Hücre uyumlu yüzey modifiye kitosan/hidroksiapatit doku iskelelerinin üretimi, karakterizasyonu ve kemik doku mühendisliği için biyomekanik özelliklerinin ve hücresel etkileşimlerinin değerlendirilmesi
Fabrication and characterization of cell compatible surface modified chitosan/hydroxyapatite tissue scaffolds and evaluation of biomechanical properties and cellular interactions for bone tissue engineering
Yazar: TUĞÇE KAN
Danışman: PROF. DR. RABİA ÇAKIR KOÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kemik, sürekli olarak yapısal ve biyolojik değişime uğrayan, üzerindeki etkilere göre yeniden şekillenen, çok işlevli bir organdır. Travma, kanser, enfeksiyon ve hormonal dengesizlikler gibi çeşitli nedenlerle kemik dokunun hasar alması durumunda kemik rejenerasyonu için klinik müdahale gerekmektedir. Bu operasyonlarda kullanılan mevcut malzemeler, yapısal ve mekanik destek için otogreft, allogreft ve metal implantların kullanımını içerir. Bu tedavilerin sınırlı bulunabilirlikleri, doku mühendisliği ile üretilmiş yapılara olan ihtiyacı ortaya çıkartmış, bilimsel ve klinik araştırmaların ilgi odağı olmuştur.
Bu tez çalışmasında, doğal kemik hücreler arası matrisine (ECM) uyum sağlayabilen, hücre yapışmasını, çoğalmasını ve mineralizasyonunu arttırabilen, kemik doku rejenerasyonunu sağlayacak bir doku iskelesi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, iskele malzemesi olarak kitosan(Kt), hidroksiapatit(HA) ve poli-l-lisin(PLL) kullanılarak farklı içeriklere sahip doku iskeleleri üretilmiş ve karakterize edilmiştir. İskele üretiminde, dondurarak kurutma (liyofilizasyon) yöntemi kullanılmıştır. Üretilen iskeleler taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier-transform kızılötesi spektroskopisi (FTIR), çekme, gözeneklilik, şişme ve biyobozunma analizi gibi çeşitli analitik teknikler kullanılarak karakterize edilmiştir. Sonuçlar, geliştirilen doku iskelelerinde PLL yüzey modifikasyonu varlığının iskelelerin gözenek boyutunu azalttığını, gözenekliliğini arttırdığını ve şişme oranını azalttığını göstermiştir. 21 gün sonunda, bozunma analiz sonuçları ise, artan hidroksiapatit oranı ile bozunmanın ters orantılı ve PLL yüzey modifikasyonunun bozunmaya direnci arttırmış olduğunu göstermiştir.
Geliştirilen iskelelerin hücre çoğalmasına, farklılaşmasına ve mineral oluşumuna etkileri preosteoblast MC3T3-E1 hücre hattı ile gerçekleştirilen in-vitro çalışmalar ile değerlendirilmiştir. İskelelerin hücre canlılığına etkisi XTT analizi ile, kemik doku oluşumunun önemli göstergeleri olan farklılaşma ve mineralizasyon üzerindeki etkileri ise sırasıyla Von Kossa ve Alizarin Red S boyamaları ile değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, kemik dokusu rejenerasyonunu etkili bir şekilde destekleyebilecek özellikte, hücrelerde mineralizasyonu arttıran, farklılaşmayı uyaran, biyouyumlu ve hücre gelişimini destekleyen doku iskeleleri geliştirilmiştir. Elde edilen bu yapılar, hücre ile uygulanabilecek doku iskeleleri olarak kullanılabileceği gibi hücresiz uygulamalarda da kullanılabilecek bir biyomalzeme olarak oldukça yüksek potansiyele sahip olabilecektir.

Abstract:
Bone is a multifunctional organ that is constantly undergoing structural and biological changes and is reshaped according to the effects on it. When bone tissue is damaged due to various reasons such as trauma, cancer, infection and hormonal imbalances, clinical intervention is required for bone regeneration. Current materials used in these operations include the use of autografts, allografts and metal implants for structural and mechanical support. The limited availability of these therapies has highlighted the need for tissue-engineered structures and has been the focus of scientific and clinical research.
This thesis is aimed to develop a tissue scaffold that can adapt to the natural bone intercellular matrix (ECM), increase cell adhesion, proliferation as well as mineralization, and provide bone tissue regeneration. To achieve this goal, tissue scaffolds with different contents were produced using chitosan (Kt), hydroxyapatite (HA) and Poly-L-Lysine (PLL) as scaffold materials and characterized.
Freeze-drying (lyophilization), method was used for scaffold production. The scaffolds were characterized using various analytical techniques such as scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), pull-out, porosity, swelling and biodegradation analysis. The results showed that the presence of PLL surface modification in the developed tissue scaffolds reduced the pore size, increased the porosity and reduced the swelling rate of the scaffolds.. After 21 days, degradation analysis results showed that degradation was inversely proportional to increasing hydroxyapatite ratio and PLL surface modification increased the resistance to degradation.
The effects of the developed scaffolds on cell proliferation, differentiation and mineral formation were evaluated by in-vitro studies with the preosteoblast MC3T3-E1 cell line. The effects of the scaffolds on cell viability were evaluated by XTT analysis, while their effects on differentiation and mineralization, which are important indicators of bone tissue formation, were evaluated by Von Kossa and Alizarin Red S staining, respectively. As a result, scaffolds that can effectively support bone tissue regeneration, increase mineralization in cells, stimulate differentiation, biocompatible and support cell growth have been developed. These structures can be used as tissue scaffolds that can be applied with cells, as well as having a very high potential as a biomaterial that can be used in cell-free applications.