Poliüretan tabanlı kemik yapıştırıcısı formülasyonları
Polyurethane based bone adhesive formulations
Yazar: MERYEM ERKEN
Danışman: DOÇ. DR. HALİL MURAT AYDIN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Günümüzde milyonlarca insan trafik kazaları, günlük yaralanmalar, spor yaralanmaları gibi pek çok sebebe bağlı olarak kemik yaralanmasına bağlı tedaviye ihtiyaç duymaktadır. Sağlık alanında kemik kırıklarının stabilize edilmesi için; alçı kullanılması, harici stabilizasyon, plakalar ve vidaların kullanılması gibi yöntemler vardır. Ancak bu yöntemler her türde kemik kırığı için uygun değildir. Kırıkların düzensiz bir yüzeyde, ince kemikte, parçalanmış kemikte veya hassas dokulara yakın olduğu durumlarda sert doku yapıştırıcılarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla bu tez çalışması kapsamında kemik dokularını birbirine yapıştıracak poliüretan bazlı kemik yapıştırıcısı ve hasarlı bölgede kemik doku oluşumunu destekleyecek poliüretan ve seramikten oluşan kompozit doku iskelelerinin üretilmesi planlanmıştır. Bu şekilde tamamen sentetik yollarla hazırlanmış osteokondüktif ve osteoindüktif özellikte, adezyon özelliği iyi, defekt bölgesinin şekline göre biçimlendirilebilen kemik yapıştırıcı ve greft formülasyonlarının geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla tezin ilk aşamasında cam bir reaktör içerisinde poliüretan kemik yapıştırıcısı ve farklı partikül boyutunda (0,5-1 mm, 1-2 mm ve 2-4 mm) ve ağırlıkça farklı yüzdelerde (%20, %30 ve %40)  beta-trikalsiyum fosfat (β-TCP) partikülleri içeren poliüretan tabanlı kompozit doku iskeleleri hazırlanmıştır. Tezin ikinci aşamasında hazırlanan doku iskelelerinde bulunan fonksiyonel grupların tespit edilmesi amacıyla Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR) ve Hidrojen-Nükleer Manyetik Rezonans (1H-NMR) analizleri gerçekleştirilmiş ve istenilen poliüretan yapısının sentezlendiği doğrulanmıştır. Malzemenin termal davranışı diferansiyel kalorimetri (DSC) analizi ile karakterize edilmiştir. Taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve mikro-bilgisayarlı tomografi  (µ-CT) ile doku iskelelerinin %90'ın üstünde gözenekliliğe sahip olduğu, gözenekler arasında bağlantısallık olduğu, organik ve inorganik fazların birbiri ile iyi entegre olduğu ve β-TCP partiküllerinin yapı içinde homojen dağıldığı gözlenmiştir. Ayrıca grupların yaklaşık 267 ± 25 μm'lik bir ortalama gözenek boyutuna sahip olduğu tespit edilmiştir.
Doku iskelesi adaylarının mekanik dayanımlarını belirlemek için yapılan basma testlerinde en yüksek basma dayanımını gösteren grubun 1-2 mm partikül boyutunda %40 (a/a) oranında β-TCP içeren grup olduğu görülmüştür. Ayrıca ilave edilen β-TCP oranı arttıkça basma dayanımının arttığı gözlenmiştir.
Hazırlanan poliüretan tabanlı kemik yapıştırıcısının kemiğe yapışma mukavemetini belirlemek amacıyla kırık sığır kaburga kemikleri yapıştırılarak mekanik çekme testi yapılmış ve malzemenin yapışma mukavemeti 1,34 MPa olarak tespit edilmiştir.
Tez çalışmasının son aşamasında ise hazırlanan PU/β-TCP doku iskelelerine MG63 insan osteosarkoma hücre hattı ekilerek in vitro ortamda hücre kültürü analizleri gerçekleştirilmiş, Alamar Mavisi yöntemi ile hücre canlılığı ve proliferasyonu tayin edilmiştir.  Gruplar arasında 1-2 mm partikül boyutunda %40 (a/a) oranında β-TCP içeren grupta en yüksek hücre canlılığı değerleri gözlenmiş ve yine bu grup hücre çoğalmasını destekleme yönünden diğer gruplara göre daha başarılı bulunmuştur. ISO 10993-2 standardı gereğince elüsyon yöntemiyle gerçekleştirilen sitotoksisite analizi ile %85,75 hücre canlılığı gözlenmiş ve üretilen malzemelerin toksik olmadığı sonucuna varılmıştır.

Anahtar kelimeler:kemik yapıştırıcısı, poliüretan, seramik, beta-trikalsiyum fosfat, kemik grefti, kemik defektleri

Abstract:
Millions of people are in need of bone injury treatment for many reasons such as traffic accidents, daily injuries, sports injuries. For the stabilization of bone fractures in the health field; plastering, external stabilization, the use of plates and screws. However, these methods are not suitable for all types of bone fractures. Hard tissue adhesives are needed when the fractures are on an irregular surface, in thin bones or in broken bones proximity to sensitive tissues. For this purpose, it is planned to develop polyurethane based bone adhesive to adhere bone tissues to each other and composite tissue scaffolds consisting of polyurethane and ceramic to support bone tissue formation in damaged area. In this way, it is aimed to develop osteoconductive and osteoinductive bone adhesives and graft formulations which can be shaped according to the shape of the defect area. For this purpose, in the first step of the thesis, polyurethane bone adhesive and tissue scaffold including different size (0,5-1 mm,  1-2 mm and 2-4 mm) and different percentages (20%, 30% and 40% by weight) beta-tricalcium phosphate were prepared. In the second step of the thesis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Hydrogen-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) analyzes were performed to determine the functional groups present in the tissue scaffold and the synthesis of the desired polyurethane structure was verified. The thermal behavior of the material is characterized by differential scanning calorimetry (DSC) analysis. By using scanning electron microscopy (SEM) and micro-computerized tomography (μ-CT), it is observed that the tissue scaffolds have porosity above 90%, the organic and inorganic phases are well integrated with each other and the homogeneous distribution of β-TCP particles in the structure. It was also found that average pore size of the groups are about 267 ± 25 μm.
In the compression tests, performed to determine the mechanical strength of the tissue scaffold candidates, the highest compressive strength was found in the group including 1-2 mm particle size with 40% β-TCP. Also it has been observed that increasing the TCP ratio increases the compression strength.
In order to determine the adhesion strength of the polyurethane based bone adhesive, the fractured bovine rib bones were glued and subjected to mechanical tensile test, and the adhesive strength of the material was determined to be 1,34 MPa.
In the final stage of the thesis, in order to investigate in vitro performance of the polyurethane/β-TCP scaffolds, MG63 human osteosarcoma cells were seeded onto polyurethane/β-TCP tissue scaffolds. To investigate the cell viability and the proliferation Alamar Blue assay was performed. Among the groups, the highest cell viability values were observed in the group containing 40% (w/w) β-TCP with 1-2 mm particle size and this group was found to be more successful than the other groups due to supporting cell proliferation. Cytotoxicity analysis performed by means of the elution method according to ISO 10993-2 showed 85.75% cell viability. This result indicates that the materials are not toxic.

Keywords: bone adhesive, polyurethane, ceramic, beta-tricalcium phosphate, bone graft, bone defects