Doku Mühendisliğinde Kullanılacak Biyomateryallerin Seçimi
Menşura Feray ÇOŞAR - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Fen-Edebiyat Fakültesi, İstanbul Teknik Üniversitesi
Vücudun herhangi bir dokusunu, organını veya işlevini değerlendirme, büyütme ve değiştirme amacıyla organizmada bulunan biyolojik sistemlerle arayüz oluşturabilen malzemeler biyomateryal olarak isimlendirilir. Bu malzeme hedeflenen bölgeye implante edildiğinde herhangi bir toksik etki barındırmamalıdır. Malzemenin kabul edilebilir raf ömrü olması, implante edildiği doku içerisinde bozunma süresinin iyileşme veya yenilenme süreciyle eşleşmesi, metabolize edilip vücuttan atılabilmesi, uygun geçirgenliğe ve işlenebilirliğe sahip olması biyomalzeme seçiminin ana kriterlerini oluşturmaktadır. Malzeme kimyası, moleküler ağırlık, çözünürlük, implantın şekli ve yapısı, hidrofiliklik / hidrofobiklik, kayganlık, yüzey enerjisi, su emilimi, bozunma ve erozyon mekanizması; polimer biyomalzemelerin implante edildikleri doku içerisindeki biyouyumluluklarını etkileyebilmektedir. Bu sebeple her uygulama için spesifik ve benzersiz gereksinimlerini uygun şekilde karşılayabilen geniş bir malzeme yelpazesinin geliştirilmesi zorunludur.[1-3]
Son yıllarda, doğada hazır halde bulunabilen metal vb malzemelerin yerine daha biyouyumlu oln ve nakledildiği organizmada doğal reaksiyonlara katılarak parçalanabilen sentetik polimer sentezleri kullanımı yaygınlaşmıştır. Polilaktik asit (PLA), poliglikolik asit (PGA) ve poli (laktik-ko-glikolik) asit (PLGA) sıkça kullanılan sentetik polimer malzemelerdir.[2] Bu polimerlerin sentezlenmesi halka açma polimerasyonu (ROP) yöntemi ile mümkün olabilir. Bu yöntemde eter, asetal, ester, amid ve siloksan benzeri maddeler halka açılması polimerizasyonu ile polimerleşirler. İyonik ve moleküler katalizörlerle başlatılabilen polimerizasyon; kullanılan maddelerdeki halka açılması ile yeni bir başlatıcı tür oluşturmaktadır. Monomer moleküllerinin başlatıcıya ard arda katılması ile devam etmektedir. Polimerleşme adımlarının pek çoğunda polimerizasyon-depolimerizasyon dengelerinin bulunması nedeniyle halka açılması polimerizasyonları karmaşık bir mekanizma göstermektedir. Diğer polikondenzasyon yoluna göre daha hafif reaksiyon koşulları, daha kısa reaksiyon süreleri, reaksiyon yan ürünlerinin olmaması ve hatta altı veya yedi üyeli laktonları kullanma yeteneği göz önüne alındığında ROP diğer metotlara kıyasla daha avantajlıdır. Laktit, glikolid ve kaprolakton alifatik polyester sentezi için en kapsamlı çalışılan monomerleri oluşturmaktadır. Siklik laktonlar ve siklik anhidritler de poliesterler oluşturmak için ROP'a girebilen maddelerdir.[4-6]
Organizmalar üzerindeki çeşitli uygulamalar için araştırılan ilk biyolojik olarak parçalanabilir sentetik polimer poliglikolid (PGA) çözünürlüğünün düşük olmasına rağmen, çeşitli form ve yapılarda üretilebilmiştir. Ekstrüzyon, enjeksiyon ve sıkıştırmalı kalıplama ile partikül süzdürme ve çözücü döküm poliglikolid bazlı yapılar geliştirmek için kullanılan tekniklerden bazılarıdır.
Yapısındaki ester omurgasının spesifik olmayan kesimi ile yığın halinde bozunan Poliglikolid, hidrolize edildiğinde 1-2 ay içinde gücünü, sağlamlığını yitirir ve 6-12 ay içinde kütle kaybetmeye başlar. Farklı uygulamalar için tercih edilen poliglikolidler, idrarla atılabilen veya sitrik asit döngüsü yoluyla karbondioksit ve suya dönüştürülebilen glisin olarak parçalanabilen özelliktedir.[1]
Polilaktitler (PLLA) da yaygın kullanılan bir diğer biyouyumlu polimerdir. Laktid glikolidin aksine şiral bir moleküldür ve l- laktit ve d- laktit olmak üzere optik olarak aktif iki formda bulunmaktadır. PLLA'nın bozunma oranı poliglikolitten daha hidrofobik olması nedeniyle çok daha düşüktür. Polilaktitler, ester omurgasının rastgele bölünmesiyle hidrolitik bozunmaya uğramakta ve sonrasında sitrik asit döngüsü yoluyla suya ve karbondioksite parçalanmasıyla normal bir insan metabolik yan ürünü olan laktik aside indirgenebilmektedir.[1,3, 8]
Bir diğer polimer malzeme olan poli (laktik-ko-glikolik) asit (PLGA), iyi hücre yapışması ve hücre çoğalması destekleyici yönüye doku mühendisliği uygulamaları için potansiyel bir adaydır. PLGA'dan oluşan çeşitli ilaç verme araçları, kontrollü salım mekanizmasına sahip mikroküreler, mikrokapsüller, nano-küreler ve nanolifler gibi geliştirilmiştir.[1,9]
