Doku mühendisliği uygulamaları için ışığa duyarlı fonksiyonelleştirilmiş hidrojelin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu

Uyaranlara duyarlı hidrojeller, çeşitli fiziksel ve kimyasal uyaranlara yanıt olarak dikkat çekici ölçüde bir hacim geçişi gibi benzersiz özellikler nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu hidrojeller, dışardan gelen sinyaller sayesinde, malzeme özellikleri üzerinde önemli derecede ayrıcalıklı özelliklere sahip olmuştur. Hidrojel özellikleri üzerindeki hassas kontrol ve tıbbi cihazlardaki önemli ilerlemeler, doku mühendisliği uygulamaları için geliştirilmiş metodolojilerle sonuçlanmıştır. Bu tezde, doku mühendisliği uygulamaları için biyolojik olarak uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilen uyaranlara duyarlı hidrojeller geliştirmeyi amaçladık. Çalışma boyunca serbest radikal fotopolimerizasyon ve fotodimerizasyon reaksiyonları gibi farklı hidrojel üretim yöntemleri incelenmiştir. Tezin ilk bölümünde, polimerlerin ışığa duyarlı antrasen ile işlevselleştirildiği geleneksel hidrojel oluşturma yöntemini takip ettik. Glikan bazlı aljinat hidrojelleri, biyotıp için duyarlı davranış ve ayarlanabilir özelliklere sahip yeni araçlar yaratmada büyük potansiyele sahip olmuştur. Bununla birlikte, hidrojellerin özelliklerinin üzerindeki hassas kontrol ve ayarlanabilirlik, bu materyallerin klinik translasyonu için büyük engeller oluşturmaktadır. Terapötik moleküllerin seçici salınımı için pH'a duyarlı antrasen ile modifiye edilmiş glikan bazlı hidrojellerin sentezini bildirdik. Hidrojeller, vinil gruplarının eş zamanlı fotopolimerizasyonu ve antrasenin fotodimerizasyonu yoluyla çapraz bağlanmıştır. Bu jellere antrasenin dahil edilmesi, antrasen gruplarının dimerizasyonu/dedimerizasyonu yoluyla jel/sol durumları arasında çapraz bağlanma ve geçiş üzerinde tersine çevrilebilir kontrole yol açmaktadır. Kemoterapötik ilaç doksorubisin yüklü hidrojeller daha sonra ilacın %85'inin pH 2'de 6 gün boyunca antrasen-konjuge hidrojellerden salındığı bir kanser mikro-ortamının taklidi olan yerde test edildi. Antrasen katılımı ile jelleşme üzerindeki kontrol, modüldeki değişiklikler yoluyla gözlemlendi; burada depolama modülü, fotopolimerizasyon ve fotodimerizasyon sırasında antrasen konjugasyonu ile sırasıyla iki ve beş kat arttı. Ayrıca, hücre hayatta kalma analizi, antrasen konjugasyonunun, sağlıklı fibroblastlar üzerinde önemli toksisiteye neden olmadan kanser hücresi canlılığını seçici olarak tehlikeye atabileceğini ortaya koydu. Bu çalışma, antrasen ve aljinat ile pH ile tetiklenen terapötiklerin verilmesine bağlı çapraz bağ yoğunluğunun ışıkla indüklenen kontrolünü birleştirmektedir. Yaklaşım, yüksek hassasiyetle çoklu kontrolün gerekli olduğu sistemler için geçerli olacaktır. Ayrıca, toksik başlatıcıların yokluğunda tek ve çift çapraz bağlı antrasen-fonksiyonel kitosan bazlı hidrojellerin sentezini bildirdik. Tekli çapraz bağlama, antrasenin dimerizasyonu yoluyla elde edilirken, ikili çapraz bağlı hidrojel, iyi bilinen bir B2 vitamini olan toksik olmayan başlatıcı riboflavin varlığında antrasenin dimerizasyonu ve metakrilatlanmış-kitosan'ın serbest radikal fotopolimerizasyonu yoluyla oluşturulmuştur. Reolojik analizle belirlendiği gibi, hem tek hem de çift çapraz bağlı hidrojellerin elastik olduğu bulunmuştur. Çift çapraz bağlı hidrojellerin, tekli çapraz bağlı hidrojellerden daha yüksek Young modülü sergilediğini gözlemledik. Tekli ve çift çapraz bağlı hidrojellerin modülleriyle sırasıyla 9.2±1.0 kPa ve 26±2.8 kPa olarak ölçülmüştür. Bunun sonunda çift çapraz bağlı hidrojeldeki (2.2x107 µm3) hücre hacminin değeri, tek çapraz bağlı hidrojeldekinden