Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi

Abstract

Nanoteknoloji, maddenin nano ölçekte, genel olarak 1 ila 100 nanometre arasında değişen boyutta malzeme içeren çok disiplinli bir alandır. Nano ölçekli malzeme ve yapıların sergilediği benzersiz özellikleri anlamak ve kullanmak için çeşitli bilimsel, mühendislik ve teknolojik yaklaşımları kapsamaktadır. Nanoteknoloji sürekli araştırma ve geliştirme çabaları ile hızla gelişen bir alandır. Son yıllarda yapılan yeni çalışmalarla yeni malzemeler ve üretim teknikleri geliştirilmektedir. Bu alanlara örnek olarak nanotıp, nanoelektronik, nanofotonik, enerji dönüşümü için nanomalzemeler ve nanosensörler verilebilmektedir. Nanoteknolojinin önemli alanlarından biri olan nanotıp uygulamalarından biri de doku mühendisliğidir. Doku mühendisliğine bağlı alt araştırma alanlarından biri olan kas doku sistemlerinde hücre yapışmasını ve gelişmesini desteklemek amacıyla nanokompozit biyouyumlu yapılar geliştirilmektedir. Genel olarak, nanoteknoloji, bilim ve teknolojide yeni sınırların kilidini açarak nano ölçekte maddeyi değiştirmek ve tasarlamak için imkanlar ortaya çıkarmaktadır. Nanokompozit, matris kısmında genellikle bir polimer ve nano ölçekli dolgu maddeleri veya katkı maddelerinden oluşan bir malzemedir. Dolgu maddeleri nanoparçacıklar, nanolifler veya diğer nanoyapılar olabilir. Nanokompozitler, nano ölçekli malzemelerin dahil edilmesi nedeniyle benzersiz özellikler ve performans özellikleri sunabilmektedir. Nanokompozit malzemeler, doku mühendisliği uygulamalarında kullanıldığında çeşitli avantajlar sunmaktadır. Nanokompozitler, gelişmiş mekanik özelliklere sahiptirler. Nanotanecikler veya nanolifler gibi nano dolgu maddelerinin dahil edilmesiyle, kompozitin mukavemeti ve sertliği arttırılabilmektedir. Bu, iskelelerin fizyolojik kuvvetlere dayanması ve büyüyen dokuya mekanik destek sağlaması açısından özellikle önemlidir. Bunun yanında bozunma hızı ve salım profilleri, doğal doku rejenerasyon süreçleriyle uyumlu olacak şekilde uyarlanabilir olmaları orijinal dokuya yakın alternatif olmalarını sağlamaktadır. Üretilen malzemenin yüksek yüzey alanı-hacim oranı, hücreler ve biyomoleküller ile etkileşimleri gelişmektedir. Yüzey modifikasyonları, hücre yapışmasını teşvik edebilir, hücresel davranış ve doku entegrasyonunu iyileştirebilmektedir. Ek olarak, biyoaktif molekülleri veya ilaçları kontrollü bir şekilde serbest bırakarak doku iyileşmesine ve yenilenmesine yardımcı olacak şekilde tasarlanabilirler. Üretilecek malzemede bu özellikler gözetilerek, mekanik dayanımı yüksek, biyobozunur, antimikrobiyal, hücre gelişimini destekleyen özellikleri geliştirilecek şekilde tasarlanabilmektedir. Bu konuda hazırlanacak nanokompozit malzemeler; PCL, TPU, PLA gibi sentetik ve kitosan, jelatin gibi doğal biyopolimerler ile çeşitli lif üretim yöntemleri kullanılarak genellikle nanolif matriks yapısında oluşturulabilmektedir. Kas dokuya destek için, oradaki dokuların yenilenebilmesi ve büyüyebilmesi için nanotanecikler gibi katkı maddeleriyle özellikleri iyileştirilebilir. Sentetik biyopolimer çeşidi olan termalpoliüretan (TPU) toksik olmaması, mekanik özelliklerinin iyi olması, biyouyumluluk ve biyolojik bozunabilirlik özelliklerinin getirdiği avantajlar sayesinde doku mühendisliği uygulamalarında kullanabilmektedir. Kas dokudan beklenen özelliklerin geliştirilmesi eklenecek katkı malzemeleriyle sağlanmaktadır. Yapılan çalışmaların incelenmesi sonucu bu çalışmada, kullanılması için çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT) ve bakır nanotanecikler (CuNP) hazırlanmıştır. Hazırlanan takviyelerle birlikte polimer kullanılarak elektrospining yöntemi ile bir nanolif membran oluşturulmuştur. Bakır nanotanecikler doğal antibakteriyel ve antimikrobiyal özelliklere sahiptir. Enfeksiyon riskinin endişe kaynağı olduğu bir kas doku mühendisliği bağlamında, nanokompozite bakır nanoparçacıkların dahil