Gaz köpüklendirme yöntemi kullanılarak polietilen glikol bazlı doku iskelelerinin sentezi
Synthesis of polyethylene glycol based scaffolds using gas foaming method
Yazar: BEGÜM AYTUĞRUL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET MURAT ÖZMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Doku mühendisliği uygulamaları için istenen özelliklere sahip gözenekli doku iskelelerinin üretimi, karmaşık ve zorlu bir süreç olmaya devam etmektedir. Uygun doku iskelelerinin geliştirilmesi doku mühendisliği araştırmalarında önemli bir rol oynamaktadır. Doku mühendisliği iskelelerinin istenilen hücresel etkileşimler ve doku rejenerasyonu için belirli yapısal ve fiziko-kimyasal özelliklere sahip olması gerekmektedir. Doku iskelelerinin sahip olması gereken en önemli özellik içyapılarının gözenekli olması gerekliliğidir. Bu gözenekler, in vitro ortamda doku iskelelerine yerleştirilen hücrelerin besin-oksijen transferi ve hücrelerde üretilen atıkların uzaklaştırılması için kullanılmaktadır.
Bu tezin amacı, alternatif bir gaz köpüklendirme yöntemi ile üç boyutlu ve birbirleriyle bağlantılı gözenek yapısı olan yeni doku iskeleleri üretmektir. Literatürde, böyle bir yaklaşımla doku iskelesi elde edilmesini içeren çok az sayıda çalışma bulunmaktadır. İlk başta yapılan deneysel çalışmalarda, mevcut gaz köpüklendirme yöntemlerinden farklı olarak, bir inert gaza gereksinim duymadan, tek bir kap içerisinde, asit klorür/alkol kimyasıyla, polietilen glikol (PEG) bazlı süngerler üretilmiştir. Çok kollu bir PEG olan Pentaeritritol etoksilat (PE) ve sebasoil klorürün (SebCI) çapraz bağlanmasıyla gerçekleşen ekzotermik reaksiyon sonucunda HCI gazının açığa çıkmasıyla gözenekli bir yapıya sahip olan PEG bazlı sünger doku iskeleleri elde edilmiştir. Sadece PE ve SebCI arasındaki reaksiyonla elde edilen süngerler kontrol numuneleri olarak ele alınmıştır. Daha sonra ise,  reaksiyon sistemine hidroksiapatit (HA), sodyum klorür (NaCI) ve pudra şekeri (PŞ) ilave edilerek farklı özelliklerde ve literatürde bulunmayan üç yeni tip PEG bazlı sünger sentezlenmiştir. Referans olarak kabul ettiğimiz süngerin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacı ile sisteme HA ilave edilerek PEG-HA süngerleri sentezlenmiştir. Daha sonra, gözenek yapıcı olarak düşünülen NaCI ve pudra şekeri ise referans süngerin sistemine eklenerek PEG-NaCI ve PEG-PŞ süngerleri elde edilmiştir. Üretilen tüm sünger formundaki doku iskelelerinin yapısı Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometresi (FTIR), gözeneklilikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), mekanik dayanımları Stable Micro System Texture Cihazı ve denge şişme miktarları kuru-şişmiş ağırlıkları tartılarak belirlenmiştir.
FTIR analizi ile PE ve SebCI arasındaki çapraz bağlanma reaksiyonlarının başarılı bir şekilde gerçekleştiği anlaşılmıştır. SEM analizleri sonucunda, üretilen süngerlerin 200-500 µm gözenek çapına ve birbirleriyle bağlantılı gözenek yapısına sahip oldukları görülmüştür. PEG-HA süngerlerine ait SEM görüntülerinde gözenek duvarında HA tozu ve topaklanmalarının olduğu yani HA'nın homojen bir şekilde dağılmadığı tespit edilmiştir. Pudra şekeri ilaveli süngerlerde doku mühendisliği uygulamaları için oldukça önemli olan hiyerarşik bir gözenek yapısı, yani gaz çıkışından ötürü oluşan büyük gözeneklerin yanısıra, PŞ'nin reaksiyon tamamlandıktan sonra sistemden uzaklaştırılmasıyla küçük gözeneklerin oluştuğu belirlenmiştir. NACI katkısıyla ise süngerlerin gözenek boyunun arttığı görülmüştür. Mekanik özellikler en fazla HA katkısı ile değişmiş oldukları bulunmuştur. Şişme özellikleri açısından değerlendirilme yapıldığında ise farklı katkı maddeleri ilave dilerek üretilen süngerlerin denge şişme oranları arasında büyük farklılıklar olmadığı görülmüştür.
Sonuç olarak, çok basit ve hızlı bir şekilde gerçekleşen asit klorür/alkol kimyası reaksiyonu ile doku mühendisliğinde doku iskelesi olarak kullanılabilecek üstün mekanik özelliklere ve birbirleriyle bağlantılı gözenek yapısına sahip yeni biyomalzemeler elde edilmiştir.

Abstract:
The preparation of a scaffold for tissue engineering applications is a complex and diffucult process. Key requirements for scaffold fabrication methods include control of the porosity, pore size, shape and interconnectivity, mechanical properties as well as the biodegradibility and biocompatibility of the scaffolds. In order to produce a well-defined scaffold, numerous methods have been proposed. Among the fabrication technologies that have been used to obtain 3D porous scaffolds, gas foaming has been extensively utilized in the past decade. However, the necessity to use a pore foaming agent /gases limits the application of this method. 
The aim of this thesis is to synthesize scaffolds with tunable porosity and mechanical properties by  a contradictory gas foaming strategy without using gas foaming reagents or additionally added gases. Such an approach has been rarely used in the literature. To achive this aim, acid chloride/alcohol chemistry was employed as a facile and rapid method to produce polyethylene glycol (PEG) based scaffolds. A hydroxyl functionalised multi-armed PEGs and an acid chloride cross-linker; sebacoyl chloride was reacted to form an ester cross-links resulting from the cross-linking between PEG and acid chloride. During the crosslinking reaction, the superfast exothermic reaction released HCl gas, which forms scaffolds with a highy interconnected porous internal structure. Here, the effects of additives, i.e.  hydroxyapatite(HA), sodium chloride(NaCl) and powder sugar on the properties of the novel scaffolds was investigated. The obtained scaffolds were characterized using Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), swelling and compression measurements. 
FTIR results revealed that the crosslinking reactions between Pentaerythritol ethoxylate (PE) and sebacoyl chloride (SebCl) were succesfuly accomplished. SEM images exhibited that the pore size of the sponges was between 200-500 µm and the sponges posseses an interconnected porous structure. The SEM images of the PEG-HA sponges showed that HA was agglomerated on the pores and thus it was unhomogenously distributed. Powder sugar included sponges showed a hierarchical pore structure, that is, large pores due to the gas foaming while small pores because of the removal of the powder sugar upon completion of the reaction. Furthermore, addition of NaCI increased the pore sizes. Among the various additives incorporation, the drastic change in the machanical properties was for PEG-HA sponges. However, there was no significant change in the equilibrium swelling ratios of the sponges by an additive inclusion.
 In conclusion, the results revelaed that the newly prepared scaffolds are suitable candidates as tissue engineering scaffolds due to their improved mechanical properties as well as the pore structure capable of supporting tissue penetration and vascularization.