Improvement of inadequencies of small diameter artificial blood vessels

koroner kalp hastalığı, derin ven trombozu, akciğer embolisinin yer aldığı kalp ve damar hastalıkları gün geçtikçe artmakta ve bu durum teşhis ve tedavi olanaklarının geliştirilmesini gerekli ve zorunlu kılmaktadır. Bu hastalıkların tedavi seçenekleri arasında her ne kadar ilaç ile tedavi mevcut olsa da, çoğu hastalıkta, tıkalı veya zarar görmüş atar damarın cerrahi olarak onarımı veya değişimi olarak tanımlanan by-pass uygulamalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Hastanın vücudundan alınan otogrefler by-pass cerrahide öncelikli tercihtir. Ancak, önceden geçirilmiş olan rahatsızlıklar ve cerrahi mudahaleler hastada sağlıksız damar yapısının oluşmasına neden olduysa cerrahide yapay damar kullanımı zorunlu hale gelmektedir. Günümüzde büyük çaplı (>6 mm) damarların ihtiyacı, ticari genleştirilmiş politetrafloroetilen (e-PTFE), polietilen teraftalat (PET) ve poliüretan (PU) yapay damarların başarılı şekilde implantasyonu ile giderilebilmektedir. Ancak, küçük çaplı yapay damarların değişimi, bir çok kısıtlamayı beraberinde getirmektedir. Başlıca yetersizlikler, düşük kan pıhtılaşma direnci, yetersiz yapısal gözeneklilik, yetersiz radyal elastisite şeklinde olup, bunlar günümüzdeki küçük çaplı yapay damar uygulamalarındaki başarısızlıkların temel nedenleri arasındadır. Yapay damar tasarımı, tüm doku tasarımlarında da olduğu gibi, hedef dokuyu taklit edebildiği ölçüde başarılıdır. Bu nedenle, izlenecek tasarım esasları, gerçek damar yapısını esas almalı, onun yapısal, mekanik, biyolojik, topografik özellikleri ile örtüşmelidir. Bu bağlamda, üretilecek yapay damara ait tasarım kriterlerinin önceden belirlenmesi önem taşımaktadır. Tez kapsamında, konu bütünlüğü dikkate alınarak sıralanmış dört adet makale yer almaktadır. Her bir makale tezin ayrı bölümleri olarak verilmiş olup, literatüre alanında yenilikçi sonuçlar sunmaktadır. Tezin ilk makalesinde, elektrospinning yöntemi ile biyobozunur polimerlerden üretilen yapay damarlara ait tasarım bileşenlerine yer verilmiştir. Bu makale, gerçek damarın katmanlı yapısını, katmanların bileşenlerini ve hücre dağılımlarını, yapay damarlardan beklentileri, elektrospinning yönteminin genel çalışma prensibini ve yapay damar üretimindeki kullanımına dair bilgileri ve bunlara ek olarak, literatürdeki mevcut çalışmaların taranak öncelikli olarak belirlenen, lif çapı, gözeneklilik ve gözenek boyutu, lif oryantasyonu, yapay damar duvar kalınlığı ve malzeme seçimi gibi temel tasarım kriterlerini içermektedir. Bu makalenin amacı literatürdeki çalışmaları ham olarak özetlemek yerine özellikle son on yılda yoğunlaşan mevcut çalışmaların sonuçlarının detaylı ve kıyaslamalı olarak tartışılmasını sağlamaktır. Belirlenen kriterler ışığında, katmanlı bir yapay damar yapısının, tek katlı bir yapıya göre oldukça avantajlı olduğu anlaşılmıştır. Katmanlı bir yapıda birbirinden bağımsız yapısal, morfolojik ve mekanik özelliklere sahip olan katmanların oluşturduğu yapay damarın tıpkı gerçek damar yapısındaki gibi birbirinden ayrışan görevleri üstlenebileceği düşünülmektedir. Bu bağlamda genel hatları ile yapay damar tasarımında iç katmanın kan pıhtılaşma direnci için ön-endotel hücre büyümesine elverişli olması, ayrıca kan sızdırmazlığı için gözenek boyutunun, kan hücresi boyutu ile sınırlı olması beklenirken, dış katmanın, düz kas hücrelerinin radyal kalınlıktaki difüzyonu için düz kas hücre boyutundan büyük gözenek boyutuna sahip olması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu çalışmada, elektrospinning yöntemi ile üretilen yüzeylerin lif çapı ve gözenek çapı üzerinde etkili olan üretim ve çözelti parametrelerinin yanı sıra büyük gözenek çapına sahip yüzey üretimi için kullanılabilecek çeşitli tekniklere de yer verilmiştir. Ayrıca, dış katmanda, yetersiz mekanik özellikler radyal lif oryantasyonunun arttırılması gibi kimi yöntemlerle