Sodyum hiyalüronat ve stronsiyum-çinko katkılı biyoaktif cam içerikli doku iskelesi üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of tissue scaffold contain sodium hyaluronate and strontium-zinc doped 45S5 bioactive glass
Yazar: CEM BATUHAN ÇEVLİK
Danışman: PROF. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
İnsan vücudunda meydana gelen birçok hastalık ve ilerleyen yaşın oluşturduğu sorunlardan dolayı doku veya organlarda işlevsel kayıplar oluşmaktadır. Bu sorunlar neticesinde oluşan kırık, fiziki deformasyonlar ve tendon kopmaları gibi sorunların tedavisinde hasarlı bölgenin yerine geçerek işlevini devam ettirmek ya da hasarlı bölgeyi desteklemek için biyomalzemeler tercih edilmektedir. Bu malzemeler sayesinde; spesifik gen aktivasyonları ve yeni hücre oluşumunun sağlanması mümkündür. Akışkan yapısı ve boşlukları rahatlıkla doldurabilmesinden dolayı seramikler, polimerler ile oldukça avantajlı bir yapıya bürünen kompozit yapıdaki enjekte edilebilir doku iskeleleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu amaçla biyoseramikler sınıfından biyoaktif camlar son zamanlarda bu alanda kullanılan ve gelecek vadeden biyomalzemelerin başında gelmektedir. Hench ve arkadaşları tarafından bulunan 45S5 biyoaktif camın biyoaktivite davranışları, biyouyumluluğu ve biyobozunur olması kemik doku mühendisliği alanında yaygın olarak tercih edilmesini sağlamaktadır. Stronsiyum kemiğin iyileşme sürecini hızlandırmakta, mekanik dayanımı arttırmaktadır. Çinko ise biyoaktivite özelliklerinin artmasını sağlamakta ve ayrıca kemik dokusunun büyümesine, osteoblastların çoğalmasına yardımcı olmaktadır. Doğal bir polimer olan sodyum hiyalüronat ekstraselüler matriksin ana bileşenlerinden olmasının yanı sıra vücut içerisinde oldukça fazla miktarda yer almaktadır. Birçok fonksiyonu bulunan bu polimerin doku iskelesi yapımında kullanılmasındaki en büyük avantajı yara iyileşmesinde boşlukları doldurmakta kilit rol oynamasıdır. Literatürde enjekte edilebilir doku iskelelerinin yapımında stronsiyum ve çinko katkılı 45S5 biyoaktif cam ile taşıyıcı polimer olarak sodyum hiyalüranatın kullanıldığı çalışmalar bulunmamaktadır. 
Bu tez kapsamında, klasik ergitme yöntemi ile üretilen katkısız ve stronsiyum-çinko katkılı 45S5 biyoaktif camları ile taşıyıcı biyopolimer olarak sodyum hiyalüronattan oluşan enjekte edilebilir doku iskeleleri üretilmiştir. Üretilen biyoaktif camların yapısal karakterizasyonları FT-IR ve N2-adsorpsiyon-desorpsiyon analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Farklı oranlarda biyoaktif cam ve sabit oranda sodyum hiyalüronat içeren (1:1, 1:1,5, 1:2) enjekte edilebilir kompozit doku iskelelerinin akışkanlık özellikleri reoloji analizi ile belirlenmiştir. 1:1 oranına sahip doku iskelelerinde düşük ve düzensiz akışkanlık özellikleri saptanmıştır. Bundan dolayı sadece 1:1,5 ve 1:2 oranına sahip enjekte edilebilir doku iskelelerinin in vitro biyoaktivite davranışları belirlenmiştir. Bu amaçla, enjekte edilebilir doku iskelelerinin yapay vücut sıvısı içerisinde 28 gün bekletilmesi sonucunda FT-IR, SEM-EDS ve XRD analizleri yapılmıştır.  
Üretilen tüm enjekte edilebilir doku iskelelerinin reoloji analizleri sonucunda Newtonian olmayan akışkan özelliğine sahip olduğu ve pseudoplastik akışkan tipi sergilediği saptanmıştır (HA45S5-1:1, HA45S5-1:1,5, HA45S5-1:2, HA45S5-Sr-Zn-1:1, HA45S5-Sr-Zn-1:1,5, HA45S5-Sr-Zn-1:2). Ayrıca, doku iskelelerinin içerdiği cam miktarının artması artan kayma hızında kayma gerilimlerini arttırmış, viskozite değerlerini azaltmıştır. YVS inkübasyonu öncesinde yapılan FT-IR ve SEM-EDS analizleri neticesinde, numunelerin yüzeyinde camsı yapının varlığı ve taşıyıcı polimer (sodyum hiyalüronat) ile kompozit bir yapının oluştuğu görülmektedir. Yapılan 28 günlük YVS çalışmaları neticesinde HA45S5-1:1,5, HA45S5-1:2, HA45S5-Sr-Zn-1:1,5 ve HA45S5-Sr-Zn-1:2 enjekte edilebilir doku iskelelerinin uygun biyoaktiviteye sahip olduğu, FT-IR, SEM-EDS ve XRD analizleri ile belirlenmiştir. Stronsiyum-çinko katkılı 45S5 biyoaktif cam ile üretilen enjekte edilebilir doku iskelelerinin, katkısız 45S5 biyoaktif cam ile üretilen enjekte edilebilir doku iskelelerine göre daha yüksek biyoaktiviteye sahip olduğu görülmüştür. Fakat XRD analizi sonuçlarında, enjekte edilebilir doku iskelelerindeki biyoaktif cam miktarındaki artışa bağlı olarak çinko miktarındaki göreceli artış nedeniyle, doku iskelelerinin yüzeyinde oluşan amorf Ca-P (ACP) tabakasının kristalizasyonuna etki ederek, HA kristal yapısının oluşumunu azaltmıştır.