Polikaprolakton (PCL), çok çeşitli organik çözücüler içinde çözünebildiği ve düşük bir erime noktasına sahip olduğu için çeşitli polimerlerle karışımlar oluşturabilir.Diğer polimerlere benzer şekilde PCL de hidrolitik olarak kararsız alifatik ester bağlarını barındırır ve varlığından bozunmaya uğrar, ancak bozulma hızı oldukça yavaştır. PCL, doku mühendisliği için yapı iskelesi olarak da kapsamlı bir şekilde araştırılan bir polimerdir. Hem diğer polimerler ile karışım içinde olabilmesi hem de yüksek biyouyumluluk göstermesi bu duruma sebep olmuştur.[7,9] Potansiyel bir menisküs olarak PCL ve hyaluronik asitten oluşan bir kompozit matris kullanmanın uygulanabilirliği çalışmalarda ispatlanmıştır.[1,10]
Poliüretanlar ve poli (eter üretanlar), özellikle kalp pili ve vasküler greftler gibi uzun süreli tıbbi implantlar olarak kullanılmak üzere araştırılmaktadır. Poliüretanlar genellikle diizosiyanatların alkoller ve / aminlerle polikondensasyon reaksiyonu ile hazırlanmaktadır.[1,3,11] Daha çok kemik doku mühendisliği çalışmalarında kullanılan poliüretanlar, prefabrike iskeleler olarak implante edilir veya enjekte edilebilir ve ayarlanabilir kemik greftleri olarak formüle edilebilmektedir. Bu sayede kemik gibi ortopedik uygulamalar için gerekli olan esneklik sağlanmış olur.[12]
Özellikle geçtiğimiz son yirmi yılda, biyolojik olarak parçalanabilen polimerik malzemeler; geçici protezler, doku mühendisliği için yapı iskelesi olarak üç boyutlu gözenekli yapılar ve kontrollü / sürekli salım ilaç verme araçları gibi terapötik cihazlar geliştirmek için tercih edilen adaylar olmuşlardır. Belirli fiziksel, kimyasal, biyolojik, biyomekanik ve bozunma özelliklerine sahip polimerler kullanılarak yapılan uygulamalar, etkili tedavide büyük rol oynamaktadır. Gözenekli yapıları, çözünme oranları, hücre yapışma kabiliyetleri göz önüne alındığında pek çok polimer biyomedikal uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca bu polimerlerin niteliklerini geliştirme adına sentetik olarak düzenlenen karışım halinde üretilen polimer maddeler de bulunmaktadır.
Referanslar
Nair, L., & Laurencin, C. (2007). Biodegradable polymers as biomaterials. Progress In Polymer Science, 32(8-9), 762-798. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2007.05.017
Zhang, F., & King, M. (2020). Biodegradable Polymers as the Pivotal Player in the Design of Tissue Engineering Scaffolds. Advanced Healthcare Materials, 9(13), 1901358. doi: 10.1002/adhm.201901358
Hogan, K., & Mikos, A. (2020). Biodegradable thermoresponsive polymers: Applications in drug delivery and tissue engineering. Polymer, 211, 123063. doi: 10.1016/j.polymer.2020.123063
Tarnacka, M., Dzienia, A., Maksym, P., Talik, A., Zięba, A., & Bielas, R. et al. (2018). Highly Efficient ROP Polymerization of ε-Caprolactone Catalyzed by Nanoporous Alumina Membranes. How the Confinement Affects the Progress and Product of ROP Reaction. Macromolecules, 51(12), 4588-4597. doi: 10.1021/acs.macromol.8b00409
Jem, K., & Tan, B. (2020). The development and challenges of poly (lactic acid) and poly (glycolic acid). Advanced Industrial And Engineering Polymer Research, 3(2), 60-70. doi: 10.1016/j.aiepr.2020.01.002
Dechy-Cabaret, O., Martin-Vaca, B., & Bourissou, D. (2004). Controlled Ring-Opening Polymerization of Lactide and Glycolide. Chemical Reviews, 104(12), 6147-6176. doi: 10.1021/cr040002s
Park, C., & Lee, W. (2012). Compression molding in polymer matrix composites. Manufacturing Techniques For Polymer Matrix Composites (Pmcs), 47-94. doi: 10.1533/9780857096258.1.47
Huang, L., Zhuang, X., Hu, J., Lang, L., Zhang, P., & Wang, Y. et al. (2008). Synthesis of Biodegradable and Electroactive Multiblock Polylactide and Aniline Pentamer Copolymer for Tissue Engineering Applications. Biomacromolecules, 9(3), 850-858. doi: 10.1021/bm7011828
Dai, W., Kawazoe, N., Lin, X., Dong, J., & Chen, G. (2010). The influence of structural design of PLGA/collagen hybrid scaffolds in cartilage tissue engineering. Biomaterials, 31(8), 2141-2152. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.11.070
Felfel, R. M., Poocza, L., Gimeno-Fabra, M., Milde, T., Hildebrand, G., Ahmed, I., Scotchford, C., Sottile, V., Grant, D. M., & Liefeith, K. (2016). In vitro degradation and mechanical properties of PLA-PCL copolymer unit cell scaffolds generated by two-photon polymerization. Biomedical materials (Bristol, England), 11(1), 015011. https://doi.org/10.1088/1748-6041/11/1/015011
Fink, J. (2018). Poly(urethane)s. Reactive Polymers: Fundamentals And Applications, 71-138. doi: 10.1016/b978-0-12-814509-8.00002-6
Fernando, S., McEnery, M., & Guelcher, S. (2016). Polyurethanes for bone tissue engineering. Advances In Polyurethane Biomaterials, 481-501. doi: 10.1016/b978-0-08-100614-6.00016-0
Sardon, H., Pascual, A., Mecerreyes, D., Taton, D., Cramail, H., & Hedrick, J. (2015). Synthesis of Polyurethanes Using Organocatalysis: A Perspective. Macromolecules, 48(10), 3153-3165. doi: 10.1021/acs.macromol.5b00384