FBE- Kimya Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Arğun, Aslıhan" ile FBE- Kimya Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeDesign of biocompatible hydrogels with regions of different chemical and mechanical properties(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2018) Arğun, Aslıhan ; Okay, Oğuz ; 10222084 ; Kimya ; ChemistryJeller canlılarda sıkça rastlanan, kolay ve etkin şekilde iyon ve molekül taşıyabilmeyi sağlayan yapılardır. Bir polimer jel, basitçe ıslak ve yumuşak malzeme olarak tanımlanır. Polimer jelleri tanımlayan iki kritik bileşen vardır. Bunlar, sahip oldukları çapraz bağ yapısının bir arada tuttuğu üç boyutlu, elastik, polimer ağyapı ve içerisinde çözünmediği ancak şişebildiği, ağyapısını ayakta tutan ve çökmesini engelleyen sıvıdır. Polimer jellerin elastik, çapraz bağlı ağyapısı malzemeye yumuşak olma özelliğini verirken, içinde hapsolan sıvı sayesinde jeller ıslak malzemeler olarak anılırlar. Her nekadar bu malzemeler ıslak ve yumuşak tabiata sahip görünseler de, endüstride kullanılan cam, metal, seramik gibi malzemelere kıyasla oldukça yüksek deformasyonlara dayanabilirler. Çok çeşitli yapısal mimarilerde ve kimyasal içerik çeşitliliğinde sentezlenebilen bu malzemelerin pek çok alanda yaygın olarak kullanılmalarının yanı sıra, biyomedikal uygulamalar ve kemik-doku mühendisliği gibi alanlarda da oldukça dikkat çekici uygulamalara dahil olmakta ve süren çalışmalar ile geliştirilmektedir. Bu tez çalışması dahilinde, iki farklı jel malzeme farklı yönleri ile incelenmiştir. Bunlardan ilki olan tek ağyapılı (SN), çift ağyapılı (DN) ve üç ağyapılı (TN) kriyojeller, biyo-uyumlulukları bakımından incelenmiştir. İkinci çalışma ise; sentez aşamasının, tasarımının ve termal, mekanik özelliklerinin incelendiği çok parçalı hibrit hidrojelleri içermektedir. İpek, kökleri 5000 yıldan fazla bir geçmişe dayanan biyolojik malzemedir. İpek böceği kozalarından iplikçikler şeklinde elde edilen ipek proteini, geçmişte kraliyet ailelerinin giyiminde de tercih edilmeleri ile seçkin bir ham madde olarak kültürler arasında bir köprü vazifesi görmüştür. Günümüzde de çekme dayanımı, düşük ısı iletkenliği, parıltısı ve nem emme kapasitesi ile yaygın olarak tekstil endüstrisine hizmet etmektedir. İpeğin diğer ilgi çekici uygulama alanları ise şöyle sıralanabilir: ev içi dekorasyon, paraşüt kumaşı, bisiklet tekerleği, yatak dolgusu, vb. Ayrıca ipek, çeşitli fiziksel özellikleri, biyo-uyumluluğu ve pek çek hücre türünün tutunması, gelişimi ve yayılışını desteklemesi sayesinde doku mühendisliği ve rejeneratif tıp gibi biyomedikal sahalarda kullanılan en önemli malzemelerdendir. Bu tez çalışmasının ilk bölümü kapsamında, Bombyx mori türü ipek böceğinden elde edilen ipek-fibroin proteini kullanılarak sentezlenen SN, DN ve TN ipek-fibroin kriyojellerinin biyo-uyumlulukları ön-yapım hücre iskelesi olarak incelenmiştir. Araştırmada kullanılan kriyojeller, araştırma grubumuz tarafından önceden mekanik ve morfolojik özellikleri belirlenmiş malzemelerdir. Önceden belirlenmiş mekanik ve morfolojik karakterleri göz önüne alınan bu kriyojellerin kantitatif sonuçları MTT hücre canlılığı tespit testi ile elde edilmiştir. Kriyojellere ait kalitatif izlenimler ise Lazer Taramalı Konfokal