iyileştirebilirken, küçük çaplı döner toplayıcı ile yüksek hız limitlerine çıkabilmenin çok kolay olmadığına bu nedenle araştırmacıların farklı teknikler üzerinde çalıştıklarına değinilmiştir. Lif oryantasyon eldesi için gerekli olan çevresel hız limitleri oldukça detaylı olarak irdelenmiş, polimer tipinin de etkisi dikkate alınarak tez kapsamında üretilecek 6 mm çaptaki yapay damar üretiminde radyal lif oryantasyonu eldesine izin verecek çevresel ve açısal hız limitleri belirlenmiştir. Duvar kalınlığının radyal elastisite üzerindeki etkisi tartışılmış, gerçek damara ait duvar kalınlığına yakın kalınlıkta yapay damarın duvar kalınlık eldesi için kontrol edilmesi gereken üretim parametrelerine değinilmiştir. Öte yandan, yapay damar üretiminde kullanılan biyobozunur malzeme seçiminde bir çok polimere yer verilmiş, mevcut çalışmalar ışığında mekanik, biyolojik ve morfolojik özelliklere etkisi açısından avantaj ve dezavantajları irdelenmiştir. Gerçek damarın yapısının taklit edilebilirliği açısından çeşitli tasarım bileşenlerini tek damarda bir araya getirebilmek için katmanlı yapay damar tasarımının en iyi seçenek olacağı sonucuna varılmıştır. Yapay damar üretiminde kullanılacak biyopolimerlerin seçiminde başlıca belirleyici özellikler olarak biyouyumluluk, yeterli mekanik dayanım, radyal elastisite sorununu bertaraf edecek ölçüde elastiklik ve implantasyon sonrası hücre tutunması, çoğalması ve hücrelerin kendi proteinlerini sentezleme süresine izin verecek uzunlukta biyobozunurluk süresine sahip olması gelmektedir. Tez çalışması dahilinde, yapay damar tasarımında kullanılmak üzere yeterli mekanik özelliklere ve biyobozunurluk süresine sahip olan polikaprolakton (PCL) ve kopolimeri poli(laktik-ko-kaprolakton) (PLC) seçilmiştir. Üretim tekniği olarak da sunduğu bir çok avantajdan ve istenilen yüzey üretimine yönelik modifikasyona izin vermesinden ötürü elektrospinning tekniği seçilmiştir. Tezin ikinci makalesinde, polikaprolakton polimeri için medikal uygulamalarda kullanımı kabul gören kloroform çözücüsünün yanı sıra farklı çözücü sistemleri üzerinde çalışılmış, asit ilavesinin ve polimer konsantrasyonunun öncelikle elektrospinning sürecine etkiyen çözelti parametreleri üzerindeki etkisi, akabinde üretilen yüzeylerdeki lif morfolojisi, lif çapı ve gözeneklilik ile gözenek boyutu üzerindeki etkileri incelenmiştir. Böylece tez kapsamındaki polimer-çözücü sistemi ve üretim parametrelerinin optimizasyonu sağlanmıştır. Fourier Transform Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) analizi ile üretilen yüzeylerde artık çözücü olup olmadığı üzerinde yorumlar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, asit ilavesi ile PCL'in lif çapının küçültülebileceği, üretilebilirliğinin geliştirebileceğini göstermektedir. Gözenek çapının lif çapı ile doğrudan ilişkili olduğunu, lif çapı küçüldükçe gözenek çapının da küçüldüğü gözlenmiştir. FTIR sonuçlarında özellikle kloroforma ait karakteristik piklerin, üretilen yüzeylerde mevcut bulunmadığı tespit edilmiştir. xxxi Tez, tek katlı tübüler yapıların üretimi ile devam etmektedir. Bu aşamada, belirlenen tasarım kriterleri ve optimize edilmiş üretim parametreleri dikkate alınarak öncelikle üretim teknolojisinin modifikasyonuna başlanmıştır. Öte yandan, yapay damar tasarımı söz konusu olduğunda, öncelikle gerçek damar yapısının incelenmesi, katman içeriklerinin ve bu katmanlardaki hücre dağılımlarının bilinmesi gerekmektedir. Bu nedenle, gerçek damarın katmanlı yapısına ait histolojik analizler gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamındaki üçüncü makale, elektrospinning ünitesinin modifikasyonu üzerine bir çok yenilikçi teknik bileşenin yanı sıra, gerçek damarın histolojik analizlerine, birinci makalede tartışılan tasarım kriterlerinin tek kat yapay damar üretiminde işlenmesine kadar bir çok detayı içeren oldukça kapsamlı bir makaledir. Üretim teknolojisi incelendiğinde, makaleyi özgün kılacak noktalara