Kemik doku mühendisliği için polimer-biyoaktif cam içeren enjekte edilebilir kompozit kemik doku destek malzemesi üretimi ve karakterizasyonu
Injectable polymer-bioactive glass composite bone tissue support material production and characterization for bone tissue engineering
Yazar: ALİ CAN ÖZARSLAN
Danışman: PROF. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Organik-inorganik enjekte edilebilir kompozit biyomalzemeler, özellikle minimal invaziv cerrahide avantajlı olmaları nediyle kemik dokusu onarımı için yaygın olarak çalışılmaktadır. Bu tür akışkan malzemeler, düşük erişilebilirlikteki hasarlı kemik bölgelerindeki tedavi için avantajlı konumda oldukları gibi kemik hasarları sonucu oluşan düzensiz boşlukları da mükemmel bir şekilde doldurabilmektedirler. Enjekte edilebilir kompozit biyomalzemerin organik faz kısmı doğal kaynaklardan elde edilen biyobozunur doğal polimer malzemelerden (aljinat, jelatin, kitosan vb.) veya yapay olarak üretilen (poli-laktik asit, poli-etilen glikol, polikaprolakton vb.) biyobozunur sentetik polimer malzemelerden, inorganik faz kısmı ise biyolojik olarak aktif seramik (hidroksiapatit, trikalsiyum fosfat vb.) malzemelerden oluşturulabilmektedir. Bu seramik malzemerinden biri olan biyoaktif camlar, yeterli biyouyumluluk ve yüksek biyoaktivite özellikleri sayesinde kemik ikame malzemesi veya kemik doku destek malzemesi olarak birçok uygulamada kullanılmaktadır. Biyoaktif cam yapısının majör bileşeni olan silika, biyoaktif cam yapısının in vitro ortamda bozunması sırasında yapı yüzeyinde hidroksiapatit oluşumunu destekleyerek kemik mineralizasyonuna yardımcı olmaktadır. Biyoaktif cam üretimi için çeşitli kaynaklardan elde edilen silikalar kullanılabilmektedir. Doğadaki bazı taşlar ve kuvarsta bulunabilen silika, çeşitli tarımsal kaynaklarda da bulunabilmektedir. Pirinç kabuğu, silika içeriği bakımından zengin tarımsal bir kaynaktır ve yaklaşık olarak %60 silika içeriğine sahiptir. Pirinç kabuğunun yakılması ve yakma işlemini takiben pirinç kabuğu külünün alkali ekstraksiyonu sonucu silika elde edilmesi yöntemi ile diğer silika eldesi yöntemlerine nazaran daha düşük maliyetlerde, daha kolay birşekilde biyosilika üretimi gerçekleştirilebilmekte ve üretilen biyosilikalar, biyoaktif cam üretiminde rahatlıkla kullanılabilmektedir.
Literatürde yer alan enjekte edilebilir polimer-biyoaktif cam kompozit biyomalzemeler, kuvarstan elde edilen ve ticari olarak tedarik edilen kristal yapıdaki silika içeriğine sahip biyoaktif camlar kullanılarak üretilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında ticari silika içeren ve biyosilika içeren biyoaktif camlar ve iki farklı silika kaynağına sahip biyoaktif camlar ile aljinat polimerinden oluşan enjekte edilebilir kompozit doku destek malzemeri üretilerek, doku destek malzemelerinin biyoaktivitesine farklı silika içeriğine sahip biyoaktif camların etkisi incelenmiştir.
Tez kapsamında tedarik edilen ticari silika ve üretilen biyosilikaların, farklı silika içeriğine sahip biyoaktif camların yapısal karakterizasyonları FT-IR, SEM-EDS, XRD, TG-DSC, N2-adsorpsiyon-desorpsiyon analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Farklı silika içeriğine sahip biyoaktif camlar ve aljinat polimeri ile oluşturulan enjekte edilebilir kompozit doku destek malzemerinin akışkanlık davranışları, biyoaktif cam içeriğinin ve aljinat konsantrasyonunun akışkanlık davranışlarına etkisi, reoloji analizleri ile belirlenmiştir. Doku destek malzemelerinin in vitro biyoaktivite davranışları yapay vücut sıvısındaki inkübasyon çalışmaları ile belirlenmiştir.

Abstract:
Organic-inorganic injectable composite biomaterials have been extensively studied for bone tissue repair due to their advantageous in minimally invasive surgery. Such fluid materials may fill perfectly the poorly accessible areas of damaged bone, as well as irregular voids resulting from bone damage. The organic phase of the injectable composite biomaterial is composed of biodegradable natural polymers (alginate, gelatin, chitosan, etc.) that are obtained from natural sources or biodegradable synthetic polymers (poly-lactic acid, poly-ethylene glycol, polycaprolactone, etc.) that are artificially produced and the inorganic phase of the injectable composite biomaterial is formed from biologically active ceramics materials (hydroxyapatite, tricalcium phosphate, etc.). Bioactive glasses, one of these ceramic materials, are used in many applications as bone substitute material or bone tissue support material due to their sufficient biocompatibility and high bioactivity properties. Silica which is the major component of the bioactive glass structure promotes the formation of hydroxyapatite on the bioactive glass surface and helps bone mineralization during degradation of the bioactive glass structure in vitro. Silicates obtained from various sources (some of stones and quartz or agricultural resources) can be used for the production of bioactive glass. Rice hull, an agricultural resource, has approximately 60% silica content. Biosilica can be produced by burning process of rice hull and alkali extraction of the rica hull ash. This method is easier and has lower cost than other silica productions methods. Additionally, biosilica can be easily used in the production of bioactive glass.
The injectable polymer-bioactive glass composite biomaterials have been widely studied using commercial quartz silica as bioactive glass content in the literature. In this thesis study, bioactive glasses were produced using two different silica (commercial silica and biosilica) and injectable composite tissue support materials, composed of alginate polymer and bioactive glass, were produced using these different bioactive glasses. In addition, the effect of bioactive glasses with different silica contents on the bioactivity of tissue support materials was investigated.
The structural and chemical characterizations of commercial silica, biosilica and bioactive glasses with different silica contents were carried out by FT-IR, SEM-EDS, XRD, TG-DSC, N2-adsorption-desorption analyzes. The flow behavior depends on different alginate concentrations and bioactive contents of the injectable composite tissue support materials formed by alginate polymer and bioactive glasses with different silica contents was determined by the rheology analysis. Also in vitro bioactivity behaviors of tissue support materials were determined by simulated body fluid incubation studies.