Mikroskopi (LCSM) tekniği ile edinilmiştir. Hücre iskelelerindeki hücre canlılığını kanıtlayan bu teknikle elde edilen görüntüler hücre iskelesinin çeşitli derinliklerinden alınıp üst üste istiflenmesi ile elde edilmiş, kompozit görüntülerdir. Bütün hücre kültürü içeren çalışmalarda normal insan deri fibroblast (NHDF) hücre hattı kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan hücre iskeleleri arasında hücre canlılığı- ile gözenek boyutu, yüzey alanı, çeper kalınlığı ilişkisini gözlemleyebileceğimiz iki tür malzeme bulunmaktadır. Farklı ipek-fibroin derişimlerinde sentezlenen SN kriyojelleri serisinde, artan ipek-fibroin derişimine bağlı olarak düşen gözenek boyutu ve gözeneklilik, çeper kalınlığında ise artış gözlemlenmiştir. Diğer kriyojel serisi ise, ipek-fibroin derişimi artışı ilk ağyapı olan SN'e yeni ağyapıların gömülmesi ile elde edilen DN ve TN kriyojel serisidir. Bu seriye dahil kriyojel örneklerinde gözlemlenen en önemli özellik, çeper kalınlığının artmamasıdır. Bu özellik SN kriyojelin sahip olduğu büyük gözenekler içerisinde, yeni ağyapıların eklenmesiyle meydana gelen, "ikinci nesil gözenekler" olarak adlandırılan, yeni küçük gözeneklerin oluşmasındandır. Ayrıca, çeper kalınlığı artmaksızın oluşan bu ikinci nesil gözenekler sayesinde hücre tutunması için yüzey alanı oldukça artmaktadır. Hem SN kriyojellerin, hem de ikinci nesil gözeneklere sahip DN ve TN kriyojellerin ortak ve önemli özelliği ise, biyomedikal uygulamalarda büyük önem taşıyacak olan içten birbiri ile bağlantılı gözenek yapısına sahip olmalarıdır. MTT hücre canlılığı tespit testi sonuçları %90 ve %75 gözeneklilik oranına sahip kriyojellerde hücre canlılığının daha iyi olduğunu göstermiştir. Bu sonu. literatür ile uyumludur. Ayrıca sonuçlar hücre canlılığı oranlarının kriyojellerin sahip olduğu ipek-fibroin derişiminden bağımsız olduğunu göstermiştir. Normal insan deri fibroblast hücresinin büyütülmesi için gerekli hücre iskelesinin gözenek boyutu literatürde 5-15μm olarak belirtilmesine rağmen, Bu çalışmada incelenen SN-4 (33μm) ve DN-4/29 (3,4μm) kodlu kriyojellerde, 3., 7. ve 10. günlerde, %50'nin oldukça üzerinde iyi hücre canlılığı gözlemlenmiştir. Değerlerin %50'nin üzerinde olması kriyojellerin akut toksititeye sebep olmadığının kanıtıdır. Lazer Taramalı Konfokal Mikroskopi yöntemi ile SN-4 (33μm) ve TN-4/7/20 (4,3μm) kriyojelleri için alınan kompozit görüntüler ile de kantitatif hücre canlılığı testi sonuçları doğrulanmıştır. TN-4/7/20 kodlu kriyojelde gözlemlenen iyi seviyedeki hücre canlılığının bu malzemenin iç yapısında oluşan ikinci nesil gözenekler ile sağlandığı tespit edilmiştir. Görüntülerde hücre çekirdeği ve aktin filamentleri sırasıyla mavi ve kırmızı renklerde net olarak gözlemlenmiştir. Bu gözlem de sağlıklı bir sonuç alındığını kanıtlamıştır. SN, DN ve TN ipek- fibroin kriyojelleri ile yapılan çalışma sonucunda bütün malzemelerin iyi derecede hücre canlılığı gösterdiği, ancak DN ve TN kriyojellerin yapılarındaki ikinci nesil gözenekler yardımı ile küçük gözenek boyutlarına rağmen beklenenin ötesinde iyi hücre canlılığı oranları gösterdiği belirlenmiştir. Bu sebeple, SN kriyojellerin yanı sıra özellikle DN ve TN kriyojellerin ikinci nesil gözenekleri ve üstün mekanik dayanım