Doku mühendisliği uygulamalarında metal organik kafes yapılarını içeren polimerik iskeleler: Sentez, üretim ve karakterizasyon
Polymeric scaffolds incorporating metal-organic framework structures in tissue engineering applications: Synthesis, fabrication, and characterization
Yazar: AYŞE GÜNYAKTI MUJTABA
Danışman: PROF. DR. AYŞE KARAKEÇİLİ
Ankara Üniversitesi / Biyoteknoloji Enstitüsü / Temel Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Biyopolimerler = Biopolymers ; Doku iskeleleri = Tissue scaffolds ; Farmasötik nanoteknoloji = Pharmaceutical nanotechnology ; Fonksiyonel polimerler = Functional polymers ; Gerçek zamanlı polimeraz zincir reaksiyonu (RT-PCR) = Reverse transcription polimerase chain reaction ; Kemik rejenerasyonu = Bone regeneration ; Kontrollü ilaç salımı = Controlled drug release ; Yara enfeksiyonu = Wound infection ; Yara iyileşmesi = Wound healing ; Üç boyutlu baskı = 3D printing

Özet:
İnsan vücudunun en büyük organları olan deri ve iskelet sisteminde çeşitli nedenlere bağlı olarak gelişen derin travmalar, dünya genelinde ekonomi ve sağlık hizmetleri üzerinde ciddi bir yük oluşturmaktadır. Bu bağlamda, çözümlenemeyen klinik ihtiyaçlar ve sınırlı başarı ile uygulanan transplantasyon prosedürlerine alternatif olarak, doku mühendisliği yaklaşımları giderek önem kazanmaktadır. Tez çalışmasının ilk bölümde, Tip 1 Diyabetes mellitus (T1DM) ile ilişkili kronik yaraların karmaşık doğası göz önünde bulundurularak, yara iyileşmesini desteklemek amacıyla biyoaktif metal-organik kafes (MOF) nanoyapıları kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde, bakır (Cu) ve çinko (Zn) iyonları içeren MOF nanoyapılarının, PLGA/Jelatin bazlı nanofibröz/üç boyutlu gözenekli yapıdaki doku iskelelerine entegrasyonu ile biyoaktif sandviç yapı geliştirilmiştir. In vitro ve in vivo değerlendirmeler, bu yapıların yara iyileşmesini hızlandırdığını, bakteriyel enfeksiyonu azalttığını ve enflamatuar yanıtları modüle ettiğini ortaya koymuştur. Histopatolojik analizler artmış epitelizasyon ve kolajen birikimi gösterirken, biyokimyasal testler ve RT-PCR analizleri, enflamasyonun azaldığını ve antioksidan savunma mekanizmalarının güçlendiğini kanıtlamıştır. Tezin ikinci bölümünde ise, MC3TE-E1 pre-osteoblast hücre hattı kullanılarak, 3B biyobaskılı iskelelerin osteojenik kapasitesini artırmak amacıyla UiO-66 MOF nanokristalleri kullanılmıştır. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışmaları sonucunda, %2 (a/h) UiO-66 içeren Aljinat/Metil selüloz iskelelerinin osteojenik farklılaşmayı önemli ölçüde teşvik ettiği ve osteoindüktif özelliklerini artırdığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, MOF yapıların gerek bireysel olarak gerekse diğer terapötik ajanlarla kombine kullanımıyla geliştirilen bu yenilikçi doku iskeleleri, kronik yaralar ve kemik defektlerinin tedavisinde etkili bir alternatif sunmaktadır. Çalışmanın çıktılarının, gelecekteki biyoaktif ve akıllı malzeme tasarımlarına yol gösterici olması beklenmektedir.

Abstract:
Deep traumas in the skin and skeletal systems, which are among the largest organs of the human body, pose a significant burden on global economies and healthcare systems. In this context, tissue engineering approaches have gained increasing importance as alternatives to transplantation procedures, which offer limited success and fail to meet unresolved clinical needs. In the first chapter of this dissertation, bioactive metal-organic framework (MOF) nanostructures were utilized to support wound healing, considering the complex nature of chronic wounds associated with Type 1 Diabetes mellitus (T1DM). Specifically, MOF nanostructures containing copper (Cu) and zinc (Zn) ions were integrated into PLGA/Gelatin-based nanofibrous/three-dimensional porous tissue scaffolds to develop bioactive sandwich structures. Both in vitro and in vivo evaluations demonstrated that these scaffolds accelerated wound healing, reduced bacterial infection, and modulated inflammatory responses. Histopathological analyses revealed enhanced epithelialization and collagen deposition, while biochemical tests and RT-PCR analyses confirmed reduced inflammation and strengthened antioxidant defense mechanisms. In the second chapter, UiO-66 MOF nanocrystals were employed to enhance the osteogenic capacity of 3B bioprinted scaffolds using the MC3TE-E1 pre-osteoblast cell line. Optimization studies revealed that Alginate/Methylcellulose scaffolds containing 2% (w/v) UiO-66 significantly promoted osteogenic differentiation and enhanced osteoinductive properties. In conclusion, these innovative tissue scaffolds, developed through the use of MOF structures either individually or in combination with other therapeutic agents, present an effective alternative for the treatment of chronic wounds and bone defects. The findings of this study are expected to provide a roadmap for the design of future bioactive and smart materials.