Biyobozunur kompozit kemik doku iskeleleri: Polimerik fiber/malzeme destekli kriyojeller
Biodegradable composites as bone tissue engineering scaffolds: Cryogels reinforced with polymeric fibers/materials
Yazar: LÜTFİYE TUTKUN
Danışman: PROF. DR. ERHAN PİŞKİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Sunulan tez çalışmasının amacı; doku mühendisliği yaklaşımı ile daha hızlı ve kaliteli kemik dokusu oluşumu sağlamak amacıyla, kriyojel esaslı biyobozunur fiberler ile desteklenmiş doku iskelelerinin hazırlanması ve karakterizasyonudur. Doku mühendisliğinde kullanılan doku iskelelerinin başarısı, doku iskelesi materyallerinin özellikleri ile belirlenir. Doku iskelesinin mekanik, kimyasal ve geometrik özellikleri doku iskelesinin işlevselliği açısından bu kapsam içerisinde yerini alır. Yeni doku oluşumu gerçekleşirken doku iskelesi mekanik kararlılığını sürdürebilmelidir. İdeale yakın gözenek yapısı oluşturan kriyojel hazırlama tekniği ile elde edilen doku iskelelerinin en önemli dezavantajı, mekanik olarak zayıf olmalarıdır. Doku iskelelerinin çeşitli biyobozunur fiberler ile desteklenerek mekanik özelliklerinin geliştirilmesi, gerçekleştirilen tez çalışmasının ana hedefini oluşturmaktadır.Tez kapsamında yapılan çalışmalar başlıca üç ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde; PLA-PEG [poli(laktat)-poli(etilen glikol)] blok kopolimerlerinin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Blok kopolimerler; katalizör olarak kalay oktoat kullanılarak, daha önce grubumuzun çalışmalarında belirlenen koşullarda sentezlenmiştir. Kopolimerlerin karakterizasyonu GPC, FTIR, NMR, DSC gibi yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmiş ve kopolimerizasyon konfirme edilmiştir.İkinci bölüm; fiberlerin hazırlanması ve üretilmesi aşamasından oluşmuştur. Üç tür hazır sentetik fiber kullanılmıştır. Bu fiberlerden birincisi ?vikril? ya da ?polyglactin 910? ticari isimleri ile satılan, ameliyat ipliği olarak kullanılan polilaktat/glikolat çok flamanlı ipliklerdir. Satın alınma yolu ile temin edilmiştir. Vikril; deneysel çalışmalarda PLA-PEG blok kopolimerine ilave edilmek üzere; 3 farklı çapta, üç farklı boyda ve üç farklı matriks/fiber oranı'nda hazırlanmıştır. İkinci fiber türü, ?katgut? ticari adı ile satılan doğal kolojen esaslı fiberlerden oluşan yine ameliyat ipliği olarak kullanılan fiberlerdir. Satın alınma yolu ile temin edilmiştir. Katgut; jelatin esaslı doku iskelesi yapısına ilave edilmek üzere yine 3 farklı boyda, üç farklı çapta ve üç farklı matriks/fiber oranında hazırlanmıştır. Üçüncü fiber türü ise kitosandır. Kitosan, amin grupları nedeniyle pozitif yük taşıyan kitin türevi bir biyosentetik polisakkarittir. Kitosan fiberleri ıslak eğirme yöntemi ile üretilmiştir. PLA-PEG blok kopolimerinin yapısına ilave edilmek üzere, 3 farklı çapta ve 3 farklı matriks/fiber oranında hazırlanmıştır.Çalışmanın üçüncü bölümünde, kriyojel hazırlama tekniği ile doku iskeleleri hazırlanmış ve karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında; 2 farklı yapıda polimere 3 farklı fiber ilavesi ile 3 farklı türde doku iskelesi hazırlanmıştır: Jelatin/katgut, PLA-PEG/vikril ve PLA-PEG/kitosan. Doku iskelelerinin gözenek yapıları (boyut, şekil, birbirleri ile bağlantılı olma gibi), bozunma davranışları, şişme dereceleri ve mekanik özellikleri incelenmiş ve bu özellikleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Fiber katkılı PLLA-PEG ve jelatin esaslı doku iskelelerinin SEM görüntülerinden; fiber çapı, boyu ve ağırlıkça matriks/fiber oranına bağlı olarak değişen, çok çeşitli gözenek yapılarına sahip kriyojeller elde edildiği görülmüştür. Jelatin esaslı kriyojelin, PLLA-PEG esaslı kriyojele göre çok daha büyük gözeneklere sahip olduğu görülmüştür. Fiber katkısız PLLA-PEG ve jelatin esaslı kriyojellerin, fiber katkılı olanlara göre şişme değerleri daha yüksek bulunmuştur. Sonuç olarak, fiber katkısız kriyojellerin mekanik özelliklerinin daha zayıf olduğu görülmüştür. Bozunma davranışları; fiber katkısının doku iskelelerinin bozunma hızını yavaşlattığını göstermiştir. Ve son olarak sitotoksisite testleri gerçekleştirilerek tez tamamlanmıştır. Testler, kriyojellerin hücre canlılığı açısından verimli olduklarını göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Kemik doku mühendisliği, biyobozunur kompozit doku iskeleleri, biyobozunur polimerler, PLLA, PEG, jelatin, katgut, vikril, kitosan, ıslak eğirme, kriyojel, mekanik dayanım.Danışman: Prof. Dr. Erhan Bişkin, Hacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü

Abstract:
The goal of the thesis is to prepare composite polymeric tissue engineering scaffolds reinforced with biodegradable fibers based on cryogellation method. The success of scaffolds used for tissue engineering is determined by the material properties of the scaffold. These include optimized mechanical, chemical and geometrical properties of the scaffold for effective functioning. The scaffold must be able to provide mechanical stability to the tissue as it forms. The most important disadvantage of the scaffold prepared by the cryogellation technique which provides almost ideal pore structure is to yield mechanically weak structures as a consequence of the resulting small amount of polymer supporting to the whole structure. Improvement of the mechanical properties of scaffolds by reinforced with several biodegradable fibers is the main object of this thesis.The thesis consists of three main studies. PLLA-PEG [poly(lactat)-poli(ethylene glycole)] block copolymers were synthesized and characterized in the initial part of studies. Block copolymers were synthesized in the presence of stannous octoate as a catalyst under the conditions which were determined in our group studies in the past. The characterization of the copolymers was conducted by using GPC, FTIR, NMR, DSC and copolimerization was confirmed.Fibers were prepared and produced in the second part of the study. Three types of commercially available synthetic fibers were used. First one is a polylactate/glycolate multiflament surgical suture material marketed under the trade names ?Vicryl? and ?Polyglactin 910?. Vicryl was obtained from the trade company. In order to reinforce PLLA-PEG copolymers, vicryl fibers were prepared in three different length, diameter and matrix/fiber ratio in terms of weight. Second fiber type is composed of natural collagen based fibers which is used as a surgical suture material and marketed under the trade name ?catgut?. Catgut was obtained from the trade company too. In order to be added into gelatin based scaffolds, catgut fibers were also prepared in three different length, diameter and matrix/fiber ratio in terms of weight. The third and the last fiber type is chitosan. Chitosan is a biosynthetic polysaccharide that is the derivative of chitin and carries a positive charge from amine groups. Chitosan fibers were produced by wet spinning method. This fibers were prepared in three different diameter and matrix/fiber ratio in terms of weight so as to added PLLA-PEG based scaffolds.Scaffolds were prepared by the cryogelation technique (or gelation at subzero temperatures) and characterized in the third part of the study. Within the context of thesis, 3 different type of fibers used to reinforce two different type of polymer based scaffolds: Gelatin/catgut, PLLA-PEG/vicryl and PLLA-PEG/chitosan. Scaffolds are characterized in terms of their structure, pore morphology (size, shape, interconnected etc.), degradation kinetics as well as their swelling kinetics and mechanical properties. Characterization studies were aimed at making a comparison between scaffolds. Various pore morphologies were obtained depending on the fiber diameter, length and matrix/fiber ratio in terms of weight from the SEM images of fiber added PLLA-PEG and gelatin based scaffolds. In comparison, gelatin based cryogel has much more large pores than PLLA-PEG cryogel. The non-fiber added PLLA-PEG and gelatin based cryogels had a higher swelling rate as compared to fiber added ones. As a consequence, non-fiber added cryogels had weak mechanical properties. Degradation kinetics revealed that fiber addition to the scaffolds slows down their degradation rate. In vitro cytotoxicity tests were performed as the last part of the thesis. All scaffolds had minimal cytotoxicity and demonstrated a good efficiency in cell viability.Keywords: Bone tissue engineering, biodegradable composite scaffolds, biodegradable polymers, PLLA, PEG, gelatin, catgut, vicryl, chitosan, wet spinning, cryogel, mechanical properties.