şu şekilde yer verilebilir. Literatürde radyal oryantasyona sahip yüzeyler büyük çaplı silindir toplayıcılarla düşük dev.dk-1 hızlarında elde edilirken, 6 mm'lik toplayıcı için bu değerin yetersizliği dikkat çekicidir. Piyasada yüksek hız değerlerine ulaşabilen motor bulmak kolay değildir. Bu sebeple, mevcut çalışmalarda büyük çaplı döner toplayıcılar üzerinde radyal oryantasyona sahip lifler üretilmektedir. Tez kapsamında 35.000 dev.dk-1 hız değerine çıkabilen matkap motoru ile toplayıcı entegrasyonuna sahip bir elektrospinning ünitesi tasarlanmış ve kurulumu gerçekleştirilmiştir. Literatürde tarama yapıldığında bu hızlara çıkabilen motor tahriki ile küçük çaplı döner toplayıcılarda radyal lif oryantasyonu elde eden çalışmaya rastlanmamıştır. Genellikle maksimum 5.000 dev.dk-1 hız limitlerine çıkılmış, çoğu zaman büyük toplayıcı çapı tercih edilmiş veya oryantasyon için metal plaka entegrasyonu gibi farklı tekniklere ihtiyaç duyulmuştur. Ayrıca elektrospinning ünitesinin kurulumunda, yatay iğne hareketinin pnömatik bir sistemle sağlanmasıyla homojen yüzey eldesine olanak tanımıştır. Öte yandan, literatürde yapay damar tasarımına ait kriterlerin belirlenmesinde önemli rol oynayan gerçek damarın histolojik yapısı, tez çalışması kapsamında gerçekleştirilmiş, gerçek damar yapısındaki katmanlar, elastin ve kolajen içerikleri, düz kas ve endotel hücre dağılımları özel boyama teknikleri kullanılarak, net bir şekilde ayırt edilebilmiştir. Bu analiz ile hedef doku taklidi için gerekli parametreler tasdik edilmiştir. Bu kapsamda da, gerçek damara ait histolojik analizlere yer verilmesi, makalenin özgün değerini arttırmıştır. Tasarıma ait, katman kalınlıkları, kolajen fibrillerinin yapıdaki radyal dağılımları ve fibriler çapları taklit edilerek, tek kat yapay damarlar üretilmiş, bu yapıların morfolojik, mekanik ve biyolojik analizleri bir çok test tekniği ile gerçekleştirilmiştir. Son olarak, çift kat yapay damar üretimlerini içeren dördüncü makalede, farklı molekül ağırlıklarına ait PCL ve kopolimer PLC ile farklı oryantasyon derecelerinde kombinasyonlara gidilmiş, morfolojik, mekanik ve biyolojik analiz sonuçlarına etkileri incelenmiştir. Üretilen çift katlı yapay damarların mekanik özellikleri, bileşenlerini oluşturan ve ayrıca üretilen tek katlı yapay damarlarla kıyaslanmış, kompozit etkisinin mekanik özellikler üzerindeki önemi tartışılmıştır. Duvar kalınlığı, polimer tipi, polimerin hangi katmanda ve hangi oryantasyon derecesinde kullanıldığına bağlı olarak değişen çift kat tasarımların morfolojik analizlerinin yanı sıra, çekme ve patlama test sonuçları detaylı olarak tartışılmıştır. Makalenin özgün değerini arttıran bu çalışmalar, çift kat yapay damar üretiminde katmanlar arası farklı kombinasyonlara gidilmesinin nihai tasarımda ne denli farklı etkilere neden olabileceği sonucunu ortaya koymuştur. Öte yandan bu çalışma kapsamında, dış katmanlardaki radyal oryantasyon eldesi ile gerçek damarın dış katmanındaki kolajen xxxii fibrillerinin radyal oryantasyonu taklit edilmiştir. Üçüncü makalede fibroblast hücreler ile yapılmış olan hücre analizleri bu kez, dış katmanda çoğalması ve yayılması hedeflenen koroner düz kas hücreleri ile tekrarlanmış, biyouyumlulukları ve radyal oryantasyona sahip liflerle aynı yönelimde çoğaldıkları floresan mikroskop çekimleri ile kanıtlanmıştır. Sonuç olarak, tez kapsamındaki bu dört makale, tez konusunun güncel ve farklı yaklaşımlarını gözler önüne sermektedir. Makalelerin oldukça detaylı ve yenilikçi alt başlıkları ile henüz yeni sayılabilecek bir çalışma alanı içerisinde literatüre özgün katkı sağladıkları düşünülmektedir. Bunun yanı sıra, taranan mevcut çalışmalarda, önerilen tez konusu üzerinde Türkiye'de yürütülen deneysel çalışmalara rastlanmamıştır. Bu bağlamda çalışmanın bilimsel kalitesi ile uluslararası literatür için yenilikçi bir paydaş olmasının yanı sıra, ulusal araştırmacılara da yol gösterici olacağı öngörülmektedir.