Kemik doku mühendisliği için silisyum ile modifiye edilmiş ayva çekirdeği müsilajının sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of si-modified quince seed mucilage based bioscaffolds for bone tissue engineering
Yazar: HİLAL DENİZ YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ EMRE ARSLAN
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Biyopolimerler = Biopolymers ; Gözenekli silisyum = Porous silicon ; Kemik dokusu = Bone tissue ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Osteogenez = Osteogenesis

Özet:
Kemik travmaları ve osteoporoz gibi yaşa bağlı kemik hastalıklarının tedavisi için geliştirilen kemik greftleri incelendiğinde biyolojik olarak aktif, üç boyutlu (3B) matrikslerin tasarımı ve üretiminin önemli bir yere sahip olduğu anlaşılacaktır. 3B doku ikamelerinin üretimi ile ilgili yapılan son çalışmalar bitki bazlı polimerlerin değerli biyokimyasal özellikleri, sürdürülebilirliği ve ekonomik bir kaynak olması nedeniyle avantajlı ve tercih edilen biyomalzemeler olduğunu ortaya koymuştur. 
Bu çalışmada bir bitkisel polisakkarit çeşidi olan ayva çekirdeği jeli (AÇJ), silika ile modifiye edilerek (Si-AÇJ) kemik doku mühendisliği (KDM) uygulamaları için 3B gözenekli yapılar inşa edilmiştir. Hibrit malzemenin oluşturulması için mikrodalga destekli sol-jel yöntemi kullanılmıştır ve gözenekli formda yapıların üretimi için dondurarak kurutma yöntemi kullanılmıştır. Bu nedenle üretilen 3B yapılar "kriyojel" olarak isimlendirilmiştir. Geliştirilen materyaller reolojik testler, zayıflatılmış toplam yansıtmalı-Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometre (ATR-FTIR) analizi, katı hal silisyum nükleer manyatik rezonans spektrometre (29Si-MAS-NMR) analizi, X-ışını difraktometresi (XRD), termogravimetrik kalorimetre analizi (TGA), taramalı kalorimetre analizi (DSC), mekanik basma dayanımı testleri, porozite testleri, alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobi (FE-SEM) görüntüleri, enerji dağılımlı X-ışını spektrometresi (EDX) ve elemental haritalama analizi, şişme ve yüzey ıslanabilirlik testleri, Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizi, Barratt-Joyner-Halenda (BJH) analizi ve biyobozunurluk testleri ile detaylı olarak karakterize edilmiştir.
Ayrıca üretilen kriyojeller 7, 14 ve 21 gün boyunca in vitro hücre kültürü koşullarında hücreler ile etkileştirilerek hücre canlılık testleri yapılmıştır. Böylece malzemenin in vitro biyouyumluluğu ve toksisitesi incelenmiştir. Malzeme üzerindeki osteojenik farklılaşma süreci yapılan histokimyasal (HK) ve immünohistokimyasal (İHK) boyamalar ile gözlemlenip gerçek zamanlı kantitatif polimeraz zincir reaksiyonu (RT-qPCR) analizi ile incelenmiştir. 
Yapılan analizlerin sonuçlarına göre genel olarak Si-AÇJ kriyojellerinin AÇJ ile oluşturulan kriyojellerden daha yüksek yüzey alanına sahip olduğu, mekanik ve termal dayanımının daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Ayrıca gerçekleştirilen in vitro deneylerin sonuçlarına göre, Si-AÇJ kriyojellerinde osteogenez ile ilintili genlerin AÇJ kriyojellerine göre daha erken dönemde ve daha fazla ifade edildiği anlaşılmıştır. Tüm bu sonuçlara dayanarak, Si-AÇJ kriyojellerinin KDM uygulamaları için yeni ve önemli bir hibrit malzeme olarak literatüre kazandırıldığı düşünülmüştür.

Abstract:
When the bone grafts developed for the treatment of bone diseases such as bone traumas and age-related osteoporosis were examined, it would be observed that the design and production of biologically active, three-dimensional (3D) matrixes take an critical importance. The recent studies about the production of 3D tissue substitutes were revealed that the plant-based polymers are advantageous and preferred biomaterials due to their valuable biochemical properties, sustainability, and being economic sources. 
In this study, the quince seed gel (QSG), a type of herbal polysaccharide, was modified with silica nanoparticles (Si-QSG) and 3D porous structures were constructed for bone tissue engineering (BTE) applications. The microwave-assisted sol-gel method was used to create hybrid material and the freeze-drying method was used for the production of porous structures. For this reason, the obtained 3D structures were named as "cryogel". The developed structures were characterized in-depth via rheological tests, attenuated total reflective-Fourier transform infrared spectrometer (ATR-FTIR) analysis, solid-state silicon nuclear magnetic resonance spectrometer (29Si-MAS-NMR) analysis, X-ray diffractometer (XRD), thermogravimetric calorimeter analysis (TGA), scanning calorimeter analysis (DSC), mechanical compressive strength tests, porosity tests, field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) images, energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) and elemental mapping analyses, swelling and surface wettability tests, the Brunauer-Emmet-Teller analysis (BET), Barratt-Joyner-Halenda (BJH) analysis and biodegradability tests. 
In addition, the cryogels were interacted with the cells under in vitro cell culture conditions for 7, 14, and 21 days, and the cell viability tests were performed. Thus, the in vitro biocompatibility and toxicity of the material were investigated. The osteogenic differentiation on the material was monitored by the histochemical (HC), immunohistochemical (IHC) staining, and analysed by the real-time quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR). 
According to the results from the analyses, the Si-QSG cryogels were generally have a higher surface area than QSG formed cryogels and they have a higher mechanical and thermal resistance. Also, the results of the in vitro experiments showed that the osteogenesis related genes were expressed earlier and denser in Si-QSG cryogels. Based on all of these results, it is thought that the Si-AÇJ cryogels may present to the literature as a new and important hybrid material for BTE applications.