Biyouyumlu yapay böbrek için malzeme seçimi ve uygulamaları
Materials and their applications for biocompatible artifical kidney
Yazar: ÖZGÜR ŞEVVAL KAHRAMAN
Danışman: PROF. DR. AYÇA MERİÇ HASANOĞLU ; DOÇ. DR. İLKNUR KÜÇÜK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyopolimerler = Biopolymers ; Biyouyumluluk = Biocompatibility ; Faz inversiyon polimerleşmesi = Phase inversion polymerization ; Hidrofilik membran = Hydrophilic membrane ; Hidrofobik membran = Hydrophobic membrane ; Hidrolik geçirgenlik = Hydraulic permeabilty ; Kronik böbrek hastalığı - mineral ve kemik bozukluğu = Chronic kidney disease-mineral and bone disorder ; Yapay membranlar = Artificial membranes

Özet:
Böbrek yetmezliği günümüzde on kişiden birinin yaşadığı ve dünya çapında yaklaşık olarak 850 milyon insanı etkileyen bir hastalıktır. Gelecekte dünya üzerinde yaşanacak en büyük ölüm sebeplerinin ilk beşinde böbrek yetmezliği olacağı düşünülmektedir. Bu hastalığın kesin tedavisi olan organ nakli ise yeteri kadar organ bağışçı sayısının olmaması sebebi ile organ naklinin bütün hastalarda kullanımı mümkün değildir. Bu sebeple böbrek yetmezliği tedavisi için yapay böbrek olarak bilinen diyaliz cihazlarının kullanımı oldukça yaygındır. 
Diyaliz cihazlarında kullanılan membranların biyouyumluluk ve kan uyumluluk özelliklerinin düşük olması sebebi ile hastaların kan – cihaz teması sonrası yaşanabilecek komplikasyonlar sebebi ile hayati tehlike yaşama olasılıkları bulunmaktadır. Böbrek yetmezliği tedavisinde kullanılan diyalizlerin ana elemanı olan membranlar doğal ve sentetik olmak üzere iki türde polimerik yapıdan seçilmektedirler. Bu membranların en çok kullanılanları doğal polimerlerden selüloz bazlı membranlar ve sentetik olarak polietersülfon (PES), polisülfon (PS) ve poliakrilonitril (PAN) bazlı membranlardır.Polietersülfon yüksek termal stabilite, yüksek mekanik kuvvet ve yüksek kimyasal dayanıma sahip olan ve medikal uygulamalarda sıkça kullanılan bir polimer türüdür.  Fakat kan ile etkileşim halinde kullanılacak malzemeler için termal stabilite, mekanik kuvvet ve kimyasal direnç gibi parametrelerin yüksek olmasının yanı sıra biyouyumluluk özelliklerinin de yüksek olması gerekmektedir. Saf PES'in diyaliz membranı olarak kullanımı sırasında membran üzerinde kirlenme, zaman içerisinde membran performansında düşüş ve en önemlisi canlı vücudunda kan pıhtılaşması gibi hayati tehlikeye yol açabilme potansiyeli bulunmaktadır. Bu sebeple PES bazlı membranlar için kan ile temas halinde olacağı uygulamalar için biyouyumluluk geliştirmek için çalışmaları yapılmaktadır.  Biyouyumluluk ile ilgili yapılan çalışmaların biyouyumluluğun ürün hidrofilitesi ile doğrudan ilişki olduğunu göstermektedir. Bu nedenle PES'in hidrofilik özelliklerini arttırmak için çalışmalar yapılmaktadır. Polivinilpirolidon (PVP) ve polietilenglikol (PEG) gibi hidrofilik özelliği yüksek polimerler hidrofobik membranların hidrofilik özelliğini geliştirmek için sıkça kullanılmaktadır. PVP ve PEG ilave edilerek yapılan PES bazlı membranların hidrofilik özellik kazanması ile yüzeylerinde kontaminasyon ve kirlenme ve ileri safhalarda kan hücre reaksiyonuna sebebiyet veren protein adsorpsiyonu engellenmiş olur.Bu tez çalışmasında PES membranının diyaliz uygulamalarında daha yüksek performansla ve daha biyouyumlu bir şekilde kullanımı için, PES membranı PVP ve PEG gibi hidrofilik özellikte polimerle modifiye edilmiştir. Çalışmada toplam polimer oranı NMP çözeltisi içerisinde %15 olarak kalacak şekilde saf PES, PVP (%5 ağ.) ilaveli PES (%10 ağ.), PEG 1000 (%5 ağ.) ilaveli PES (%10 ağ.) ve PEG 10 000 (%5 ağ.) ilaveli PES (%10 ağ.) membran olmak üzere 4 adet membran türü üretilmiştir. Üretilen bu membranların su sorpsiyon, protein adsorpsiyon, kreatinin adsorpsiyon, üre adsorpsiyon ve karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneysel çalışmaların sonuçlarına göre, PVP ilaveli PES membranın %338,3 ile su sorpsiyon analizinin, 122,5 µg/cm2 ile kreatinin ve 139 µg/cm2 ile üre adsorpsiyon değerlerinin en yüksek; 23,4 µg/cm2 ile protein adsorpsiyon değerinin en düşük olduğu görülmüştür. Bu sonuçlara göre PVP ilaveli PES membranın hazırlanmış olan diğer membranlara kıyasla diyaliz uygulaması için kullanılabilecek en iyi özelliklere sahip membran olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada üretilen modifiye membranların diyaliz işlemlerinde kullanılması açısından potansiyel sahibi olduğu görülmüştür.

