İpek Fibroin Kriyojellerinin Sentezi Ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Bombyx mori ipek böceğinden elde edilen fibroin, lif yapısında bir protein olup üstün malzeme özelliklerinin yanı sıra biyouyumluluğu, biyobozunurluğu, yüksek derecede dayanıklı ve tok oluşu, kolaylıkla işlenebilirliği ile öne çıkan bir malzemedir [61-63]. İpek fibroin popüler olarak tekstil endüstrisinin yanında hücre kültürü, yara örtüsü, ilaç salınımı, enzim immobilizasyonu ve kemik hücre mühendisliğinde iskelet olarak kullanım alanı bulmaktadır. Bu çalışmanın amacı amacı mekanik olarak dayanıklı, dışarıdan gelen uyarılara hızlı cevap verebilen kemik hücre mühendisliğinde kullanıma uygun makrogözenekli ipek fibroin iskeletlerinin sentezlenmesidir. Bunun için literatürde ilk defa olarak fibroin moleküllerinin kriyojelleşme yani düşük sıcaklık jelleşme yöntemi uygulanarak -18oC sıcaklıkta donmuş sulu çözeltilerinde çapraz bağlanması sağlanmıştır. Kriyojelleşme tekniğinde; jelleşme reaksiyonları, reaksiyon sisteminin donma noktasının altında ilerlediği için ortamdaki çözücü kristalleri kalıp etkisi yaparak gözenekli bir yapının oluşmasını sağlamış ve böylece makrogözenekli fibroin iskeletleri elde edilebilmiştir. Sentezler suda çözünmüş fibroin molekülerinin 1,4 bütandioldiglisidileter çapraz bağlayıcısı ile N,N,N’,N’ tetrametiletilendiamin (TEMED) katalizörlüğünde -18oC’de gerçekleştirilmiştir. Kriyojelleşme tekniği ile elde edilen, % 4,2 ipek fibroin konsantrasyonunda elde edilen makrogözenekli fibroin iskeletlerinin modülünün yaklaşık 8 MPa ve TEMED konsantrasyonundan bağımsız olduğu görülmüştür. Bu değer literatürde verilen en yüksek değerin (3 MPa) oldukça üzerinde olup kriyojelleşme tekniğinin üstünlüğünü ortaya koymaktadır. Elde edilen bu jellerin düzenli gözenek yapısına sahip olduğu görülmüş ve gözenek çapı yaklaşık 33 µm olarak ölçülmüştür. İpek fibroin konsantrasyonu arrtıkça gözeneklerin boyutunun 10 µm’ye kadar azaldığı ve mekanik dayanıklılığının arttığı görülmüştür. Elde edilen ipek fibroin iskeletlerinin, üstün mekanik özellikler göstermesi nedeniyle kemik doku mühendisliğinde kullanılabileceği düşünülmektedir.

Silk fibroin derived from Bombyx mori is a fibrous protein exhibiting extraordinary material properties such as good biocompatibility, biodegradability, high strength and toughness, and ease of processability. Silk fibroin has been used for cell culture, wound dressing, drug delivery, enzyme immobilization, and as a scaffold for bone tissue engineering. Silk fibroin cryogels with remarkable properties were obtained from semi-frozen fibroin solutions (4.2 – 12.6 w/v %) at subzero temperatures between -5 and -22oC. This was achieved by the addition of ethylene glycol diglycidyl ether (EGDE) into the cryogelation system. EGDE triggers the conformational transition of fibroin from random coil to -sheet structure and hence fibroin gelation. Fibroin cryogels are very tough and can be compressed up to about 100% strain without any crack development, during which the total water inside the cryogel is removed. The compressed cryogel immediately swells during unloading to recover its original shape. The scaffolds obtained by freeze-drying of the cryogels consist of regular, interconnected pores of diameters ranging from 50 to 10 m, depending on the synthesis parameters. The mechanical compressive strength and the modulus of the scaffolds increase with decreasing pore diameter, i.e., with a decrease in the gelation temperature or, with an increase of fibroin or EGDE concentrations at gelation. The scaffolds produced at 12.6 % fibroin exhibit a very high compressive modulus (50 MPa) making them good candidates as bone scaffold materials.