Bakteriyel selülozun kıkırdak doku mühendisliği uygulamaları için modifikasyonu
Modification of bacterial cellulose for cartilage tissue engineering applications
Yazar: NUR DENİZ BİNGÜL
Danışman: PROF. DR. ELİF ESİN HAMEŞ ; DOÇ. DR. AYLİN ŞENDEMİR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kıkırdak doku, subkondral kemik yüzeyleri arasındaki sürtünmeyi azaltarak mekanik yükün aktarılmasına yardımcı olan dokudur. Kıkırdak dokunun rejenarasyon yeteneği kısıtlıdır. Travmaya veya yaşa bağlı olarak oluşan eklem kıkırdak doku hasarı dokunun avasküleritesi, bölgede oluşan sinir ağı dağılımı ve hücre/matris oranı ile ilişkilidir. Bu sebeple kıkırdak dokunun tedavisinde doku mühendisliği yaklaşımlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Kıkırdak doku mühendisliği doku iskelesi üzerine, kondrositler veya kondrositlere farklılaşan kök hücrelerin ekilmesi ve hasarlı bölgeye uygulanmasıyla kıkırdak hasarının tedavi edilmesini amaçlamaktadır. Bu çalışmada parçalanmış bakteriyel selüloz, γ-poliglutamik asit ve kitosan kullanılarak oluşturulan polielektrolit kompleksi ile mekanik dayanımı arttırılmış, kıkırdak doku hücreleri için ekstraselüler matrisi taklit edebilen kompozit bir doku iskelesi üretimi amaçlanmıştır. Farklı oranlarda (70/30, 50/50, 30/70) oluşturulan γ-poliglutamik asit kitosan kompleksleri (P70C30, P50C50, P30C70, P70C30) %0.25 ve %0.5 kuru kütleye sahip bakteriyel selüloz ile üretilmiştir. Oluşturulan kompozit iskelelerin karakterizasyonu için taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizi, Fourier dönüşümlü kızıl ötesi spektrometresi (FTIR) analizi, su tutma kapasitesinin belirlenmesi, por çapı dağılımı ve basma testi uygulanmıştır. İskelelerin hücre canlılığı ve kondrojenik farklılaşma deneyleri gerçekleştirilmiştir. FTIR analizi sonucunda elde edilen kompozit iskeleler bakteriyel selüloz, γ-poliglutamik asit ve kitosana özgü spesifik pikler içermektedir. Polielektrolit kompleksi oluştuktan sonra bakteriyel selülozun P50C50 iskelesinin su tutma kapasitesi %79±0.002'den %90±0.003'e P70C30 iskesinin ise %91±0.004'ten %94±0.005'e arttığı gözlenmiş ayrıca iskelerde birbirine bağlı gözenek yapısı oluşturmuştur. Kitosan ve γ-poliglutamik asit, bakteriyel selülozun por çapı dağılımını olumlu etkileyerek 90-120 μm aralığında yoğunlaşmasını sağlamıştır. Aynı zamanda bakteriyel selüloz içeren kompozitler yapısal olarak bütünlüğün korunmasına katkı sağlamıştır. Elde edilen veriler polielektrolit kompleksinin bakteriyel selüloz iskelesinin elastik modülünü arttırdığı (+66.7kPa) ve aynı şekilde bakteriyel selüloz kullanımının komplekslerin elastik modülünü arttırdığı saptanmıştır. Yedinci günde P50C70BS ve P70C30BS içeren komplekslerde kondrojenik farklılaşma diğer iskelelere kıyasla daha yüksektir. 
Bu tez çalışması ile ilk defa bakteriyel selüloz varlığında kitosan ve γ-poliglutamik asit polielektrolit kompleksi oluşturulmuş ve oluşturulan kompozit doku iskelelerinin mekanik özelikleri, por çapı, su tutma kapasitesi ve hücreler için tutunma yüzeyi ile kondrojenik farklılaşmayı desteklediği belirlenmiştir.

Abstract:
Cartilage tissue helps to transfer the mechanical load by reducing the friction between the subchondral bone surfaces. However, cartilage tissue has limited regeneration ability. In addition, articular cartilage tissue damage due to trauma or age is related to the avascularity of the tissue, the distribution of the nerve network formed in the region, and the cell/matrix ratio. Therefore, tissue engineering approaches have great potential in the treatment of cartilage tissue. Cartilage tissue engineering aims to treat cartilage damage by planting chondrocytes or stem cells that differentiate into chondrocytes on the scaffold and applying them to the damaged area. 
The thesis's primary purpose is to fabricate a composite tissue scaffold that can mimic the extracellular matrix for cartilage tissue cells with increased mechanical strength with a polyelectrolyte complex composite that formed using fragmented bacterial cellulose, polyglutamic acid and chitosan. γ-Polyglutamic acid-chitosan complexes formed in different ratios (70/30, 50/50, 30/70) were produced with bacterial cellulose with 0.25% and 0.5% dry mass. The composite scaffolds were examined using scanning electron microscopy (SEM) and analyzed by Fourier transform infrared spectrometry (FTIR) for material characterization. Besides, the determination of water holding capacity, pore diameter distribution and mechanical analysis were performed. Furthermore, the cell viability of scaffolds and chondrogenic differentiation were determined. As a result, the elastic modulus of the composite (bacterial cellulose-polyelectrolyte complex) is higher than the complexes without cellulose. 
Furthermore, chitosan and γ-polyglutamic acid positively affected the pore diameter distribution of bacterial cellulose, allowing it to be concentrated in the range of 90-120 μm. It also contributed to the preservation of the structural integrity of bacterial complexes. The results showed that the polyelectrolyte complex increased the elastic modulus of the bacterial cellulose (+66.7kPa). In the same way, the use of bacterial cellulose increased the elastic modulus of the complexes. Finally, chondrogenic differentiation was higher in complexes containing P50C70BS and P70C30BS compared to other scaffolds at 7th day. 
In this thesis, chitosan and γ-polyglutamic acid polyelectrolyte complex were formed for the first time in the presence of bacterial cellulose, and it was determined that the new material supports the mechanical properties of scaffolds, pore diameter, water holding capacity, interconnected pore, adhesion surface for cells, and chondrogenic differentiation.