biomaterial, however, requires consideration of a number of material characteristics that are not often evaluated for other biomaterials, including uncured solution viscosity and heat evolution during curing.One polymer that is investigated as an injectable and biodegradable bone cement is poly(propylene fumarate) (PPF) and their derivatives. It is a biodegradable polyester contains unsaturated fumarate sites which can be easily crosslinked by monomers. Another well known polymer for injectable cartilage repair is polyhyaluronic acid based hydrogels. They can be functionalized with reactive groups, undergo crosslinking reactions and produce materials in the form of hydrogels.The aim of this study was to synthesize injectable and biodegradable new polymers and investigate the performance of the scaffolds prepared by these polymers in details. Ultra Violet (UV) curable, injectable fumaric acid or acrylate modified oligomers were synthesized and two different groups of biomaterials were improved by using these oligomers.For this purpose firstly, fumaric acid modified poly(ethylene glycol) diglicidyl ether (PEGDGE) resin and poly(ethylene glycol) monoacrylate modified with tripeptide unit known as Arginine-Glycine-Aspartic acid, as a cell-binder agent, were sythesized. Then, these new oligomers were used for the preparation of UV-curable hydrogels. The characterization studies of the prepared hydrogels were done and mechanical properties were investigated. For the determination of the biomaterial properties of the hydrogels either in vitro or in vivo studies were performed. Hydrogels had shown biocompatible behaviour and after placed into the rat tibia induced no allergic efficacy. Bone mature tissue formation was observed in the border of the hydrogels kept in the rat bone for three months and new bone cells were replaced with the hydrogel while the 90% of the hydrogel was resorbed.Following these studies, a new oligomer was synthesized to improve the degradation kinetic of the previously prepared hydrogels. 2-ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol was reacted with lactide and glycolide by ring opening polymerization technique and poly( lactic acid/glycolic acid/2-ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol) [PLGAEHPD] was synthesized. With the purpose of double bonds attachment to the terminal of this polymer, monoethyl fumarate was reacted with PLGAEHPD and monoethyl fumarate modified PLGAEHPD was achieved. The degradation studies of the prepared hydrogels had shown that after 90 days % of the mass loss was 52 for the hydrogel composition having 15 % wt of the PLGAFAME. Osteoblast cells were used to evaluate the in vitro studies and it was observed that osteoblast cells penetrated through the hydrogel pores, because of osteogenic activity the fibres of the collagen were seen on the surface of the hydrogel. According to in vitro cytotoxity measurements, at the end of third day, cell viability of the cells seeded onto hydrogel surface was observed 100 %.