özellikleri yardımı ile yük dayanımı gerektiren ön-yapım hücre iskelesi uygulamalarında kullanılabilecek uygun malzeme adayları olduğu görülmüştür. Bu tez çalışmasının ikinci kısmında ise çok segmentli hibrit hidrojeller incelenmiştir. Çalışma dahilinde sentezlenip incelenen çok segmentli hibrit hidrojeller, iki ya da üç adet kendi içerisinde farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip segmentlerin bir arada olduğu tek bir hibrit hidrojel yapısıdır ve bu hidrojeller, mekanik karakterizasyona tabi tutulmuştur. Genel anlamı ile "hibrit" tabiri iki farklı elamanı yeni bir karakter elde etmek için yapısında birleştiren, yapısında bulunan elementlerin karışık bir karakterini sergileyen her hangi bir şeydir. Hidrojel çalışmalarında genel kullanımına göre ise fiziksel ya da kimyasal iki bileşeni bünyesinde toplayarak, içeriğindeki bileşenlerden farklı bir karakter sergileyen malzemedir. Kimyasal anlamda doğal ve sentetik, kimyasal ve fiziksel gibi farklı özelliklerin hibriti oluşturabilir. Fiziksel anlamda ise, malzemeden beklenen performansın sergilenebilmesi için, izotropi ve anizotropi, amorfluk ve yarı-kristalin yapı gibi özelliklerin bir araya getirilmesinden doğan yeni bir hidrojel karakteri olabilir. Biyolojik dokular genellikle anizotropik, homojen olmayan, çok fazlı, yumuşak ve sert dokuların oldukça tok bir arayüz ile birbirine kenetlendiği yapılardır. Bazı önemli örnekleri, intervertebral disk (IVD), kemik, ligament ve tendon olarak sıralanabilir. Hidrojeller de, yapılarında su ya da vücut sıvısı gibi sulu-çözeltileri hapsedebilme özellikleri ile biyoloji dokulara oldukça benzer özellikler gösteren malzemelerdir. Son zamanlarda, kimyasal çapraz bağlı geleneksel hidrojellerin sahip olduğu kırılgan yapı dezavantajı, yapılan pek çok çalışma ile aşılmaya çalışılmış ve oldukça iyi örnekleri rapor edilmiştir. Ancak bu hidrojel çalışmalarının çoğu izotropik karakterli malzemeleri sunmuştur. Bu çalışmada ilk defa, anizotropik çok segmentli hidrojeller, segmentleri oluşturan monomer çözeltilerinin yoğunluk farkı katmanlaştırması/stratifikasyonu yöntemi ile bir araya getirilmiş ve tek basamaklı, UV-tetikleyicili kütle polimerizasyonu metodu ile sentezlenmiştir. Yoğunluk farkı ile katmanlaştırma yöntemi yardımı ile çok segmentli hibrit hidrojel yaklaşımı çok çeşitli monomerler için uygulanabilir, uygun bir yöntem olarak sunulbilmektedir. Bu yöntem ile yap-boz parçaları birleştirir gibi, kimyasal ya da fiziksel olarak istenen özellikteki bileşenler bir araya getirilebilir ve anizotropik çok segmentli hibrit hidrojeller elde edilebilir. Ayrıca, bu çalışmada kullanılan polimerlerin biyouyumlu oldukları bilindiği için, malzemenin olası biyo-uyumlu malzemeler olduğu söylenebilmektedir. Çalışma dahilinde sentezlenen çok segmentli hibrit hidrojellerin segmentleri, bir hidrofilik ve bir ya da iki hidrofobik monomer içermektedir. Kullanılan hidrofilik monomerler N-dimetil akrilamid (DMA) veya akrilik asit (AAc)'dir. Hidrofobik monomerler ise oktadesil akrilat (C18A), stearil metakrilat (C17.3M) ve lauril metakrilat (C12M)'dır. Farklı uzunlukta alkil yan zincirlerine sahip hidrofobik monomerler sayesinde hidrojellerde supramoleküler ve yarı-kristalin yapı sağlanmıştır. Yapıdaki hidrofilik ve