Doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmak üzere grafen oksit temelli polimerik nanofibröz doku iskelelerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Richard Feynman'ın 1960 yılında yayınlanan `There's Plenty of Room at theBottom` isimli konuşması başlangıç noktası kabul edilen nanoteknoloji sayesindeyığın materyallere kıyasla çok daha gelişmiş özelliklere sahip malzemelerüretilebilmektedir. Nanoskala olarak adlandırılan 1-100 nanometre aralığında yeralan nanomateryaller artan yüzey alanı/hacim oranı sayesinde yüksek elektrikseliletkenlik, yüksek mekanik ve termal dayanım gibi özellikler göstermektedir.Fiziksel, kimyasal, elektriksel, mekanik ve optik özellikleri yığın materyallerden çokdaha farklı olan nanomalzemeler canlı organizmalarla etkileşime girdiğinde hücreseldavranışları da etkilemektedir. Günümüzde, özellikle doku mühendisliğinin temelbileşenlerinden olan doku iskelelerinin üretiminde veya fonksiyonelleştirilmesindenanoteknolojiden sıklıkla faydalanılmaktadır.Ekstrasellüler matriksi taklit etmek amacıyla üretilen doku iskelelerinin sahip olmasıgereken özelliklerden biri olan homojen ve birbiriyle bağlantılı gözenek yapısınıoluşturmak için nanofiber üretim yöntemi olan elektroeğirme tekniğindenfaydalanılmaktadır. Yüksek voltaj yardımıyla polimer çözeltisinden sürekli fiberçekimi prensibiyle çalışan bu yöntem ile yüksek yüzey alanlı, hücrelerin adhezyon,proliferasyon ve migrasyonnunu destekleyen doku iskeleleri üretilebilmektedir.Doku iskelesi üretiminde doğal, sentetik veya kompozit polimerler kullanılmaktadır.Polimer seçimi rejenerasyonu hedeflenen dokunun gereksinimlerine göregerçekleştirilmektedir. Poli(Ɛ-kaprolakton) dayanıklılığı, yüksek mekanik özelliklerive kolay erişilebilirliği ile doku mühendisliği uygulamalarında dikkat çekmektedir.İçinde bulunduğu koşullara bağlı olarak bir yılı aşan bozunum süresiyle poli(Ɛkaprolakton) dayanıklılığı en yüksek polimerler arasındadır. Polimerlerinbiyobozunum süreleri molekül ağırlıklarıyla değişmektedir. Bu durum aynı polimerinfarklı molekül ağırlıklı versiyonlarıyla farklı bozunum sürelerine sahip dokuiskelelerinin üretilebileceğini ifade etmektedir. Kullanılacak doku iskelelerinin,rejenerasyonu hedeflenen dokuya spesifik bozunma sürelerine sahip olması bilimdünyasında önem verilen bir özelliktir.Doku iskelelerinin rejeneratifliğinin ve dayanımının artıtılması için polimerlerkarbonik nanomalzemelerle desteklenmektedir. Literatürede bu karbonik yapılardan grafen ve türevlerinin diğer karbon formlarına kıyasla daha biyouyumlu olduğubildirilmektedir. Karbon atomunun sp2hibritleşme ürünü olan bal peteği örgüyapısındaki grafen ve türevleri sahip olduğu elektron düzenlemesiyle biyouyumluluk,biyobozunurluk, kimyasal stabilite, yüksek elektriksel iletkenlik, termal iletkenlik,esneklik ve sağlamlık gibi sıradışı özellikler sergilemektedir. Grafenin okside formuolan grafen oksit ise içerdiği alkol, karboksilik asit ve epoksi gruplarıyla grafentürevleri arasında biyomedikal uygulamalarda en çok tercih edilenidir. Literatürdeyer alan çalışmalar grafen ve türevlerinin hücrelerin proliferasyon ve gelişmelerinidesteklediğini, yara iyileşme sürecini hızlandırdığını bildirmektedir.Günümüzde doku mühendisliği uygulamalarının nanoteknoloji ile bütünleşmesisonucunda daha rejeneratif, biyolojik yapılarla daha uyumlu, biyobozunur ve doğalektraselüler matriks yapısına çok daha fazla benzeyen doku iskelelerigeliştirilebilmektedir. Geliştirilen bu doku iskeleleri kronik/yanık yara örtümateryali, implant yüzey kaplama materyali veya rejeneratif vücut içi destekmateryali olarak kullanılmaktadır.Bu tez çalışmasında grafen oksit nanopartiküllerle fonksiyonalize edilerek rejeneratifözelliği arttırılmış polimerik doku iskelelerinin elektro eğirme yöntemiyle üretilmesihedeflenmiştir. Çalışmada düşük molekül ağırlıklı poli(Ɛ-kaprolakton) (Mw=60000)kullanılmış, literatüre kıyasla daha düşük molekül ağırlıklı poli(Ɛ-kaprolakton)danelde edilecek doku iskelesinin davranış özelliklerinin ve fizyolojik şartlarauygunluğunun belirlenmesi amaçlanmıştır.Anahtar Kelimeler : Grafen, grafen oksit, nanoteknoloji, doku mühendisliği,elektroeğirme, düşük molekül ağırlıklı poli(Ɛ-kaprolakton), nanofiber, biyobozunum

