Yumuşak doku mühendisliği uygulamaları için 3 boyutlu yazıcı teknolojisiyle polimer kompozit üretimi ve karakterizasyonu - Terzi, Emine Büşra (My University, 2025)
Doku mühendisliği, yeni dokuların oluşmasını takip eden hücre yapışması, çoğalması sürecini uygun 3 boyutlu mikro ortamına adapte ederek hasarlı dokuların yenilenmesi ve yeniden yapılandırılmasını incelemektedir. Bu alanda birçok sentetik, doğal, inorganik, organik malzemeler kullanılarak doğal hücre dışı yapıyı taklit eden yapay biyomalzemeler çeşitli metodlarla üretilmektedir. Bu çeşitli metodlar ile üretilen yapay biyomalzemeler arasında üç boyutlu yazıcı yöntemleri kullanılarak üretilen yara örtüleri çalışmaları bulunmaktadır. 3 boyutlu yazıcı yöntemleriyle üretilen yara örtüleri çalışmalarında kullanılacak olan biyomalzemelerin toksik olmayan, biyolojik olarak uyumlu, biyolojik olarak parçalanabilen, uygun mekanik ve termal özelliklere sahip olmasıyla birlikle kullanılacak üretim yöntemine uygun özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada farklı karışım oranlarında Sodyum aljinata ek olarak kullanılacak Polivinil alkol ve Xanthan Gum polimerlerinin, üç boyutlu yazıcı teknolojisi ile üretilen kompozit biyomalzemenin mekanik, termal ve biyolojik özelliklerine olan etkileri incelenecektir. Sodyum aljinat (SA) toksik olmayan, biyolojik olarak uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilen doğal bir polimerdir. İyi basılabilirliğe sahiptir. Doku mühendisliği alanlarında üç boyutlu (3D) baskı için oluşturulan karışımlarda sıklıkla kullanılmasının nedeni budur. Fakat, saf SA hidrojel kararsız mekanik özelliklere sahiptir. Yara örtüsü iskelesinde kullanılacak sodyum aljinatın mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için polivinil alkol polimeri katkı olarak kullanılacaktır. PVA bazlı hidrojeller; hidrojen bağı oluşturmak üzere kolayca uyarılabilen birden fazla hidroksil grubu içermekle birlikte düşük maliyet, düşük toksisite, yüksek mekanik mukavemet, mükemmel biyouyumluluk ve kimyasal stabilite özelliklerine sahip olmakla birlikte diğer taraftan mekanik olarak yeterince esnek değildir ve sıklıkla kırılganlık gösterir. Bu nedenle PVA, hidrojellerin gerekli özelliklere sahip olması için sıklıkla diğer polimerlerle kombinasyon halinde kullanılır. XG, hidroksil, karboksil ve diğer fonksiyonel gruplar açısından zengindir ve bu onu PVA ile etkileşime girme yeteneğine sahip bir polimer haline getirirken aynı zamanda biyolojik olarak da uyumludur. Buna ek olarak XG polimeri, negatif yüklü karboksil grupları sayesinde inflamatuar yanıtlarda yüksek azalmalar oluşturabilme ve fibroblast yapışmasında etkili olarak bakteri üremesini inhibe etme özelliklerine sahiptir. İyi basılabilirlik için sodyum aljinat, mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için polivinil alkol, esneklik, iyi yapışma ve hücre canlılığı için ise xanthan gum polimerlerinin farklı oranlardaki kombinasyonlarının 3D yazıcı yöntemiyle üretilmesi ve çeşitli metodlarla analiz edilmesi amaçlanmıştır. Bu tez çalışmasında, 3 boyutlu yazıcı yöntemi kullanılarak sodyum aljinat, polivinil alkol ve xanthan gum polimerlerinin çeşitli oranlardaki kombinasyonları üretilmiş ve bir dizi karakterizasyon yöntemleriyle analiz edilmiştir. Üretilen kompozit numunelerinin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için UTM (Universal Test Makinesi), termal özelliklerinin belirlenmesi için DSC (Diferansiyel Taramalı Kalorimetre), iskelelerin yapısındaki bağların analiz edilmesi için FTIR (Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi), üretilen iskelelerin biyolojik uyumluluğunu test etmek için in vitro sitotoksisite, malzemenin hidrofilik özellikleri için şişme–degradasyon, morfolojik özelliklerinin analiz edilmesi için ise SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) yöntemleri kullanılmıştır.

Tissue engineering focuses on restoring and reconstructing damaged tissues by creating a suitable three-dimensional (3D) microenvironment that supports cell adhesion and proliferation during tissue formation. In this context, artificial biomaterials that emulate the natural extracellular matrix are developed through various techniques using a wide range of synthetic, natural, organic, and inorganic materials. Among these, wound dressing scaffolds fabricated via 3D printing techniques have garnered significant attention. Biomaterials selected for 3D-printed wound dressing applications must possess non-toxic, biocompatible, and biodegradable properties, along with suitable mechanical and thermal characteristics that align with the chosen production technique. In this study, polyvinyl alcohol (PVA) and xanthan gum (XG) are evaluated as complementary materials to sodium alginate (SA) to enhance the mechanical, thermal, and biological performance of the composite hydrogel scaffolds fabricated by 3D printing. Sodium alginate is a natural, biodegradable polymer well-known for its non-toxic and biocompatible structure, and it demonstrates favorable printability. These qualities make it a widely used material in 3D bioprinting for tissue engineering. However, SA hydrogels alone suffer from insufficient mechanical strength. To address this limitation, PVA is introduced to strengthen the mechanical integrity of SA-based scaffolds. While PVA contains multiple hydroxyl groups that facilitate hydrogen bonding and is recognized for its affordability, low toxicity, strong mechanical properties, high biocompatibility, and chemical stability, it often lacks adequate elasticity and may become brittle. Therefore, it is commonly blended with other polymers to achieve the desired flexibility and functionality. Xanthan gum, abundant in functional groups such as hydroxyl and carboxyl, is a biocompatible polymer capable of interacting effectively with PVA. Furthermore, due to its negatively charged carboxyl groups, XG can significantly reduce inflammatory responses and hinder bacterial proliferation by promoting fibroblast adhesion. This study aims to formulate and evaluate various combinations of SA (for enhanced printability), PVA (for improved mechanical performance), and XG (for better flexibility, cell adhesion, and viability) using 3D printing technology. Throughout the thesis, different blend ratios of sodium alginate, polyvinyl alcohol, and xanthan gum were fabricated via 3D printing. These compositions were crosslinked and subjected to a range of characterization methods to determine the most suitable formulation. Mechanical behavior was assessed using a Universal Testing Machine (UTM), thermal properties were analyzed with Differential Scanning Calorimetry (DSC), chemical bonding was examined through Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and biological compatibility was evaluated via in vitro cytotoxicity tests. Additionally, the hydrophilic nature of the materials was investigated using swelling and degradation analyses, while Scanning Electron Microscopy (SEM) was employed to study their surface morphology.
Keywords: 3 Boyutlu Yazıcı Teknolojisi; 3D Printing Technology; Doku mühendisliği; Metallurgy and materials engineering; Metalurji ve malzeme mühendisliği; Polivinil Alkol; Polyvinyl Alcohol; Sodium Alginate; Sodyum Aljinat; Soft Tissue Engineering; Three-dimensional printing; Tissue engineering; Üç boyutlu baskı; Xanthan Gum; Xanthan Gum Tissue Engineering; Yumuşak Doku Mühendisliği