Üç boyutlu biyoyazıcı ortamında intervertebral disk dizaynı ve geliştirilmesi
Intervertebral disc design and development in three-dimensional bioprint environment
Yazar: BANUAY COŞKUN
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM ÜNLÜER
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Biyokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya = Chemistry

Özet:
İntervertebral disk (IVD), omurganın esnekliğini ve yük taşıma kapasitesini 
sağlamaktadır. Dejenerasyonu ise IVD'nin biyomekaniği bozarak ağrı ve fonksiyon 
kaybına yol açmaktadır. Kişiselleştirilmiş biyouyumlu diskler, hastaya özel tedavi imkanı 
sunmaktadır.
Sunulan çalışmanın amacı, L5-S1 vertebral diskin gerçek kadavra verileri 
temelinde bilgisayar ortamında modellemesini ve kıkırdak hücre dışı matriksi (ECM) 
kullanarak kişiye özel, üç boyutlu (3D) biyouyumlu disk yapılarını geliştirmektir. Ayrıca, 
bu yapıların biyomürekkep bileşimini deneysel tasarım ile optimize ederek, 3D 
biyobasım teknolojisiyle üretimini sağlamaktır.
Çalışmanın ilk aşamasında, kadavra literatür verileri kullanılarak 3D yapılı IVD 
doku iskelesi bilgisayar destekli tasarım (CAD) ile oluşturulmuştur. Ayrıca, L5-S1 diski 
özel olarak diskin her iki yanındaki kambin üçgenindeki IVD oranları ve boyutlarına göre 
tasarlanmıştır. IVD doku iskelesi tasarımı stereolitografi (*STL) formatında sunulmuştur.
İkinci aşamada, IVD'nin entegrasyonu için, bilgisayar destekli üretim (CAM) ve 
biyomürekkep bileşiminin belirlenmesi için tam faktöriyel deneysel tasarım 
kullanılmıştır. Deneysel tasarımla en ideal biyomürekkep kombinasyonu belirlenerek 
kişiye özgü 3D biyobasımda yüksek hassasiyet ve etkinlik sağlanmıştır.
Son aşamada, deneysel tasarım ile belirlenen biyomürekkep bileşimi kullanılarak 
3D biyobasımı yapılan kişiye özgü L5-S1 omur diskinin, ditirozin ve zein çapraz 
bağlayıcıları varlığındaki etkinliği, reolojik analizler ve biyouyumluluk çalışmaları ile 
belirlenmiştir.
Çalışmalar sonunda, 3D biyobasımla oluşturulan kişiye özgü doku iskelelerinin 
optimum biyomürekkep bileşiminin deneysel tasarımla belirlenmesi, doğal mikro 
çevrenin oluşturulmasında zaman ve maliyeti en aza indirgemiştir. Ayrıca, operasyon 
öncesi planlamaya olanak tanımaktadır. Bu nedenle, sunulan çalışma biyoteknolojik 
açıdan oldukça yüksek bir etkiye sahiptir.

Abstract:
The intervertebral disc (IVD) provides flexibility and load-bearing capacity of the 
spine. IVD degeneration disrupts the biomechanics of the spine, causing pain and loss of 
function.Personalized biocompatible discs provide treatment according to patient needs.
 The aim of the presented study is to develop personalized, three-dimensional (3D) 
biocompatible disc constructs using computer modeling of L5-S1 vertebral disc based on 
real cadaveric data and cartilage extracellular matrix (ECM). In addition, to optimize the 
bioink composition of these constructs with experimental design and to produce them 
using 3D bioprinting technology.
 In the first phase of the study, a 3D IVD scaffold was designed using cadaver data 
using computer aided design (CAD). The L5-S1 disc was custom-created according to 
the cambin triangle and the design was presented in stereolithography (*STL) format. 
 In the second stage, IVD integration was performed with computer-aided 
manufacturing (CAM) and bioink composition was determined with full factorial design. 
With the most ideal combination, high precision and efficiency were achieved in 
personalized 3D bioprinting.
 In the final stage, the effectiveness of the personalized L5-S1 vertebral disc 
produced by 3D bioprinting method with the experimental bioink composition, using 
dityrosine and zein crosslinkers, was evaluated by rheological analysis and 
biocompatibility tests.
 Determining the optimum bioink composition of personalized tissue scaffolds 
formed with 3D bioprinting with the experimental design minimized the time and cost in 
mimicking the natural microenvironment. In addition, it allows pre-operative planning. 
Therefore, the presented work has a very high impact for biotechnological aspect.