daha fazla (4.9x106 µm3) olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, CellTiter-Glo tahlili yoluyla her iki hidrojelin 3T3-J2 fibroblast hücrelerine karşı sitotoksisitesini araştırdık. Son olarak, hidrojel modülünün hücre morfolojisi üzerindeki etkisini değerlendirmek için immünofloresan boyaması yapıldı. Bu çalışma, chitosanın antrasen ile işlevselleştirilmesini kapsamlı bir şekilde sunup, toksik olmayan başlatıcı riboflavin kullanarak antrasenin dimerizasyonu ve serbest radikal fotopolimerizasyonu yoluyla çapraz bağlanma derecesini modüle etmektedir. Ayrıca hidrojel özelliklerindeki değişiklikler yoluyla hücre davranışını da etkilemektedir. Tezin ikinci bölümünde yeni bir teknik tanıtılmış ve herhangi bir foto başlatıcı veya yardımcı başlatıcı olmadan doğal ve sentetik polimerlerden foto çapraz bağlı hidrojeller sentezlenmiştir. Serbest radikal polimerizasyon yoluyla biyouyumlu ve toksik olmayan hidrojellerin sentezlenmesi için çok basit ve kolay bir yöntem geliştirilmiştir. Geliştirilen prosedürün potansiyeli hem doğal hem de sentetik polimerlere karşı gösterilmiştir. Bunun için akrilatlı aljinat, kitosan, jelatin, hyaluronik asit ve polietilen glikol (PEG) formları kullanılmış ve reolojik analizle belirlendiği üzere UV (365 nm) ve görünür (430 nm) ışık altında mekanik olarak sağlam hidrojeller geliştirilmiştir. Ayrıca UV ışığı çapraz bağlı hidrojellerin daha yüksek çapraz bağlanma sergilediğini ve görünür ışıkla çapraz bağlı hidrojellere kıyasla yüksek Young modülü gösterdiğini gözlemledik. Hücre canlılığı analizi, geliştirilen hidrojellerin fibroblast hücrelerine karşı toksik olmadığını göstermektedir. Bu hidrojellerin biyomedikal potansiyeli, NIH-3T3 fibroblast hücrelerinin ve kemik iliği kaynaklı mezenkimal kök hücrelerin (rBM-MSC'ler) hyaluronik asit (HA) bazlı hidrojel içinde kapsüllendiği iki model hücre hattının kapsüllenmesiyle daha da araştırılmıştır. Hücrelerin artan büyüme hızı, çapraz bağlama prosedürünün hücreler için toksik olmadığını göstermektedir. Bu çalışmanın kapsamı, terapötiklerin sürekli salımı için daha da genişletildi. DOX, HA bazlı hidrojele başarıyla yüklendi. Görünür ışık bazlı çapraz bağlı hidrojelde UV bazlı hidrojele kıyasla açık gözenekli yapısı nedeniyle maksimum yükleme %97 olarak gözlendi ve hızlandırılmış bir salım hızı görüldü. Bu tür başlatıcı içermeyen hidrojel için başka bir potansiyel uygulama, tezin bu bölümünde de incelenen vaskülarizasyon olabilir. Gelişmiş damar mühendisliği, fonksiyonel ve klinik olarak ilgili doku yapılarının geliştirilmesinde önemli bir adımdır. Anjiyogenez için in vitro modeller yapmak için çeşitli hidrojel bazlı kültür sistemleri kullanılır. Burada, fonksiyonel vasküler ağların tübüler oluşumu için UV (365 nm) ve görünür ışık (430 nm) altında başlatıcı içermeyen foto çapraz bağlı jelatin bazlı hidrojeller geliştirdik. Ayrıntılı reolojik analiz, Gel-MA hidrojellerinin doğada sağlam ve viskoelastik olduğunu ortaya çıkarmıştır. Maruz kalan ışığın türüne bağlı olarak Gel-MA hidrojelin mekanik özelliklerini ayarladık. Bu sayede sert ve yumuşak Gel-MA hidrojelleri elde ettik. Hidrojel modülünün hücre şekli ve tübüler oluşum üzerindeki etkisini izlemek için immünofloresan etiketleme kullanılmıştır. Sert hidrojel ile karşılaştırıldığında yumuşak Gel-MA hidrojelinde daha yüksek tübüler oluşum bulduk. Ayrıca, büyüme faktörlerinin varlığında ve yokluğunda tübüler oluşumunu da araştırdık ve beklenildiği gibi büyüme faktörlerinin varlığında tübüler oluşumun çok daha yüksek olduğunu bulduk. Geliştirilen hidrojelin sitotoksisitesi, CellTiter-Glo testi kullanılarak HUVEC'lere karşı değerlendirilip toksik olmadığı bulunmuştur.