Bu tez çalışması ile üretilen enjekte edilebilir doku iskeleleri uygun biyoaktivite davranışları ve akışkan özellikleri sayesinde, kemik doku mühendisliği alanında parçalı kemik kırıklarındaki hasarlı bölgelerde yer alan boşlukların doldurulması amacıyla kullanılacabilecek niteliktedir.

Abstract:
Functional losses occur in tissues or organs due to many diseases occurring in the human body and problems caused by advancing age. In the treatment of problems such as fractures, physical deformations and tendon ruptures resulting from these problems, biomaterials are preferred to continue their function by replacing the damaged area or to support the damaged area. Specific gene activations and ensuring proliferation of new cells are possible thanks to these materials. Injectable scaffolds in composite structure, which have a very advantageous structure with ceramics and polymers, are widely used due to their fluid structure and ability to fill voids easily. For this purpose, bioactive glass from bioceramics class is one of the most promising biomaterials used in this field recently. The bioactivity behavior, biocompatibility and biodegradability of 45S5 bioactive glass found by Hench et al. makes it widely preferred in the field of bone tissue engineering. Strontium accelerates the healing process of the bone and increases mechanical strength. Zinc, on the other hand, increases the bioactivity properties and also helps the growth of bone tissue and the proliferation of osteoblasts. Sodium hyaluranate, which is a natural polymer, is one of the main components of the extracellular matrix, as well as a large amount of it in the body. The biggest advantage of this polymer, which has many functions, in the use of tissue scaffolding is that it plays a key role in filling the gaps in wound healing. In the literature, there are no studies using strontium and zinc doped 45S5 bioactive glass and sodium hyaluranate as carrier polymer in the optaining of injectable scaffolds.
In this thesis, injectable scaffolds consisting of additive and strontium-zinc doped 45S5 bioactive glasses produced by melt-quenching method and sodium hyaluronate as carrier biopolymer were produced. Structural characterizations of the bioactive glasses produced were carried out by FT-IR and N2-adsorption-desorption analysis. Flowability properties of injectable composite tissue scaffolds containing different amounts of bioactive glass and a fixed weight ratio of sodium hyaluronate (1:1, 1:1.5, 1:2) were determined by rheology analysis. Low and irregular fluidity properties were detected in tissue scaffolds with a ratio of 1:1. Therefore, in vitro bioactivity behavior of injectable scaffolds with a ratio of only 1:1.5 and 1:2 was determined. For this purpose, FT-IR, SEM-EDS and XRD analyzes were performed after the injectable scaffolds were kept in simulated body fluid for 28 days.
As a result of rheology analysis of all injectable tissue scaffolds produced, it was determined that it has non-Newtonian fluid property and exhibits pseudoplastic fluid type (HA45S5-1: 1, HA45S5-1: 1,5, HA45S5-1: 2, HA45S5-Sr-Zn-1: 1 HA45S5-Sr-Zn-1: 1.5, HA45S5-Sr-Zn-1: 2). In addition, the increase in the amount of glass contained in the tissue scaffolds increased the shear stresses and increased the viscosity values. As a result of FT-IR and SEM-EDS analyzes performed before the SBF incubation, the presence of glassy structure on the surface of the samples and a composite structure with carrier polymer (sodium hyaluronate) were observed. After 28 days of SBF incubation, HA45S5-1: 1,5, HA45S5-1: 2, HA45S5-Sr-Zn-1: 1,5 and HA45S5-Sr-Zn-1: 2 injectable tissue scaffolds have appropriate bioactivity, it was determined as a result of FT-IR, SEM-EDS and XRD analysis. Injectable tissue scaffolds produced with strontium-zinc doped 45S5 bioactive glass were found to have higher bioactivity than injectable tissue scaffolds produced with additive 45S5 bioactive glass. However, in the XRD analysis results, because of the increase in the amount of bioactive glass in the injectable tissue scaffolds due to the relative increase in the amount of zinc, it reduced the formation of the HA crystal structure by affecting the crystallization of the amorphous Ca-P (ACP) layer formed on the surface of the tissue scaffolds.
The injectable tissue scaffolds produced by this thesis study can be used to fill the gaps in the damaged area in fragmented bone fractures in bone tissue engineering, thanks to their proper bioactivity behavior and fluid properties.