Üç boyutlu yazıcı ile biyomedikal uygulamalar için çok fonksiyonlu polimer kompozit filament geliştirilmesi
Development of multifunctional polymer composite filament for 3D printer for biomedical applications
Yazar: İLKNUR KÖKCÜ
Danışman: PROF. DR. MİHRİGÜL EKŞİ ALTAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Üç boyutlu (3B) yazıcıların biyomedikal uygulamalardaki önemi her geçen gün artmaktadır. Ergiyik yığarak modelleme (EYM), kemik veya kıkırdak gibi sert dokuları üretmek için kullanılan üç boyutlu yazıcı ile üretim yöntemlerinden biridir. Bu çalışmada, medikal uygulamalar için çok fonksiyonlu polimer esaslı nanokompozit doku iskelelerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. %1'den %5'e kadar halloysit nanotüp (HNT), polilaktik asite (PLA), ergiyik karıştırma yöntemi ile katılarak kompozit filamentler üretilmiştir. Geliştirilen doku iskelesine ilaç taşıma özelliğini kazandırmak amacıyla metformin (MET) kullanılmıştır. MET, elektrostatik etkileşimler kullanılarak HNT partiküllere yüklenmiştir. İlaç yüklenmiş HNT takviyeli PLA filamentlerden, EYM yöntemi ile kompozit doku iskelesi test numuneleri üretilmiştir. Bu doku iskelelerin karakterizasyonu fourier transform infrared spektroskopisi (FTIR), X-ray fotoelektron spektroskopisi (XPS), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), termogravimetrik analiz (TGA) ve elektron taramalı mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. Mekanik özelliklerinin incelenmesi çekme, basma, üç nokta eğme testleri ile gerçekleştirilmiştir. Biyolojik test olarak, in vitro ilaç salınımı ve hücre canlılığı analizleri yapılmıştır.  Elde edilen sonuçlara göre ağırlıkça %3 HNT yüklemesinin iskelelerin çekme, basma ve üç nokta eğme mukavemetlerinde sırasıyla %124, %145 ve %41 artış gösterdiği görülmüştür. Geliştirilen malzemenin biyo uyumlu olduğu ve kontrol seti ile karşılaştırıldığında hücreler üzerinde herhangi bir sitotoksik etkiye neden olmadığı görülmüştür. HNT yüzdesine bakılmaksızın, tüm HNT içeren gruplarda PLA doku iskelesinden daha iyi bir hücre çoğalma rejimi elde edilmiştir. İlaç salınım sonuçlarına göre, 120 saat sonunda üç boyutlu yazıcıyla üretilen doku iskelesindeki ilacın yaklaşık %50'si salınmıştır. Yapılan bu tez çalışmasında, geliştirilen doku iskelelerinin, hem mekanik özellikleri iyileştirilmiş hem de ilaç taşıma özelliği kazandırılmıştır. Bu çok amaçlı doku iskelesinin, kemik rejenerasyonunu desteklediği ve özellikle kemik dokusu kayıplarında ana kemiğe destek olup, ilaç taşıma kabilyeti ile tedaviye yardımcı olabileceği görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Doku iskelesi, filament, polilaktik asit, metformin, halloysit nanotüp.

Abstract:
The importance of three-dimensional (3D) printers in biomedical applications is increasing day by day. Fused deposition modelling (FDM) is one of the three-dimensional printing methods which is used to produce hard tissues such as bone or cartilage. In this study, it is aimed to develop multifunctional polymer-based nanocomposite scaffolds for medical applications. Composite filaments were produced by adding 1% to 5% halloysite nanotube (HNT), and polylactic acid (PLA) by melt mixing method. Metformin (MET) was used to give the developed scaffold the ability to transport the drug. MET was loaded into HNT particles by using electrostatic interactions. Composite scaffold test specimens were produced from drug-loaded HNT-doped PLA filaments by the FDM method. The characterization of these scaffolds was performed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA) and electron scanning microscopy (SEM). The mechanical properties were investigated by tensile, compression and three point flexural tests. In vitro drug release and cell viability analyses were performed as biological tests. According to the results obtained, it was observed that 3% wt HNT loading to scaffolds increased the tensile, compression and three-point flexural strength of the scaffolds by 124%, 145% and 41%, respectively. It was observed that the developed material was biocompatible and did not cause any cytotoxic effect on cells when compared to the control set. Regardless of the percentage of HNT, a better cell proliferation regimen was obtained than the PLA scaffold in all HNT-containing groups. According to the drug release results, approximately 50% of the drug in the scaffold produced by the 3D printer was released by the end of 120 hours. In this thesis study, both the mechanical properties of the developed scaffolds were improved and they gained drug delivery properties. It has been seen that this multifunctional scaffold contributes to bone regeneration, supports the main bone, especially in bone tissue losses, and can help treat with its drug delivery ability.
Keywords: Scaffold, filament, polylactic acid, metformin, halloysite nanotube.