Non-manyetik ve manyetik lateks partiküllerin sentezi, karakterizasyonu ve doku mühendisliği uygulamaları
Synthesis and characterization of non-magnetic and magnetic latex particles and tissue engineering applications
Yazar: ANIL SERA KAHRAMAN
Danışman: PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bio-mikro-elektromekanik sistemler (BioMEMS), üç boyutlu mikro ve nano hafıza çipleri, DNA ve protein bazlı biyoçipler ve biyosensörler gibi biyomedikal cihazların tasarımında ve hücre kültürü çalışmalarında malzeme yüzeyinin fonksiyonel hale getirilmesi çok önemli bir yer tutmaktadır. Yapılan çalışmanın ilk kısmında, malzeme yüzeyinde hücre yapışmasını destekleyecek lateks partiküller geliştirilmiştir. Eş boyutlu partiküller (791 nm), gliserol dimetakrilat (GDMA) kullanılarak çöktürme polimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Daha sonra partiküller bromla muamele edilmiş ve atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP) ile partikül yüzeyinde dimetilaminoetilmetakrilat (DMAEM) zincirler oluşturulmuştur. DMAEM zincirler yapıya sıcaklık duyarlı özellik kazandırmıştır. Sitotoksisite testi ISO 10993/EN 30993 standartlarında ve L929 hücre hattı kullanılarak yapılmıştır. Hücre canlılığı ve üremesi MTT testi ile takip edilmiştir. Hücre başına 25 ng partikül non-toksik miktar olarak belirlenmiştir. Morfolojik gözlem Giemsa boyama ile gerçekleştirilmiştir. Poli(GDMA) ve poli(GDMA-DMAEM) lateks partiküller ile modifiye edilmiş yüzeylerde L929 hücrelerin kültürü gerçekleştirilmiştir. Hücre üremesinin takibinde MTT testi kullanılmıştır. Poli(GDMA-DMAEM) lateks partiküllerle modifiye edilmiş yüzeylerde poli(GDMA) lateks partiküllerle modifiye edilmiş ve polistiren yüzeylere nazaran daha verimli bir hücre yapışması tespit edilmiştir. Partiküller üzerindeki hücrelerin morfolojileri ışık mikroskobu ve SEM ile görüntülenmiştir. Biyomedikal uygulamalarda malzeme yüzeylerinin poli(GDMA-DMAEM) lateks partiküller ile modifiye edilmesinin hücre yapışmasını destekleyebileceği görülmüştür.Çalışmanın ikinci kısmında Fe+2 ve Fe+3 tuzlarının birlikte çöktürülmesiyle hazırlanan demir oksit nanopartiküllerin varlığında çöktürme polimerizasyonu ile manyetik poli (gliserol dimetakrila)t (m-poli(GDMA)) partiküller sentezlenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları DLS, FTIR, VSM ve SEM kullanılarak yapılmıştır. m-poli(GDMA) lateks partiküller hücre kültürü çalışmalarından önce etanol ve UV ışığı ile sterillenmiştir. Polistiren hücre kültürü kaplarında MC3T3-E1 preosteoblat hücre hattı ile m-poli(GDMA) lateks partiküller etkileştirilmiştir. Uygun bir mıknatıs kullanılarak partiküller üzerinden hücreler manyetik alana tabi tutulmuştur. Hücre-partikül etkileşimleri ışık mikroskobu ve SEM ile gözlenmiştir. Dışarıdan uygulanan manyetik alanın hücre içi iskeleti yeniden organize ettiği ve buna bağlı olarak da hücre biyokimyasının değiştiği belirlenmiştir. Bu durum hücre geometrisi ve uzunluğunu değiştirmektedir. Hücre içerisindeki fiber organizasyonu ve yoğunluğundaki değişim ise hücre fonksiyonlarını etkilemektedir. Hücre üremesi MTT testi ile takip edilmiş ve manyetik alanın hücre üremesi üzerinde herhangi bir etkisi olmadığı belirlenmiştir. Ayrıca m-poli(GDMA) lateks partiküllerin kullanılan konsantrasyonda (100 pg partikül/hücre) hücreler üzerinde toksik etkiye sahip olmadığı görülmüştür. Osteojenik farklılaşma ALP (alkalin fosfataz) aktivitesi ile belirlenmiştir. Von Kossa boyama ile morfolojik gözlem yapılmıştır. ALP analizleri mekanik stresin osteojenik farklılaşmayı arttırdığını göstermiştir. Von Kossa boyamada, kontrol grubu ile karşılaştırıldığında matris mineralizasyonunun daha yaygın olduğu görülmüştür.

Abstract:
Functionalization of material surfaces plays an important role in the development of new biomedical devices, such as bio-micro-electromechanical systems (BioMEMS), three-dimensional micro- and nano-memory chips, DNA-and protein-based biochips, biosensors and cell culture studies. In the first part of this study we improved latex particles to enhance cell attachment on the surface. Monodispersed latex particles, 791 nm in size, were synthesized by precipitation polymerization of glycerol dimethacrylate (GDMA). Then these particles were treated with bromine. Finally, dimethylaminoethylmethacrylate (DMAEM) brushes were created on the surface of particles by atom transfer radical polymerization (ATRP). DMAEM groups give thermosensitive character to the Poly(GDMA) latex particles. Cytotoxicity test according to the ISO 10993/EN 30993 standard was performed by using L929 cell cultures. Measurement of cell viability and proliferation were accomplished by MTT. No toxicity againts cell proliferation was observed when the particle concentration was 25 ng per cell. Morphological observation was performed by Giemsa stainning. Cell culture studies were achieved by using poly(GDMA) and poly(GDMA-DMAEM) latex particles onto cell culture plates. Cell proliferation was measured by MTT assay. It is observed that poly(GDMA-DMAEM) latex particles enhanced cell proliferation compared with poly(GDMA) latex particles and control groups. Cell spreading was observed by optic microscope and SEM. The surface with these latex particles may find useful applications as adhesion modifiers for cells in biomedical applications.In the second part of this study, magnetic poly (glycerol dimethacrylate) (m-poly(GDMA)) latex particles were synthesized by precipitation polymerization in the presence of iron oxide nanoparticles obtained by co-precipitation of Fe2+ and Fe3+ salts. Characterization studies were performed by DLS, FTIR, VSM and SEM. Before cell culture studies, m-poly(GDMA) latex particles were sterilized by ethanol and UV light. MC3T3-E1 preosteoblast cells were treated with m-poly(GDMA) latex particles on polystyrene surfaces of cell culture dishes. Through the magnetic particles, magnetic field was applied on to the cells by an appropriate magnet. Cell and particles interactions were observed by optic microscope and SEM. Magnetic field, lead to rearrangements in the internal cytoskeleton (CSK), and these changes altered cellular biochemistry. Therefore it affected that geometry and the length of the cells as a result of osteogenic differentiation, resulting not only in fiber remodeling, but also changes in fiber density, which could in turn affect cell function. Cell proliferation was measured by MTT test. There was no effect of magnetic field on to the cell proliferation and no toxicity againts cell proliferation was observed when the particle concentration was 100 pg per cell. Osteogenic differentation was measured by ALP (alkaline phosphatase) activity and observation was performed by Von Kossa stainnig. ALP assay proved that mechanical stress enhanced osteojenic differentiation. Von Kosa stainning indicated that matrix mineralization diffused throughout the culture compared the control group.