Open architecture system for biomanufacturing of scaffolds for tissue engineering

Abstract

Bu tezde iki adet açık mimari hızlı prototip üretim sistemi geliştirilmiştir. Bunlardan biri daha önce Erdem Cerit ve arkadaşları tarafından tasarlanmiş ve üretilmiştir. Diğer sistem ise bu çalışmada geliştirilmiştir. Bu donanımların her ikisi de Koç Üniversitesi'ndeki Üretim ve Otomasyon Araştırma Merkezi'nde (MARC) geliştirilmiştir. Her iki system de aslında bilgisayar yardımıyla hassas ayarı yapılabilen 3 eksenli bir makinedir. Bunlardan biri sistemi harekete geçirmek için üç servo motor ve bir adım motoru, diğeri ise dört adım motoru kullanmaktadır. Sistem açık mimari olduğundan, kurum içi geliştirilmiş çeşitli araç yörüngesi oluşumu algoritmaları uygulanabilir. Bu çalışmada birkaç algoritma geliştirilmiş ve her iki sisteme de uygulanmıştır. Geliştirilen programlar CAD ve CAM yazılımları olmaksızın bazı parçaların üretimine olanak vermektedir. Önceki sistem algoritmaları boş küre ve üç boyutlu doku iskeletlerinin üretimine olanak verirken, diğer sisteme uygulanan diğer algoritmalar ise eşitkenar dörtgen gibi temel geometrilerin yanında farklı boyutlarda doku iskeletlerinin üretimine de olanak tanımaktadır. Geliştirilmiş yazılım, veri girişini ve oluşturulan elektronik sinyalleri çalışması için motorlara yönlendirir. Son olarak, üretilen bu doku iskeletleri istenilen fonksiyonlarını yerini getirip getirmediğini görmek için laboratuarda hücre kültürüne bırakılmıştır. Hücrelerin yaşayabirliği, proliferasyonu ve yapay iskeletinin toksikliği irdelendi.

In this thesis, two open architecture rapid prototyping systems are described. One of them was designed and manufactured in previous work by Erdem Cerit and his colleagues. Other system was developed in this work. Both systems were developed in the Manufacturing and Automation Research Center at Koc¸ University. Both of the systems are 3 axis machines. First generation rapid prototyping (RP) system has three servo motors and one step motor. In the second generation RP system four step motors are used to actuate the system. Since the systems are open architecture, various tool path generation algorithms developed in-house can be implemented. In this work precise algorithms were developed and implemented to both of the systems. Developed programs enable production of parts without using any CAD or CAM software. Hollow spheres and 3 dimensional scaffolds can be manufactured on first generation RP system. Other two algorithms which were implemented on the other system allow operator to fabricate equilateral quadrilaterals as well as scaffolds with different dimensions. The developed programs for both of the systems process input data and generates electronic signals to drive the motors. Various 3D parts produced by both systems are also presented. Finally, polymeric scaffolds fabricated by using old RP system were cell cultured in vitro to determine if they could be used for tissue engineering applications. It was shown that scaffold material is not toxic and cells can attach and proliferate on it.