Kolajen temelli doku iskeleti üretimi için elektrik alan etkisinin araştırılması
Investigation of electric field effect for collagen based scaffold production
Yazar: RESUL ÖZDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ PELİN ÇİRİŞ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Doku iskeleleri = Tissue scaffolds ; Doku mühendisliği = Tissue engineering ; Doku tipleri = Tissue types ; Elektrik alanları = Electric fields ; Elektroforez = Electrophoresis ; Kollajen = Collagen

Özet:
Gelişen bilim ve artan ihtiyaçlar doğrultusunda sağlık alanındaki beklentiler giderek artmış ve günümüzde yapay doku ve organların geliştirilmesi seviyesine ulaşmıştır. Çeşitli endüstriler ile ortak altyapıyı kullanan biyoteknoloji ürünleri için başlangıçta metaller, seramikler ve plastikler sıklıkla kullanılmıştır. Bu materyaller ile hassas şekilde boyutlandırılmış, mekanik ve biyolojik açıdan dayanıklı ameliyat aletleri ve implantlar hızla üretilebilmiştir. Fakat günümüzde eğilim, biyolojik aktivite sergileyen doku ve organların üretimi için doğal doku materyallerinin kullanılması yönündedir. Bu materyallerin elde edilme şekilleri, ürüne dönüştürülme prosesleri, mekanik özellikleri, standartları ve ilgili yönetmelikleri diğer endüstriyel materyallerden oldukça farklıdır.
Biyolojik materyallerin, doğal dokularda sağladıkları gibi biyobenzetim ürünlerinde de yeterli mekanik dayanım sağlamaları beklenebilir. Fakat mevcut üretim teknikleri doğal yapılardaki ağ yapısı ve çapraz bağ oluşumunu sağlayamadığı için doğal dokular kadar kuvvetli yapılar oluşturulamamaktadır. Bununla birlikte, mekanik dayanım sağlamak için kullanılan çapraz bağlama kimyasallarının da doza bağlı olarak toksik etkilerinin olabilmesi kullanımlarını sınırlandırmaktadır.
Literatürdeki biyobenzetim çalışmaları ağırlıklı olarak hücrelere iki ya da üç boyutlu adezyon ortamı sağlanmasına ve hücrelerin doğal davranışlarını sergileyip sağlanan doku iskelesini fonksiyonel bir dokuya dönüştürmelerine odaklanmıştır. Bu amaçla doğal fiber yapısı, sinyal molekülleri ve fiziksel uyaranlar ile doğal ortam benzetimi yapılmaya çalışılmaktadır.
Bu tez çalışmasında özgün bir yaklaşımla elektrik alan etkisinin doku iskelesi üretim metodu olarak kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Uygulamanın ekonomik ve yaygın olmasına katkı sunabileceği için elektrotlar, çözelti haznesi ve kontrol devresi modüler şekilde tasarlanmıştır. Çalışmada, canlılardaki yaygın bulunurluğu ve yapısal rolü sebebi ile literatürde sıklıkla kullanılan fakat dielektroforez etkisi ile hareket ettirildiği paylaşılmamış olan kolajen tip-1 proteini kullanılmıştır. İnşa süresi partiküllerin büyüklüğüne bağlı olduğu için büyük partiküllerin de hareket ettirilebileceği yüksek elektrik alan şiddetini sağlayacak bir düzenek tasarlanmıştır. İmal edilen elektrotlar üzerinde, asetik asit çözelti haznesindeki ~30, 70, 80, ve 1150 µm uzunluktaki kolajen partiküllerinin dielektroforez etkisi ile lineer, rotasyonel ve değişken doğrultulu hareketler sergiledikleri gözlenmiştir. Dielektroforezin hücreleri ve yapı materyallerini temas etmeksizin organize edebilme özelliğine dayanarak gelişmiş sterilizasyon altyapısına ihtiyaç duyulmadan sahada doku iskelesi üretimi için kullanılabileceği düşünülmüştür. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen cihaz ile "Biyolojik Materyal Yönlendirme Cihazı" başlığı ve 2021/019014 başvuru numarasıyla Türk Patent Enstitüsüne faydalı model başvurusu yapılmıştır.

Abstract:
In line with developments in science and increasing needs, the expectations in the field of healthcare have gradually increased and today have reached the level of developing artificial tissues and organs. Initially, metals, ceramics and plastics have been often used for biotechnology products, using a common infrastructure with various industries. With these materials, precision-sized, mechanically, and biologically resistant surgical instruments and implants have been produced rapidly. However, the trend today is to use natural tissue materials to produce tissues and organs that exhibit biological activity. The way these materials are obtained, the process of converting them into products, their mechanical properties, the standards, and regulations of these materials are quite different from other industrial materials.
Biological materials can be expected to provide sufficient mechanical strength in biomimetic products as they do in natural tissues. However, since the current production techniques cannot provide the network structure and cross-link formation that exists in natural structures, structures as strong as natural tissues cannot be formed. Also, the fact that crosslinking chemicals can exhibit dose dependent toxic effects, limits their use.
Biomimicry studies in the literature have mainly focused on providing cells with a two or three-dimensional adhesion environment where these cells can exhibit their natural behaviors, transforming the provided tissue skeleton into a functional tissue. For this purpose, natural fibre structures, signal molecules and physical stimuli are used in attempts to simulate the natural environment.
In this thesis, the potential of using the electric field effect as a tissue skeleton fabrication method was investigated with a novel approach. Electrodes, solution chambers and control circuits are designed in a modular manner, as these can contribute to the cost-effectiveness and wider adoption of the application. In the study, collagen type-1 protein was used, which is frequently used in the literature due to its widespread availability and structural role in living beings, however, has not been demonstrated to move under the effect of dielectrophoresis.
Since the construction time depends on the size of the particles, a mechanism has been designed to provide high electric field intensity, which can move large particles. Collagen particles of ~30, 70, 80, and 1150 µm-length in an acetic acid solution chamber placed on the manufactured electrodes were observed to exhibit linear, rotational, and variable directional movements under the effect of dielectrophoresis. Based on the ability of dielectrophoresis to organize cells and building materials without contact, it is thought that it can be used for tissue skeleton production in the field without the need for advanced sterilization infrastructure. With the device developed within the scope of this thesis, a utility model application was made to the Turkish Patent Institute with the title of "Biological Material Orientation Device" and application number 2021/019014.