hidrofobik monomerlerin değiştirilmesi ya da derişimlerinin değiştirilmesi yoluyla, hidrojellerin termal ve mekanik özellikleri istenilen şekilde ayarlanabilmektedir. İncelemeler sonucunda elde edilen sonuçlara göre, iki segmentli hibrit hidrojeller, yüksek modül (0,46-74 MPa) ve çekme dayanımı (0,19-3,9 MPa) göstermektedir. Basma dayanımı testlerinde ise 24-30 MPa yüke %78-83 gerinim ile dayanım gösterdikleri belirlenmiştir. Üç segmentli hibrit hidrojellerinde yüksek modül (89-118 MPa) ve %50-75 gerinim oranı aralığında 3,6-4,6 MPa çekme dayanımı sergilediği bulunmuştur. Bu özelliklerin IVD'nin mekanik dayanım özelliklerini karşılayabilecek sınırlarda olduğu belirlenmiştir. Çok segmentli hidrojellerin bir ya da iki segment zarar gördüğünde, hidrojellerin kendilerini erime sıcaklığı (Te) üzerinde bir sıcaklıkta onarabildiği görülmüştür. Hidrojellerin arayüzünü taklit etmesi için ayrıca sentezlenen hidrojeller üzerinde yapılan çalışmaya göre, arayüzler de kendilerini onarma özelliğine sahiptirler. Kendini onarma özelliği yanında, çok segmentli hibrit hidrojeller psödö/sözde üçlü- ve çoklu- şekil hafıza özelliği sergilemektedirler. Şekil hafıza yeteneği de bu hibritlerin segmentlerinde var olan yarı-kristalin yapıdan kaynaklanmaktadır. Örneğin, iki segmentli H2-2 olarak kodlanmış hidrojel örneği: bir segmenti amorf, diğer segmenti yarı-kristalin bölge içeren bir hidrojeldir. Yarı-kristalin yapıdaki segment kendi özelinde ikili-şekil hafıza özelliği göstermektedir. Amorf kısım bir Te sıcaklığı göstermediği için şekil hafıza özelliği göstermemektedir (ancak supramoleküler yapısı dahilindeki hidrofobik etkileşimler sayesinde kendini onarma özelliği göstermektedir). Dolayısı ile H2-2 hidrojeli ikili şekil hafıza özelliği göstermektedir. Ancak örneğin, H2-2 hidrojeli her iki segmenti yarı-kristalin yapıda olduğu için ancak geçici şekiller bölgesel olarak segmentlerde sergilenip, malzeme bütününde yaygın olmadığı için psödö/sözde üçlü-şekil hafıza özelliği göstermektedir. Benzer şekilde üç segmentli H3-2 hidrojeli yapısındaki her üç yarı-kristalin bölgeye sahip segment yardımı ile psödö/sözde çoklu-şekil hafıza özelliği sergilemektedir. H3-1 hidrojeli örneğinde ise, her üç segment yarı-kristalin bölgeye sahiptir. Ancak iki uç segmentin Te sıcaklığı birbirine çok yakın, orta segmentin Te sıcaklığı diğerlerinde belirgin şekilde farklı olduğu için bu hidrojel örneği psödö/sözde üçlü- şekil hafıza özelliği göstermektedir. Bu çalışmada sergilenen sentetik yöntem ile beklentilere uygun çok segmentli hibrit hidrojellerin kendini onarma ve çoklu-şekil hafıza gibi üstün özelliklerle sentezlenebildiği gösterilmiştir. Yöntem segmentlerin gerekli mekanik ve termal özelliklerde ayarlanabileceği ve istenen dizilimle bir araya getirilebileceğini göstermiştir. Çalışmada hazırlanan hidrojeller yüksek yük dayanımı gerektiren biyomedikal uygulamalar için uygun birer adaydır. Çalışmadan edinilen genel çıkarım ise, jel sentezinde kimyasal kompozisyon kadar, malzeme mimarisini değiştiren sentez tasarımlarının da büyük önem taşıdığıdır. Aynı kimyasal kompozisyon ve derişimlerdeki malzemelerin sentezde kullanılacak yeni bir tasarımla yepyeni ve daha gelişmiş özellikler sergileyebileceği bu çalışma dahilinde gösterilmiştir.