Bmp-6 ile desteklenmiş polikaprolakton bazlı fibröz doku iskelesi üretimi ve ın  vitro kemik doku mühendisliği
Fabrication of Bmp-6 rainforced polycaprolactone based fibrous tissue scaffold and in-vitro bone tissue engineering
Yazar: ÖZGE TOPRAK
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE KARAKEÇİLİ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Doku kültürü = Tissue culture ; Hücre farklılaşması = Cell differentiation ; Kemik rejenerasyonu = Bone regeneration ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Kontrollü salım = Controlled release ; Nanobiyoteknoloji = Nanobiotechnology ; Ortopedik implantlar = Orthopedic implants

Özet:
Kemik doku mühendisliği yaklaşımında, kemik rejenerasyonu, hücre üremesi ve osteojenik farklılaşma osteojenik büyüme faktörleriyle desteklenmektedir. Kemik morfogenetik proteini-6 (BMP-6), osteoindüktif kapasiteye sahip ve kemik doku mühendisliğinde biyosinyal olarak kullanılan bir osteojenik büyüme faktörüdür. Büyüme faktörlerinin ani ve kontrolsüz salımları istenmeyen etkilere neden olmakta, bunun üstesinden gelmek amacıyla büyüme faktörleri taşıyıcı sistemlere yüklenmektedir. Metal Organik Kafesyapıları (MOF), kimyasal, ısıl ve hidrotermal kararlılıkları, yüksek gözenek oranı/yüzey alanı ile ilaç yükleme/salım uygulamalarındaki problemlerin aşılmasında kullanılabilecek malzemelerdir. MOF malzemelerin alt sınıfı zeolit benzeri yapıya sahip ZIF (Zeolitic Imidazolate Framework) yapıları, toksik olmayan ve biyouyumlu özellikleri nedeniyle ilaç salım sistemleri tasarımında ayrıcalıklı özelliklere sahiptir. Tez çalışmasında, BMP-6 büyüme faktörünün ZIF-8 nanokristallerine enkapsülasyonu (BMP-6@ZIF-8) ile MOF bazlı biyomolekül taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesi, bu yapıların doku iskelelerine yüklenerek kontrollü salım davranışının incelenmesi ve bunların kemik doku mühendisliğinde kullanılabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda BMP-6@ZIF-8 sentezi in-situ olarak %98 enkapsülasyon verimi ile gerçekleştirilmiş, partiküllerin karakterizasyonu XRD, SEM ve FTIR-ATR analizleri ile yapılmıştır. Ardından, elektroeğirme yöntemiyle ZIF-8 ve BMP-6@ZIF-8 nanokristalleri içeren polikaprolakton fibröz membranlar hazırlanmış, SEM ve su tutma analizleri ile karakterize edilmiştir. Membranlardan BMP-6 salım kinetiğinin Korsmeyer-Peppas modeline uyduğu, pseudo-Fickian davranışı gösterdiği bulunmuştur. Membranların kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabilirliğinin araştırılması amacıyla, MC3T3-E1 pre-osteoblast hücreleriyle in-vitro hücre kültür çalışmaları gerçekleştirilmiş, hücre üremesi Presto Blue ve osteojenik farklılaşma RT-PCR analizleri ile tayin edilmiştir. Membranların kemik iyileşmesine katkısı in-vivo deneyler ile belirlenmiştir. Wistar albino ratlar ile gerçekleştirilen çalışmalarda kritik boyutlu kranial kemik defekti modeli oluşturulmuş ve kemik iyileşmesi mikro-BT ile analizlenmiştir. İmplantasyondan 8 hafta sonra membran içermeyen defekte göre PCL/BMP-6@ZIF-8 membranlarda 2.3 kat daha fazla yeni kemik hacmi oluşumu gözlemlenmiştir. Tez çalışmaları 218M791 numaralı proje ile TÜBİTAK tarafından desteklenmiştir.

Abstract:
In bone tissue engineering approach, bone regeneration, cell growth and osteogenic differentiation are supported by osteogenic growth factors. Bone morphogenetic protein-6 (BMP-6) is an osteogenic growth factor with osteoinductive activity, which is frequently used in bone tissue engineering. Burst and uncontrolled releases of growth factors cause undesirable effects. For this reason, particulate carrier systems are used. Metal Organic Frameworks (MOF) are materials that can be used to overcome problems in drug loading/release applications with their outstanding chemical, thermal, hydrothermal stability, and high porosity/surface area. Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF) structures, which are a sub-class of MOF materials, have a zeolite-like structure, and have privileged properties in the design of drug release systems due to their non-toxic and biocompatible properties. In this thesis, it is aimed to develop a MOF-based biomolecule carrier system by encapsulating BMP-6 into ZIF-8 nanocrystals (BMP-6 @ ZIF-8) and investigate their use in bone tissue engineering. Accordingly, the synthesis of BMP-6 @ ZIF-8 was performed in situ and encapsulation efficiency was calculated as 98%. The characterization of the nanocrystals was carried out by XRD, SEM and FTIR-ATR analyses. Subsequently, polycaprolactone fibrous membranes containing ZIF-8 or BMP-6 @ ZIF-8 nanocrystals were prepared by electrospinning and characterized by SEM analysis and swelling tests. The release behavior of BMP-6 from membranes was investigated and it was found that the release kinetics fits Korsmeyer-Peppas model and shows pseudo-Fickian behavior. In vitro and in vivo experiments were carried out to investigate the application of membranes in bone tissue engineering applications. In vitro cell culture studies with MC3T3-E1 pre-osteoblast cells were carried out for 21 days. Cell growth was determined by Presto Blue analysis and osteogenic differentiation was examined by RT-PCR analysis. In vivo experiments were performed by applying the critical-sized cranial bone defect model to Wistar albino rats and bone healing was analyzed by micro-CT. After 8 weeks from implantation, 2.3 times more bone volume was observed in rats receiving PCL/BMP-6@ZIF-8 membranes when compared to control groups without membrane. Studies were supported by TÜBİTAK under grant no 218M791.