Richard Feynman's `There's Plenty Of Room At The Bottom` speech, published in1960, is considered the starting point of nanotechnology. Nanotechnology allowsmaterials to be produced with much more advanced properties than mass materials.The range of 1-100 nanometers is called Nanoscale. Nanomaterials in the range ofnanoscale show properties such as high electrical conductivity, high mechanical andthermal resistance due to the increased surface area/volume ratio. At thenanomaterials, physical, chemical, electrical, mechanical and optical properties aremuch different than mass materials. Moreover, nanomaterials interact with livingorganisms and affect cellular behavior. Today, nanotechnology is frequently usedespecially in the production or functionalization of tissue scaffolds, which are themain components of tissue engineering.Tissue scaffolds are used for mimicking to the natural extracellular matrices in tissueengineering. In order to create a homogeneous and interconnected pore structure, theelectrospinning technique is used in tissue engineering. The working principle of thismethod is continuous fiber extraction from polymer solution via high voltage apply.Thanks to this method, high surfaces scaffolds can be produced. The high surfacearea provides adhesion, proliferation, and migration of cells on tissue scaffolds.Natural, synthetic or composite polymers could be used in the production of tissuescaffolds. Polymer selection is carried out according to the requirements of thetargeted tissue. Poly(Ɛ-caprolacton) is an attractive polymer in tissue engineeringapplications because of its durability, high mechanical properties and easyaccessibility. Poly(Ɛ-caprolactone) is one of the most durable polymers inconsequence of the degradation time exceeding one year depending on theconditions. The biodegradability of polymers changes according to the molecularweights of the polymer. This means that tissue scaffolds which have differentdegradation times can be produced from different molecular weight versions of thesame polymer. The fact that the tissue scaffold has a biodegradation time specific tothe target tissue is an important feature in the scientific world.Polymers are supported by carbonic nanomaterials to increase the regeneration andstrength of tissue scaffolds. In the literature, it is reported that the graphene and its derivatives are more biocompatible than other carbon forms. Graphene and itsderivatives are two-dimensional materials in the honeycomb lattice structure, whichis the sp2hybridization of the carbon atom. Graphene and its derivatives showunusual properties such as biocompatibility, biodegradability, chemical stability,high electrical conductivity, thermal conductivity, flexibility and durability thanks tothe its electron arrangement. Graphene oxide, which is an oxidized form of graphene,is most preferred graphene type in biomedical applications because of includesalcohol, carboxylic acid and epoxy groups. Studies in the literature suggest thatgraphene and its derivatives promote the proliferation and development of cells andaccelerate the wound healing process. Nowadays, as a result of the integration oftissue engineering applications with nanotechnology, tissue scaffolds which are moreregenerative, more compatible with the biological structures and much more similarto the natural extracellular matrix structure can be developed. These scaffolds areused as chronic / burn wound dressing material, implant surface coating material orregenerative supporting material.In this thesis, it is aimed to produce polymeric scaffolds which functionalized withgraphene oxide nanoparticles via electrospinning method. In this study, lowmolecular weight poly (Ɛ-caprolactone) (Mw = 60000) was used. And it was aimedto determine the behavior characteristics in physiological conditions of the tissuescaffold obtained from lower molecular weight poly (Ɛ-caprolactone) compared tothe literature.Key Words: Graphene, graphene oxide, nanotechnology, tissue engineering,electrospinning, low molecular weight poly(Ɛ-caprolactone), nanofiber,biodegradation