edilmesi, bakteriyel kolonizasyonun önlenmesine yardımcı olabilir ve implantasyon bölgesinde enfeksiyon olasılığını azaltabilir. Bunun yanında yüksek mukavemet ve sertlik gibi mükemmel mekanik özelliklere sahiptir. Bu malzemeleri nanokompozite ekleyerek, malzemenin genel mekanik mukavemeti ve tokluğu iyileştirilebilir. Nanokompozit iskelenin doğal kas dokusunun mekanik özelliklerini taklit etmek için yeterli yapısal desteği sağlaması gerekmektedir. Biyolojik özelliklerin geliştirilmesi de mekanik özellikler kadar önemlidir. Kas dokusu mühendisliğinde, tasarlanmış kas dokusuna oksijen, besinler ve diğer temel faktörlerin verilmesini kolaylaştırdığından anjiyogenezi teşvik etmek önemlidir. Nanokompozite bakır nanotaneciklerin dahil edilmesi, anjiyogenezin desteklenmesine katkıda bulunabilir ve tasarlanmış kas dokusunda damar gelişimine yardımcı olabilir. Bakır nanotanecikler, doku mühendisliği uygulamalarında faydalı olabilecek biyouyumluluk ve antienflamatuar özellikler göstermiştir. Nanokompozit iskelede bakır nanotaneciklerin varlığı, enflamasyonun azaltılmasına yardımcı olabilir ve iskele ile doku arasındaki entegrasyonu kolaylaştırarak uygun bir bağışıklık tepkisi oluşmasını destekleyebilmektedir. Aynı şekilde çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT), nanokompozitin genel mekanik özelliklerini önemli ölçüde artıran yüksek gerilme mukavemetine ve sertliğine sahiptir. Bu, yapı iskelesinin mekanik baskılar altında yapısal destek sağlaması gereken kas dokusu mühendisliği açısından ilk gerekliliktir. MWCNT'lerin dahil edilmesi, doğal mimariyi taklit ederek hücre bağlanması ve farklılaşması için daha biyomimetik bir ortam yaratır. MWCNT'ler aynı zamanda kas hücrelerinin hizalanması için fiziksel ipuçları görevi görebilmektedir. Uygun hizalama, geliştirilmiş kasılma özelliklerine sahip fonksiyonel kas dokusunun oluşmasına yol açar. MWCNT'lerin nanokompozit yapı iskelesine dahil edilmesi, kas hücrelerinin nanotüp yapıları boyunca hizalanmasını sağlayabilmektedir. Bakırda olduğu gibi MWCNT'ler, hücre yapışmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını teşvik ederek iyi biyouyumluluk ve biyoaktif özellikler göstermektedir ki bu da doku rejenerasyonunu desteklemektedir. Biyouyumluluk ve sitotoksisite gibi diğer önemli faktörlerden ödün vermeden istenen özellikleri elde etmek için nanokompozit iskele içindeki takviye malzemelerinin derişimini ve dağılımını optimize etmek gerekmektedir. Bu durumu kontrol altına tutmak için, bu çalışmada farklı derişimlerde çalışmış ve karakterizasyon analizleriyle ideal olan oran bulunmuştur. Elektrospinningle üretilecek nanolif yapısı için dimetilformamid ve tetrahidrafuran çözücü karışımı kullanılarak termo plastik poliüretan (TPU), çeşitli oranlarda Cu nanotaneciği (CuNP) ve MWCNT ile CuNP/MWCNT/TPU nanoliflerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen nanotaneciklerin ve nanoliflerin karakterizasyonu SEM, FTIR, XRD kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nanokompozit yapının antibakteriyel aktivitelerini incelemek için antimikrobiyal test yapılmıştır. TPU ile oluşturulan nanokompozit malzeme için belli bir zaman periyodunda bakır iyonu salım testleri uygulanmıştır. Nanokompozit lif yapılarında, ilk olarak farklı oranlarda katılarak hazırlanan MWCNT içeren nanoliflerin ortalama lif çaplarında MWCNT oranıyla küçülme ve CuNP ilavesinin artmasıyla ortalama lif çaplarında daha fazla azalma görülmüştür. Bu da daha hizalanmış ve daha ince nanolif yapılı ve sonuç olarak daha gözenekli bir malzeme oluşmasına imkan sağlamıştır. XRD analizine göre CuNP matris yapısına dahil olmuştur. Ayrıca, MWCNT ve CuNP içeren nanokompozit lif yapıların Escherichia coli ve Staphylococcus aureus bakterilerine karşı antibakteriyel özellik sağladığı ortaya çıkmıştır. Yapılan çalışmanın sonucunda elde edilen malzemenin kas doku mühendisliği uygulamaları için uygun olabileceği düşünülmektedir.