Development, production and characterization of ceramic based 3D tissue scaffolds

Abstract

Defekte uygun doku iskelesi üretimi kişiye özel yapay kemik uygulamalarında en kritik basamağı oluşturmaktadır. Üç boyutlu (3B) yazdırma özellikle kişiye özel uygulamalarda iç ve dış tasarımın yüksek kontrol edilebilirliği ile en iyi üretim tekniklerinden biridir. Bu çalışma kapsamında kemik doku mühendisliğine iyi bir alternatif oluşturmak üzere çinko katkılı, seramik temelli (kalsiyum sülfat (KS)) doku iskelelerinin 3B yazdırma ile geliştirilip üretilmesi ve karakterizasyon testlerinin yapılması amaçlanmıştır. 3B tasarlanan iskeleler 3B yazıcı ile üretilmiştir. Çinko katkılı ve katkısız KS içerikli iskele grupları XRD, temas açısı ve SEM analizleri ile karakterize edilmiştir. Mekanik özellikleri basma testi yapılarak değerlendirilmiştir. Hücre canlılığı, MTT testi ile hücrelerin yüzeye tutunma yeteneği ise SEM gözlemleri ile belirlenmiştir. XRD analizi 3B yazıcının ticari tozu olan kalsiyum sülfat hemihidratın (KSHH), yapıştırıcı solüsyonun (binder) yüksek su içeriği nedeniyle yazdırma işlemi sonrası gypsuma dönüşmüş olduğunu, sinterleme işlemi sonunda ise su kaybı nedeni ile anhidrit formuna dönüşmüş olduğunu göstermektedir. Temas açı ölçümleri KSHH'ın hidrofilik karakterde olduğu ve ayrıca çinko ilavesinin KSHH örneklerin mekanik özelliklerini ve BMSC hücre hattının KSHH örnekler üzerindeki canlılığını olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Benzer şekilde, SEM görüntülerinde görüldüğü üzere hücreler yüzeyde yassılaşarak oldukça iyi bir tutunma göstermektedirler. Sonuç olarak %0.5 çinko katkılı örneklerin kontrol, %0.1, %0.3 ve %0.5 çinko katkılı gruplar arasında en yüksek mekanik dayanıma sahip olduğu ve hücre canlılığı üzerindeki pozitif etkisinin de en fazla olduğu görülmüştür.Çalışmanın uzun vadedeki amacı, CT görüntüleme ile defekt bölgesinin belirlenmesinin ardından, hastanın kendi mezenşimal hücreleri ekildiği defekte uygun doku iskelesinin, toksik olmayan, kemiğin mekanik ve biyolojik özelliklerini sağlayan malzeme kullanılarak üretimi ile kişiye özgü doku mühendisliği alanına katkı sağlamaktır. Tez kapsamında laboratuvarımızda bulunan 3B yazıcı ile üretilebilecek doku iskeleleri için optimum malzeme kompozisyonu araştırılmıştır.

Production of defect-matching scaffolds is the most critical step in custom artificial bone applications. Three dimensional (3D) printing is one of the best techniques particularly for custom designs on artificial bone applications because of the high controllability and design independency. In this study, we aimed to develop, produce and characterize zinc doped ceramic based 3D printed scaffolds (calcium sulfate (CS) based) in an attempt to satisfy requirements of bone tissue engineering.3D designed scaffolds were manufactured by using 3D printer. Zinc oxide doped and pure CS based scaffold groups were investigated by XRD, contact angle meter and SEM to be characterized. Then, mechanical properties were assessed by compression test. Cell viability of bone marrow stem cells (BMSCs) on printed scaffolds was determined by using MTT and cell attachment abilities were investigated by using SEM. The effects of the incorporation of zinc oxide in the commercial powder (CS) to mechanical and biological properties of the material were studied.According to XRD results calcium sulfate hemihydrate (CSHH) powder was transformed into gypsum after printing process due to water content of binder. Following that gypsum was transform into anhydrite after sintering process due to water loss. Contact angle measurements showed that CS has a super hydrophilic character which supports cell attachment. It can be concluded that zinc addition increase both mechanical strength of CSHH samples and cell viability of BMSCs on CSHH based scaffolds. Similarly, cells attached properly and flattened on each group according to SEM micrographs. As a result, 0.5 wt% zinc doped samples have the best mechanical and biological properties among control, 0.1 wt%, 0.3 wt% and 0.5 wt% zinc doped groups.Our long-term aim is to implant a custom artificial bone that is cultured with patient's own mesenchymal stem cells after determining defect architecture on patient's bone by using CT and printing that defect-matching 3D scaffold with appropriate non-toxic materials. Thus, in the scope of thesis, the optimum material composition was researched for current 3D printer in our laboratory.