Geri Dön

Desıgn and development of bıoactıve quercetın-loaded plascaffold employıng 3D prıntıng for bone tıssueengıneerıng applıcatıons

Kemik doku mühendisliği uygulamaları için biyoaktifkuersetin yüklü pla iskelesinin 3B baskı ile tasarımı vegeliştirilmesi

  1. Tez No: 1015884
  2. Yazar: MERT SÜGÜR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. İKİLEM GÖCEK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Bioengineering, Textile and Textile Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yenilikçi Teknik Tekstiller Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Kemik doku, fizyolojik koşullarda belirli bir yenilenme kapasitesine sahip olsa da travma, tümör rezeksiyonu, enfeksiyon veya dejeneratif süreçler sonucunda oluşan kritik boyutlu hasarlarda kendiliğinden iyileşme yetersiz kalabilmektedir. Klinik uygulamalarda otogreft, allogreft ve sentetik greftler yaygın biçimde kullanılmakla birlikte, donör saha morbiditesi, sınırlı miktar, immün yanıt ve enfeksiyon riski gibi nedenlerle alternatif yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Kemik doku mühendisliği bu bağlamda; hücre, biyomalzeme ve biyolojik sinyallerin bir araya getirildiği, hasar bölgesinde yeni kemik oluşumunu destekleyen iskele (scaffold) temelli stratejiler sunmaktadır. İskelenin gözeneklilik, gözenekler arası bağlantılılık, mekanik dayanım ve biyouyumluluk gibi gereksinimleri aynı anda karşılaması beklenirken, bu gereksinimler çoğu zaman birbirleriyle çelişen tasarım hedefleri oluşturmaktadır. Özellikle yüksek porozite biyolojik performansı artırma eğilimindeyken mekanik bütünlüğü düşürebilmekte; buna ek olarak üretilebilirlik kısıtları, tasarım alanını önemli ölçüde sınırlandırmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, kemik doku mühendisliği uygulamaları için mimarisi kontrollü, mekanik açıdan anlamlı ve yüzey biyofonksiyonelleştirmeye uygun bir iskele platformu geliştirmektir. Bu doğrultuda, (i) hesaplamalı üretken tasarım yaklaşımıyla farklı gözenekli mimarilerin oluşturulması, (ii) bu mimarilerin eriyik yığma tabanlı 3B baskı yöntemiyle (FDM) polilaktik asit (PLA) kullanılarak üretilmesi, (iii) mimari seçimin deneysel porozite ve basma davranışı üzerinden yapılması ve (iv) seçilen iskelelerin polidopamin (PDA) ara tabakası aracılığıyla kuersetin yüklenmesine uygun hale getirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma ayrıca sürdürülebilirlik perspektifiyle, kuersetinin iki farklı kaynaktan (sentetik ve üzüm atığı kaynaklı doğal kuersetin) aynı yüzey fonksiyonelleştirme stratejisi altında karşılaştırılmasını kapsamaktadır. Böylece, döngüsel biyoekonomi yaklaşımına uygun biçimde gıda atıklarından elde edilen biyoaktiflerin biyomedikal platformlara entegre edilebilirliği“yükleme ve salım davranışı”üzerinden somut bir performans metriği ile değerlendirilmiştir. Tez kapsamında ilk aşamada, üretken tasarım tabanlı bir hesaplamalı çerçeve geliştirilmiştir. Bu çerçeve, iskele domaini içinde düğüm noktalarının iyi dağılımlı biçimde örneklenmesi ve bu noktalar arasında sürekli iç yolların oluşturulması prensibine dayanmaktadır. Düğüm dağılımında quasi-random örnekleme 31 yaklaşımlarından yararlanılarak daha homojen bir iç ağ elde edilmesi hedeflenmiş; yol oluşturma sürecinde ise komşuluk tabanlı seçim (k-NN arama) kullanılarak başlangıç (inlet) ve bitiş (outlet) yüzeyleri arasında ilerleyen rotalar tanımlanmıştır. Üretilebilirlik açısından, FDM baskı yönüne bağlı kısıtlar tasarımın en başından itibaren probleme dahil edilmiş; özellikle belirli bir maksimum çıkıntı açısının aşılmaması ve minimum özellik boyutlarının korunması gibi koşullar, hesaplamalı üretim sürecinin ayrılmaz bir parçası olarak uygulanmıştır. Bu yaklaşımın temel motivasyonu; yalnızca biyolojik hedeflere göre değil, aynı zamanda“desteksiz üretime uygun”geometriler üretmek ve tasarım-fabrikasyon uyumunu başlangıçtan itibaren garanti altına almaktır. İkinci aşamada, hesaplamalı olarak üretilen dört farklı iskele tasarımı FDM yöntemi ile PLA kullanılarak üretilmiştir. Üretim sonrası geometri doğruluğu görsel inceleme ile değerlendirilmiş; ardından porozite, kütle ölçümü ve hacimsel hesaplama yaklaşımıyla nicel olarak belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, üretilen tüm tasarımlarda porozitenin %75'in üzerinde olduğunu ve hesaplamalı öngörülerle uyumlu bir dağılım sergilediğini göstermiştir. Mekanik değerlendirme kapsamında, iskeleler basma testi ile karakterize edilmiş ve mimarinin rijitlik ve yük taşıma kapasitesi üzerindeki etkisi karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Sonuçlar, iskele mimarisinin mekanik davranış üzerinde belirleyici bir rol oynadığını; özellikle Tasarım 3 ve Tasarım 4'ün, yüksek poroziteyi korurken daha yüksek rijitlik ve daha iyi yük taşıma performansı sergilediğini ortaya koymuştur. Bu nedenle, biyofonksiyonelleştirme çalışmalarına geçiş için Tasarım 3 ve Tasarım 4 uygun adaylar olarak seçilmiştir. Üçüncü aşamada, PLA'nın biyoinert yüzey karakterini iyileştirmek ve biyoaktif yükleme için fonksiyonel bağlanma bölgeleri oluşturmak amacıyla PDA tabanlı yüzey modifikasyonu uygulanmıştır. Dopaminin hafif alkali koşullarda oksidatif polimerleşmesi ile oluşan PDA tabakası, çok farklı altlıklar üzerinde konformal bir kaplama sağlayabilmesi ve katekol/amin grupları aracılığıyla ikincil moleküllerin immobilizasyonuna imkan tanıması nedeniyle tercih edilmiştir. Uygulanan PDA kaplamanın, iskele geometrisinde deformasyona yol açmadan, gözenek tıkanması oluşturmadan ve yapı sürekliliğini bozmayacak şekilde gerçekleştirildiği görsel inceleme ile doğrulanmıştır. Bu bulgu, yüksek poroziteli ve iç hacmi erişimi kısıtlı olabilen 3B baskılı iskelelerde bile PDA fonksiyonelleştirmenin uygulanabilir olduğunu göstermesi açısından önemlidir. Dördüncü aşamada, PDA kaplı iskelelere kuersetin yüklenmiş ve in vitro salım davranışı fizyolojik pH koşullarında (PBS, pH 7.4) UV-Vis spektrofotometri ile izlenmiştir. Kuersetin, flavonoid sınıfında yer alan ve literatürde osteojenik süreçleri destekleyebildiği bildirilen bir biyoaktif molekül olarak seçilmiştir. Bu tezde kuersetin iki farklı kaynaktan sağlanmıştır: (i) sentetik kuersetin ve (ii) üzüm atıklarından elde edilen doğal kuersetin. Böylelikle, biyomedikal fonksiyon hedefi korunurken biyoaktif kaynağının sürdürülebilirlik boyutu deneysel bir karşılaştırmaya dahil edilmiştir. Salım deneyleri, sentetik kuersetin için sürdürülebilir bir salım profilinin elde edilebildiğini; Tasarım 3 ve Tasarım 4 arasında salım davranışı açısından belirgin bir mimari etkisinin gözlenmediğini göstermiştir. Mekanik stabilitesi daha yüksek görülen Tasarım 4, doğal kuersetin çalışmaları için temsil edici iskele olarak seçilmiştir. Doğal kuersetin için toplam salınan miktarın sentetik kuersetine kıyasla daha düşük olmasına rağmen, yükleme ve zaman içinde 32 kontrollü salımın gerçekleştirilebildiği gösterilmiştir. Bu sonuç, atık kaynaklı biyoaktif bileşenlerin, uygun yüzey kimyası aracılığıyla 3B baskılı iskele platformlarına entegre edilebileceğini ve salım davranışı üzerinden ölçülebilir bir performans sergileyebileceğini ortaya koymaktadır. Genel olarak bu tez, kemik doku mühendisliği için iskele geliştirme sürecinde hesaplamalı üretken tasarım, FDM ile üretilebilirlik, deneysel mekanik doğrulama ve PDA aracılığıyla yüzey biyofonksiyonelleştirme adımlarını tek bir bütünleşik iş akışı altında birleştirmiştir. Elde edilen bulgular, %75'in üzerindeki poroziteye sahip PLA iskelelerin yüksek geometrik doğrulukla üretilebildiğini; mimari seçimin mekanik performansı anlamlı biçimde etkilediğini; PDA kaplama ile biyoaktif yükleme altyapısının iskele geometrisini bozmadan sağlanabildiğini ve kuersetinin hem sentetik hem atık kaynaklı formunun iskele yüzeyine immobilize edilerek kontrollü biçimde salınabildiğini göstermiştir. Çalışma; tasarım-fabrikasyon uyumunu erken aşamada garanti altına alan hesaplamalı yaklaşımı ve sürdürülebilir biyoaktif kaynak kullanımını aynı platformda ele almasıyla, hem mühendislik hem de sürdürülebilirlik açısından katkı sunmaktadır. Gelecek çalışmalarda, hücre temelli biyolojik testler, uzun dönem bozunma davranışı ve in vivo performans değerlendirmeleri ile sistemin osteojenik potansiyelinin daha kapsamlı biçimde doğrulanması; ayrıca doğal biyoaktiflerin yükleme veriminin artırılmasına yönelik proses optimizasyonlarının yapılması önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

