Kemik doku mühendisliği için gözenekli yapı tasarımı - Şenaysoy, Safa; Lekesiz, Hüseyin; Bursa Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı (Bursa, 2025)
Doku mühendisliği yaklaşımı, konvansiyonel rejenerasyon cerrahisinin ciddi dezavantajları nedeniyle son yıllarda giderek artan bir öneme sahip olmuştur. Bu yaklaşımda, laboratuvar ortamında çoğaltılan hücreler, vücut içinde zamanla eriyen bir doku iskelesi üzerine ekilmekte ve doku oluşumunun ardından bu yapı hastaya implante edilmektedir. Ancak özellikle kemik dokunun iskele üzerindeki büyüme davranışı tam olarak modellenebilmiş değildir. Kemik doku rejenerasyonu, mekanobiyolojik bir süreçtir. Buna karşın, bu alanda yapılan çalışmaların çoğunda biyolojik süreçlere odaklanılmış; mekanik yükün etkisi yalnızca deneysel olarak bilinen bir faktör şeklinde ele alınmıştır. Doku iskelelerinden beklenen, yeterli mekanik dayanım sağlarken, besin ve atık difüzyonuna olanak tanıyacak kadar gözenekli olması, biyouyumluluk ve biyobozunabilirlik gibi temel özellikleri karşılamasıdır. Bu özelliklerin tasarım sürecinde eş zamanlı olarak değerlendirilmesi, ideal doku iskelesi tasarımını oldukça karmaşık hale getirmektedir. Bu tez çalışmasında, farklı gözenek geometrileri ve oranlarının doku iskelelerinin biyobozunma davranışı ve kemik rejenerasyonu üzerindeki etkileri mekanik yük altında incelenmiştir. Çalışmada üç farklı gözenek geometrisine sahip doku iskelesi tasarlanmıştır: 1.Basit Küp (BC): Yalnızca yatay ve dikey çubuklardan oluşan yapı, 2.Hacim Merkezli Yapı (BCS): Yalnızca açılı çubuklardan oluşan yapı, 3.Hacim Merkezli Kübik (BCC): Hem yatay-dikey hem de açılı çubuklardan oluşan yapı. Ayrıca, çubuk kesit ölçüleri değiştirilerek %50, %62,5 ve %75 gözenek oranlarına uygun tasarımlar gerçekleştirilmiştir. Bu sayede, kemik rejenerasyonunu etkileyen farklı rijitlik, spesifik yüzey alanı ve spesifik enerji emilimi değerlerine sahip doku iskeleleri elde edilmiştir. Deneysel ve sonlu elemanlar analizleri sonucunda, BC doku iskelelerinin tüm gözenek oranlarında en yüksek rijitlik değerine sahip olduğu belirlenmiştir. En yüksek spesifik yüzey alanı değeri %75 gözenek oranına sahip BCC doku iskelesinde, en yüksek spesifik enerji emilimi ise %75 gözenek oranına sahip BCS doku iskelesinde elde edilmiştir. Biyobozunma davranışını değerlendirmek için iki farklı nümerik model kullanılmış ve biyobozunma deneyleri 15, 30, 60, 90 ve 120 gün süreyle 4 N mekanik yük altında gerçekleştirilmiştir. Birinci dereceden kinetik model biyobozunmanın ikinci aşamasını, difüzyon esaslı model ise biyobozunmanın ilk aşamasını temsil etmektedir. Deneyler sonucunda mekanik yükün biyobozunma üzerinde etkisi olmadığı, doku iskelelerinin mekanik özelliklerinde ve ağırlıklarında anlamlı bir değişim gözlenmediği belirlenmiştir. En yüksek su emilimi, 60. günde BCC doku iskelesinde gözlemlenmiş ve bu durum hücre ekimi ve tutunması açısından BCC doku iskelelerini avantajlı kılmıştır. In vitro çalışmalar kapsamında, %50 ve %75 gözenek oranlarına sahip doku iskelelerinde 2 N mekanik yük altında hücre canlılığı ve ALP enzim aktivitesi analizleri gerçekleştirilmiştir. %50 gözenek oranına sahip BCC doku iskelesine uygulanan mekanik yük, hücre canlılığını 18 kat artırırken, %75 gözenek oranına sahip BCS doku iskelesinde bu artış 6 kat olarak ölçülmüştür. Ancak BC doku iskelelerinde mekanik yükün canlılık üzerine etkisi bulunmamıştır. ALP enzim aktivitesi analizlerinde mekanik yükün etkisi gözlenmemiştir. Mineralizasyon ve mikro-BT analizleri, %50 ve %75 gözenek oranlarına sahip BCS ve BCC doku iskelelerinde 1 N ve 2 N mekanik yük etkisi altında gerçekleştirilmiştir. En yüksek mineralizasyon, 2 N mekanik yük altında %75 gözenek oranına sahip BCC doku iskelesinde elde edilmiştir. Mikro-BT taramalarında ise en yüksek mineral miktarı, aynı yük altında %75 gözenek oranına sahip BCS doku iskelesinde gözlemlenmiştir. Kemik rejenerasyonu açısından mekanik yükün, spesifik yüzey alanının ve spesifik enerji emilimi değerlerinin önemli etkileri olduğu in vitro analizlerle doğrulanmıştır. Ayrıca, farklı tasarım parametrelerinin etkilerini nümerik olarak değerlendirmek amacıyla in silico bir model geliştirilmiştir. Bu model, sonlu elemanlar yöntemine dayanmakta ve kemik yapılanma modeli için elemanlardaki şekil değiştirme enerjisi yoğunluğunu temel almaktadır. Modelde kullanılan katsayılar, mineralizasyon ve mikro-BT analizlerinden elde edilen normalize sonuçlarla belirlenmiş ve in vitro analiz sonuçlarıyla uyumlu hale getirilmiştir. Böylelikle in silico modelde kemik dokusunun gelişimi modellenebilmiştir. Sonuç olarak, farklı tasarım parametrelerine sahip doku iskelesi tasarımları, mekanik dayanım, biyobozunma, in vitro ve in silico analizlerle değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar spesifik yüzey alanı ve spesifik enerji emilimi değerlerinin doku iskelesi uygulamalarında başarının sağlanmasında kritik öneme sahip olduğu belirlenmiştir.
Tez (Doktora) -Bursa Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü,2025
Kaynakça : 103-110 sayfa
Keywords: Kemik dokusu; Doku iskelesi