Applications of bacterial cellulose in hard tissue engineering

Abstract

Bakteriyel selüloz, kimyasal yapısı sayesinde doku mühendisliği çalışmaları için ideal bir biyomalzeme sunmaktadır. Doğal olarak sentezlenebilmesi, onarım gerektiren bölgelerde ihtiyaç duyulan doğal biyomalzeme sorununu ortadan kaldırmaktadır. İnsan vücudunun fizyolojisinde, sert dokuların anatomik ve biyokimyasal aktivitelerin sürekliliği için kritik öneme sahip olması, bu dokuların tedavi gereksinimini vurgulamaktadır. Sert dokularda meydana gelen hasarların nedenleri her zaman belirli değildir, bu nedenle teşhis edilen sorunların kaynağına göre tedavi yaklaşımı gereklidir. Kemik ve kıkırdak dokuları, birçok hastalık ve travma nedeniyle zarar görebilmektedir. Bu hastalıklardan biri olan artrit, birçok insanın sağlığını olumsuz etkilemektedir ve mevcut tedaviler genellikle yetersiz ve maliyetlidir. Bu noktada, uygun doku mühendisliği yaklaşımları ve yerli malzeme kullanımı ile daha uygun fiyatlı iskeleler üreterek hasta sağlığı geri kazanılabilir. Sert dokuların onarımında tercih edilen yöntemler arasında 3D baskı teknikleri önde gelmekte ve geliştirilebilirlik ile fonksinelleştirmeye olanak sağlamaktadır. Bu teknikler arasında elektro-eğirme teknolojisi kullanılarak tek seferde büyük ölçekli üretim ve istenilen por boyutuna ulaşmak mümkündür. Ayrıca, istenilen tasarımı elde edebilmek için birden fazla teknik kullanılarak fonksiyonel yapılar oluşturulabilir. Tasarımın hastadan hastaya ve bölgeden bölgeye farklı boyutlarda ve kalınlıklarda olması gerektiğinden, esnek bir tasarım tercih edilmiştir. Üretim sonunda yapılan karakterizasyon ve optimizasyon işlemleri ile istenilen sonucun değerlendirilmesi sağlanmıştır. Karakterizasyon çalışmaları için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile morfolojik özellikler, Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektrometre ile moleküler yapı, çekme cihazı ile mekanik dayanım, şişme ve degradasyon testleri ile canlı dokudaki davranışlar incelenmiştir. Ayrıca, tedavi için ilaç yüklemesi yapılan iskelelerin salım grafikleri incelenerek S. aureus'a karşı antimikrobiyal etkisi gözlemlenmiştir. Canlı dokulardaki olası sitotoksisite ve hücre canlılığının gözlemlenmesi için hücre kültürü çalışması in vitro olarak yapılmıştır. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, kemik doku mühendisliğinde kullanılmak üzere yenilikçi bir yaklaşımla farklı katmanlara sahip doku iskeleti imalatı gerçekleştirilmiştir.Bacterial cellulose offers an ideal biomaterial for tissue engineering studies thanks to its chemical structure. The fact that it can be synthesized naturally eliminates the problem of natural biomaterials needed in areas requiring repair. In the physiology of the human body, the critical importance of hard tissues for the continuity of anatomical and biochemical activities emphasises the need for treatment of these tissues. The causes of damage to hard tissues are not always clear, therefore a treatment approach is required according to the source of the diagnosed problem. Bone and cartilage tissues can be damaged by many diseases and traumas. Arthritis, one of these diseases, adversely affects the health of many peo-ple and current treatments are often inadequate and cost-effective. At this point, patient health can be restored by producing more affordable scaffolds with appropriate tissue engi-neering approaches and the use of domestic materials. Among the preferred methods for the repair of hard tissues, 3D printing techniques are at the forefront, enabling enhancement and functionalization. Among these techniques, it is possible to achieve large-scale production and the desired pore size in one go using electron-spinning technology. In addition, func-tional structures can be created by using more than one technique to achieve the desired design. Since the design needs to be of different sizes and thicknesses from patient to patient and from region to region, a flexible design was preferred. At the end of the production, the desired result was evaluated by characterization, and optimization processes. For characterization studies, morphological properties were examined by scanning electron microscopy (SEM), molecular structure by Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometer, mechanical strength by tensile device, swelling and degradation tests and behaviour in living tissue. In addition, the antimicrobial effect against S. aureus was observed by examining the release graphs of the scaffolds loaded with drugs for treatment. Cell culture studies were performed in vitro to observe possible cytotoxicity and cell viability in living tissues. As a result, in this thesis, a tissue scaffolds with different layers were fabricated with an innovative approach for use in bone tissue engineering.