Doku mühendisliği uygulamaları için polivinil alkol (PVA)/nişasta temelli kriyojel doku iskelelerinin geliştirilmesi: Sentez, karakterizasyon ve biyouyumluluk değerlendirmeleri
Development of polyvinyl alcohol (PVA)/starch based cryogelscaffolds for tissue engineering applications: Synthesis, characterization and biocompatibility assessments
Yazar: SEDA CEYLAN
Danışman: DOÇ. DR. NİMET KARAGÜLLE
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Doku mühendisliği alanı, doku iskeleleri ve hücreleri birleştirerek hasarlı dokuların onarımını hedeflemektedir. Kriyojeller, bu alanda kullanılan, monomerik veya polimerik başlatıcıların donmuş çözeltilerinden üretilen, tipik olarak birbiri ile bağlantılı makro gözeneklerden oluşan jel yapılardır. Kriyojellerin eşsiz özellikleri, kimyasal ve mekanik kararlılıkları ile de bir araya gelerek bu jelleri biyolojik uygulamalar, özellikle doku mühendisliğiuygulamaları için iyi birer aday haline getirmektedir. Bu tez çalışmasında doku onarımında kullanılmak üzere oldukça yeni bir teknik olan kriyojelasyon tekniği ile sentetik polimerlerden Poli vinil alkol (PVA) ve doğal polimerlerden nişasta, birlikte kullanılarak doku iskeleleri üretilmiştir. Bu amaçla, çalışmanın ilk bölümünde farklı polimer oranları ve çapraz bağlama teknikleri kullanılarak doku iskeleleri üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Kimyasal olarak çapraz bağlanan kriyojeller, çapraz bağlama maddesi olarak glutaraldehit (GA) kullanılarak sentezlenmiştir. Fiziksel olarak çapraz bağlanan kriyojeller için ise gözeneklendirici olarak Sodyum Dodesil Sülfat (SDS) kullanılmıştır. Doku iskelelerinin kimyasal yapısı, gözenek morfolojileri, şişme oranı ve bozunma profilleri incelenmiştir. Analizler sonucunda, PVA/Nişasta kriyojellerin karakterizasyon özelliklerinin, çapraz bağlama tekniği veya polimer oranı ile değiştiği gözlemlenmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde, uygun özelliklere sahip olan kriyojeller seçilmiş ve MEF (CF-1) (ATCC1SCRC-1040 ™) hücre hattı ile in vitro biyouyumluluk testleri yapılmıştır. Doku iskelelerinin biyouyumluluğunu test etmek için 3-(4,5-dimetiltiyazol-2-il)-2,5-difeniltetrazolyum bromür analizi ve hücre morfolojisini gözlemlemek için taramalı elektron mikroskopu (SEM) kullanılmıştır. DNA fragmantasyonunu incelemek için ise genotoksisite testi yapılmıştır. Buna ek olarak salım mekanizmasını incelemek için, rhodamine B model ilacı, kriyojellere yüklenmiş ve salım kinetiği incelenmiştir. 
Doku iskeleleri, tümör mekanizması ve metastazını daha iyi anlamak için in vitro tümör modellerinde de kullanılmaktadır. Çalışmanın üçüncü bölümünde, 3D tümör modelleri üretmek amacıyla, PVA/Nişasta doku iskeleleri ve glioblastoma U-87 MG hücreleri bir araya getirilmiştir. Kanser araştırmaları için etoposide kanser ilacının 2D hücre kültürü ve 3D modeller üzerindeki etkisi incelenmiştir.
Son olarak, (PVA/Nişasta) kriyojelleri, antibakteriyel gümüş nano tanecikleri (AgNPs) ile birleştirilmiş ve biyomedikal uygulamalar için, AgNPs yüklü kriyojellerin antimikrobiyal özellikleri değerlendirilmiştir. AgNPs, Aloe barbadensis bitkisi ekstraktından yeşil sentez yöntemi ile üretilmiş ve karakterize edilmiştir. AgNP ve AgNPs yüklü PVA/Nişasta kriyojellerin antimikrobial özellikleri araştırılmıştır. AgNPs yüklü PVA/Nişasta kriyojelleri, test edilen antimikrobiyal türler üzerinde, dikkate değer antimikrobiyal aktivite göstermiştir.
Yapılan analizler sonucunda, PVA/Nişasta kriyojellerin, biyomedikal uygulamalar için potansiyel bir ürün olduğu ve çapraz bağlama tekniklerinin/farklı katkı maddelerinin/polimer oranlarının, kriyojellerin mimarisini ve karakteristik özelliklerini etkilediği görülmüştür.

Abstract:
The aim of tissue engineering field is to regenerate defected tissues by combining scaffolds and cells. Cryogels, are typically interconnected macroporous gel structures, which are produced from frozen solutions of monomers or polymers. The unique properties of cryogels, such as their chemical and mechanical stability, make them potential candidates for tissue engineering scaffold applications. In this thesis project, cryogelation, a rather new technique, was performed to produce scaffolds with Poly vinyl alcohol (PVA) as synthetic polymer and starch as natural polymer, to be used in tissue repair. For this purpose, in the first part of the study, cryogel tissue scaffolds were prepared with different polymer ratio and crosslink techniques. Chemically cross-linked cryogels were synthesized using glutaraldehyde (GA) as the crosslinking agent. For the physically crosslinked cryogels, Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) was used during cryogelation as the foaming agent. Chemical groups pore distribution, swelling ratio and degradation profiles of developed scaffolds were investigated. The results showed that characterization properties of the PVA/Starch cryogels were changed with crosslinking techniques or polymer ratios.
In the second part of the study, cryogel scaffold with the adequate properties was selected and in vitro biocompatibility tests were performed with MEF (CF-1) (ATCC1SCRC-1040™) cell line. 3-(4,5-dimethylthiazoyl-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide assay and scanning electron microscopy (SEM) were used to investigate the biocompatibility of the scaffolds and cell morphology. Genotoxicity test was performed to show DNA fragmentation. In addition to this, rhodamine B model drug-loaded cryogels were analyzed to obtain release kinetics of cryogels. 
Scaffolds can also be used in vitro tumor models to better understand tumor relapse and metastasis. In the third part of the study, PVA/Starch scaffolds and glioblastoma U-87 MG cells were used to produce 3D tumor models. Effect of the etoposide cancer drug on 2D cell culture and 3D models was investigated for cancer research.
Finally, (PVA/Starch) cryogels were combined with antibacterial silver nanoparticles (AgNPs) and the antimicrobial properties of composite scaffold were evaluated for biomedical applications. The AgNPs were fabricated by green synthesis from Aloe barbadensis leaf extract and characterized. The antibacterial, antifungal and antiyeast properties of AgNPs and AgNPs loaded PVA/Starch cryogel scaffold were investigated. AgNPs loaded PVA/Starch cryogel displayed remarkable antimicrobial activity on tested antimicrobial species.
The overall results demonstrated that PVA/Starch cryogels could have potentially appealing application as scaffolds for biomedical applications and additives/crosslinking techniques/polymer ratios affect the architecture and characteristic properties of the cryogels.