Biyomedikal uygulamalar için grafen oksit/polimer kompozitlerinin hazırlanması

Abstract

Kemik dokusu kendini onarma yeteneğine sahip olsa da yaralanma ya da hastalık sonucu ortaya çıkan büyük kemik hasarlarının tedavisi mümkün olmamaktadır. Geleneksel biyolojik greftlere alternatif bir çözüm olan kemik doku mühendisliği yaklaşımında, hasarlı dokunun yenilenmesi sürecinde görev alan hücrelerin çoğalabilmesi için gerekli mekanik ve biyolojik desteği sağlayan biyobozunur polimerlerden üretilen doku iskeleleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, grafen oksit ile takviye edilmiş, poli(L-laktik asit) (PLLA)/poli(ε-kaprolakton) (PCL) karışımı kullanılarak gözenekli biyobozunur kemik doku iskeleleri hazırlandı. Polimer faz içerisindeki PLLA / PCL oranı, bozunma hızları ve mekanik özellikleri göz önünde bulundurularak 50/50 (w/w) olarak seçildi. Gözenekli yapının elde edilmesi için sırasıyla partikül uzaklaştırma ve süperkritik karbondioksit yöntemleri uygulandı. Gözenek boyutunu kontrol altında tutmak için 150-250 µm çapında sodyum klorür kristalleri kullanıldı. Grafen oksitin polimer faz içerisinde homojen olarak dağıtılmını sağlamak amacıyla iki farklı yöntem ve çözücüden yararlanıldı. İlk yöntemde grafen oksit, plakalarının açılması için liyofilizasyon işlemine tabi tutuldu ve doku iskelelerinin üretimi için çözücü olarak kloroform kullanıldı. İkinci yöntemde ise grafen oksit 1,1,1,3,3,3-hekzafloro-2-propanol (HFIP) çözücüsü içerisinde dağıtıldıktan sonra doku iskeleleri üretildi. Her iki yöntemle %2-5-7 (w/w) oranında grafen oksit içeren doku iskeleleri hazırlandı ve bu doku iskelelerinin özellikleri grafen oksit içermeyen doku iskeleleri ile karşılaştırıldı. Doku iskelelerinin morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve mikro bilgisayarlı tomografi (micro-CT) ile incelendi. Elde edilen sonuçlar doku iskelelerinin yüksek porozite ve gözenekler arası bağlantılara sahip olduğunu gösterdi. Grafen oksitin polimer faza ait kristallik özelliklerine etkisi X-ışını difraksiyonu (XRD) yöntemi ile incelendi ve grafen oksit miktarındaki artış ile polimer faza ait kristallik piklerinin şiddetinin arttığı gözlendi. Doku iskelelerinin termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre ile incelendi ve polimer fazın termal özelliklerinin grafen oksit miktarından bağımsız olduğu görüldü. Son olarak doku iskelelerine ait mekanik özellikler basma testi ile tayin edildi. Liyofilize grafen oksit ile hazırlanan doku iskelelerinde mekanik mukavemet grafen oksit miktarı ile ters orantılı değişirken, HFIP kullanılarak hazırlanan doku iskelelerinin mekanik dayanımının grafen oksit miktarı ile arttığı gözlendi.

Although bone has its own ability to repair, the defects caused by injury or diseases could not be treated easily. As an alternative to the traditional biological grafts, bone tissue engineering approach uses scaffolds to provide required mechanical and biological supports to the cells that take place in tissue regeneration process. In this study, porous biodegradable bone scaffolds that are reinforced with graphene oxide were prepared by using a blend of poly(L-lactic asid)/poly(ε-caprolactone). The ratio of PLLA/PCL was selected as 50/50 (w/w) considering both degradation rates and mechanical properties of the polymers. In order to obtain porous structure, particle leaching and supercritical cabondioxide methods were carried out. Sodium cloride cyristals having diameter between 150-250 µm were used to keep the pore size under control. Two different methods and two different solvents were utilized for the purpose of dispersing graphene oxide homogeneously in the polymeric phase. In the first method, to achieve exfoliated form, graphene oxide was subjected to lyophilization, and chloroform was used as solvent to fabricate the scaffolds. In the second method, initially graphene oxide was dispersed in 1,1,1,3,3,3-hexaflouro-2-propanol (HFIP) and then the scaffolds were fabricated. 2-5-7 wt% of graphene oxide loaded scaffolds were prepared by each methods and the properties of these scaffolds were compared to unloaded scaffolds. Morphological properties of the scaffolds were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and micro-computed tomography (micro-CT). The results obtained showed that the scaffolds have high porosity and interconnectivity. The effect of graphene oxide on cyristallinity of the polymer phase was characterized by X-ray diffraction (XRD) method, and from the XRD data it was seen that an increase in the amount of graphene oxide in the composite, increased the cyrstal peak intensities of the polymers. The thermal properties of the scaffold were examined by differantial scanning calorimetry (DSC) and the results obtained showed that the thermal properties of the polymers are independent of graphene oxide amount in the composite. Finally, the mechanical properties of the scaffolds were investigated by an uniaxial compression test. It was seen that while the mechanical properties of the lyophilized graphene oxide loaded scaffolds decreased with graphen oxide amount, those increased for the scaffolds that were prepared by HFIP with increasing graphene oxide .