Bone tissue possesses an intrinsic regenerative capacity; however, critical-sized defects caused by trauma, tumor resection, infection, or degenerative processes often exceed the natural healing potential and require clinical intervention. Autografts and allografts remain common treatment options, yet they are associated with limitations such as donor-site morbidity, limited availability, immune-related complications, and infection risk. Within this context, bone tissue engineering (BTE) offers scaffold- based strategies in which a biomaterial structure provides temporary mechanical support and a 3D microenvironment that can facilitate tissue ingrowth and remodeling. For a scaffold to be effective in BTE, it must simultaneously address multiple, frequently competing requirements, including high porosity and pore interconnectivity for mass transport and cell infiltration, adequate mechanical integrity for load-bearing stability, and surface biofunctionality to promote osteogenic processes. This thesis aims to develop a controlled-architecture scaffold platform suitable for BTE by integrating (i) computational generative design, (ii) additive manufacturing via Fused Deposition Modeling (FDM) using polylactic acid (PLA), (iii) experimental screening based on porosity and compressive behavior, and (iv) surface biofunctionalization through polydopamine (PDA)-assisted quercetin immobilization. In addition, the study incorporates a sustainability perspective by comparing quercetin obtained from two sources, namely synthetic quercetin and naturally derived quercetin extracted from grape waste, thereby assessing the feasibility of valorizing food waste-derived bioactives for biomedical scaffold functionalization. In the first stage, a generative design framework was established to produce porous scaffold geometries within a predefined domain. The approach is based on distributing internal nodes in a well-dispersed manner and connecting these nodes through continuous internal pathways to form an interconnected porous network. Quasi-random sampling strategies were employed to improve the uniformity of node distribution, while neighborhood-based selection methods (k-nearest neighbor searching) were used to construct paths progressing between inlet and outlet regions. Crucially, manufacturability constraints relevant to FDM were incorporated into the design process at an early stage. In particular, geometric features were generated 27 with consideration of support-free printability, including constraints related to overhang behavior and minimum feature dimensions. By embedding fabrication limitations into the computational workflow, the framework targets the production of geometries that are not only biologically relevant but also directly manufacturable without extensive post-processing or support-related artifacts. In the second stage, four distinct scaffold designs generated by the computational framework were fabricated from PLA via FDM. Following fabrication, geometric integrity and overall print fidelity were assessed through visual inspection. Porosity was quantified using mass and volume-based calculations, providing a practical metric to compare the printed architectures. Mechanical characterization was performed through compressive testing to evaluate the influence of architecture on stiffness and load-bearing capacity. The results demonstrated that scaffold architecture strongly governs compressive behavior even when high porosity is maintained. Among the candidates, Design 3 and Design 4 emerged as the most suitable architectures for subsequent biofunctionalization, as they exhibited comparatively improved compressive performance while preserving a highly porous and interconnected structure. This selection step established an architecture screening logic in which experimental mechanical response is used as a decisive criterion, rather than relying solely on geometric porosity targets. In the third stage, PDA-based surface modification was applied to address the intrinsically bioinert and low-surface-energy character of PLA and to introduce functional groups suitable for secondary immobilization. PDA coatings can be formed through the oxidative polymerization of dopamine under mildly alkaline conditions and are widely recognized for their ability to deposit conformally on diverse substrates. In this thesis, PDA was used as an intermediate layer to create catechol- and amine-rich surface chemistry on the scaffold struts, enabling subsequent quercetin loading while minimizing disruption to the printed architecture. Visual examination indicated that the PDA treatment could be applied without inducing macroscopic deformation, significant pore blockage, or loss of structural continuity, which is particularly relevant for highly porous FDM scaffolds where internal access can be limited. In the fourth stage, quercetin was immobilized onto PDA-coated scaffolds, and in vitro release behavior was investigated under physiologically relevant conditions (phosphate-buffered saline, PBS, pH 7.4) using UV-Vis spectrophotometry. Quercetin is a flavonoid bioactive that has been reported in the literature to exhibit biological activities relevant to bone regeneration. Two quercetin sources were examined: (i) synthetic quercetin and (ii) naturally derived quercetin extracted from grape waste, enabling an explicit comparison between conventional and waste- valorized bioactive supply routes within the same coating and loading strategy. The release studies confirmed that sustained release profiles could be achieved from PDA-mediated immobilization. For synthetic quercetin, controlled release was obtained for both Design 3 and Design 4, and the effect of architecture on the overall release trend was not dominant within the tested configurations. Based on the combined evaluation of mechanical stability and functionalization performance, Design 4 was selected as the representative scaffold for the natural quercetin study. For grape waste-derived quercetin, a lower total released amount was observed compared to synthetic quercetin; however, successful loading and time-dependent 28 release were still achieved, demonstrating that food waste-derived bioactives can be integrated into FDM-printed PLA scaffold platforms via appropriate surface chemistry. Overall, this thesis presents an integrated workflow that combines generative design with fabrication-aware constraints, experimental screening of printed architectures, and PDA-assisted biofunctionalization for quercetin loading and release. The main contribution lies in demonstrating that (1) computationally generated porous architectures can be translated into manufacturable PLA scaffolds via FDM, (2) scaffold architecture is a primary determinant of compressive behavior and can be used as a rational selection criterion, and (3) PDA provides an effective route to enable quercetin immobilization and sustained release without compromising scaffold integrity. Importantly, the inclusion of grape waste-derived quercetin supports the feasibility of a circular bioeconomy approach in which waste streams are valorized into functional biomolecules for biomedical applications. Future work is recommended to validate biological performance through in vitro cell-based assays (e.g., cytocompatibility and osteogenic markers), to examine long- term degradation behavior of PLA-based scaffolds under relevant conditions, and to assess in vivo outcomes in appropriate defect models. In addition, process optimization strategies to enhance the loading efficiency and release performance of naturally derived quercetin should be investigated, including extraction refinement, purification control, and systematic tuning of PDA deposition and loading parameters.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    874174