Abstract:
Kidney failure is a disease that affects approximately 850 million people worldwide and affects one in ten people today. Organ transplantation, which is the definitive treatment for this disease, is not possible due to the lack of sufficient number of organ donors. For this reason, the use of dialysis devices known as artificial kidneys for the treatment of kidney failure is quite common. Due to the low biocompatibility and blood compatibility properties of the membranes used in dialysis devices, patients are likely to experience life-threatening complications after blood-device contact. Membranes, which are the main elements of dialysis used in the treatment of kidney failure, are selected from two types of polymeric structures as natural and synthetic. The most widely used of these membranes are cellulose-based membranes from natural polymers and synthetically based membranes of polyethersulfone (PES), polysulfone (PS) and polyacrylonitrile (PAN). Polyethersulfone is frequently used in medical applications because of high thermal stability, high mechanical strength and high chemical resistance properties. However, for materials to be used in interaction with blood should have has high biocompatibility properties as well as having good thermal stability, mechanical strength and chemical resistance. Pure PES has the potential to cause contamination on the membrane during its use as a dialysis membrane, decrease in membrane performance over time and lead to life-threatening dangers because of blood reaction like coagulation on surface. For this reason, studies are carried out to develop biocompatibility for applications where PES-based membranes are in contact with blood. Studies have been carried out to increase the hydrophility of the hydrophobic membranes such as PES since the biocompability is directly related to hydrophility of the material. Polymers with high hydrophilic properties such as polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyethylene glycol (PEG) are frequently used to improve the hydrophilic properties of hydrophobic membranes. With the hydrophilic feature of PES-based membranes made by adding PVP and PEG, fouling, contamination on their surfaces and protein adsorption that causes blood cell reaction in advanced stages are prevented.
In this thesis, in order to use PES membrane in dialysis applications with higher performance and biocompability, PES membrane was modified with with hydrophilic PVP and PEG polymers. In this study pure PES (%15 wt), PVP (5% wt) added PES (10% wt), PEG 1000 (5% wt) added PES (10 wt) and PEG 10 000 (5% wt) added PES (%10 wt) were produced using NMP solvent and polymer content remained %15 wt in total. Water sorption, protein adsorption, creatinine adsorption, urea adsorption and characterization processes of these membranes were performed. According to the experimental results, PVP added PES membrane, was found to have highest hydrophilicity with %338,3 water sorption, 122,5 µg/cm2 creatinine and 139 µg/cm2 urea adsorption values and the lowest protein adsorption value with 23,4 µg/cm2. The studies showed that the PVP added PES membrane has the best properties for dialysis application compared to other prepared membranes. The modified membranes developed in this study have potential for dialysis applications.