    Characterization of Turkish bee products such as propolis, pollen and royal jelly in terms of bioactive components, health effects and encapsulation

    Türkiye'ye ait arı sütü, propolis ve polen gibi arı ürünlerinin biyoaktif bileşenler, sağlık etkileri ve enkapsülasyonu açısından karakterizasyonu

    ÜMİT ALTUNTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK

  2. Tez No

    863707

    Soğuk plazma uygulanmış soğan kabuğu tozunun çikolata üretiminde kullanımı

    Utilization of cold plasma treated onion skin powder in chocolate production

    BERNA ŞENGÜLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CELALE KIRKIN GÖZÜKIRMIZI

  3. Tez No

    472890

    Design and development of ECM-inspired peptide-based nanostructures for bioengineering and biomedicine

    Biyomühendislik ve biyotıp uygulamaları için hücreler arası matriksten esinlenilen peptit nanoyapıların tasarımı ve geliştirilmesi

    ELİF ARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Biyomühendislikİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    YRD. DOÇ. DR. AYŞE BEGÜM TEKİNAY

  4. Tez No

    1006371

    Development of A multılayered nanofıber–hydrogel bone graft wıth bıoactıve and antıbacterıal agents

    Çok katmanlı, biyoaktif ve antibakteriyel ajanlar içeren nanolif–hidrojel kemik greftinin geliştirilmesi

    ZEYNEP RAMAZAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AZİME ERARSLAN

  5. Tez No

    670407

    İlaç yüklü nano fiber yapılı polimerlerin tasarımı ve geliştirilmesi

    Design and development of drug-loaded nano fiber polymers

    FATİH ÇİFTÇİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NİLÜFER DUYGULU

Geri Dön